特種加工技術

特種加工技術Non-TraditionalMachiningTechnology工程技術訓練中心1

特種加工是指傳統(tǒng)的切削加工以外的加工方法。國外稱作非傳統(tǒng)加工（NTM）或是非常規(guī)機械加工（NCM）。2特種加工與切削加工的區(qū)別主要依靠其他能量去除金屬材料，而非依靠機械能工具硬度可以低于被加工材料硬度加工過程中刀具和材料之間幾乎不產(chǎn)生機械切削力3認識特種加工的必要性

由于各種特種加工工藝的特點以及逐漸廣泛的應用，引起了機械制造工藝技術領域內的許多變革，主要有以下幾個方面：（1）提高了材料的可加工性（2）改變了零件的典型工藝路線（3）改變了試制新產(chǎn)品的模式（4）特種加工對產(chǎn)品零件的結構設計帶來很大的影響（5）對傳統(tǒng)的結構工藝性的好與壞，需要重新衡量（6）特種加工已經(jīng)成為微細加工和納米加工的主要手段1.特種加工概念概述683724333135電火花加工電火花線切割加工電化學加工激光加工電子束和離子束加工超聲加工快速成形技術其它特種加工幾種特種加工方法一、電火花加工基本原理：利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，英文簡稱EDM。工藝特點：適用于只要導電的軟、硬、耐熱、難加工等材料；只需修改加工電參數(shù)就能完成小孔、薄壁、窄槽、復雜截面的粗、半精、精加工，加工適應性強。主要形式：電火花穿孔、電火花型腔加工、磨、銑、鏜、表面強化。電火花穿孔工件進給方向進給方向工作液工具電極工件工具電極工件電火花型腔加工其他形式電火花加工其他形式電火花加工電火花銑削外形電火花銑削內形電火花銑削螺旋槽多軸聯(lián)動銑削電極銅電極銑削加工石墨電極銑削加工銅電極銑削加工石墨電極銑削加工工具電極的制造方法數(shù)控電火花成型機床二、電火花線切割主要類型：1.往復高速走絲(快走絲)電火花線切割機床(WEDM-HS)，走絲速度為8～l0m/min，這是我國獨創(chuàng)生產(chǎn)和使用的主要機種。2.單向低速走絲(慢走絲)電火花線切割機床(WEDM-LS)，走絲速度低于0.2m/min，這是國外生產(chǎn)和使用的主要機種?；驹恚豪靡苿拥募毥饘賹Ь€(銅絲或鉬絲)作電極，對工件進行脈沖火花放電、切割成形。英文簡稱WEDM。工藝特點：（1）采用細金屬絲作工具電極，不需要制造特定形狀的電極。（2）電極絲損耗對加工精度影響較小（3）自動化程度高，柔性大，且操作方便。（4）切割縫隙小，故切割余料可以再利用。（5）加工表面粗糙度值小，但表面有硬化層。（6）熱變形小。（1）主要適合直紋面零件加工。（2）用于高硬度、高熔點等難加工金屬材料。（3）模具制造、電極制造和復雜零件加工線切割加工應用場合線切割加工應用線切割平面零件線切割立體零件線切割異形零件三、電化學加工

電化學加工簡稱ECM)包括從工件上去除金屬的電解加工和向工件上沉積金屬的電鍍、涂覆、電鑄加工兩大類。目前，電化學加工已經(jīng)成為我國民用和國防工業(yè)中的一個不可或缺的加工手段。基于電化學原理的微細制造技術已成為國際特種加工領域的研究熱點。電化學加工應用方面：電解：利用陽極溶解，通過電化學反應從工件表面去除金屬。電鍍：利用陰極上的沉積作用，在工件表面沉積金屬實現(xiàn)材料表面裝飾保護。電鑄：利用陰極上的沉積作用，在陰極上沉積實現(xiàn)附著加工。1、電解加工★工件接陽極，工具接陰極，兩極間加直流電壓6～24V,極間保持0.1～1mm間隙。在間隙處通以6～60m/s高速流動的電解液，形成極間導電通路，工件表面材料不斷溶解，其溶解物及時被電解液沖走。工具陰極不斷進給，保持極間間隙。

電解液可分為中性鹽溶液、酸性溶液與堿性溶液三大類。中性鹽溶液的腐蝕性小，使用時較安全，故應用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3、NaClO3三種電解液。原理：陽極溶解：溶解速度與電流密度有關,工作液高速沖走電解腐蝕物。工藝特點1.適應性強：只要導電，無論軟、硬、脆2.非接觸加工，加工過程無機械作用力工具電極理論上無消耗（陰極）3.表面質量好于電火花加工4.加工效率高于電火花加工，約為電火花加工的5~10倍5.加工精度較低6.電解液有腐蝕和污染作用，需要妥善處理電解磨削的基本原理和特點

電解磨削屬于電化學機械加工范疇。電解磨削是由電解作用和機械磨削作用相結合而進行加工的，比電解加工的加工精度高，表面粗糙度小，比機械磨削的生產(chǎn)率高。與電解磨削相近似的還有電解珩磨和電解研磨。導電磨輪電解液電刷工作臺工件絕緣板導電基體磨料陽極膜2、電解磨削

工藝特點1.加工范圍廣2.各種硬、韌金屬材料3.工件表面粗糙度與砂輪磨粒粗細無關4.切削溫度低，不易變形、裂紋5.切削力很小，可加工剛度差的零件6.加工效率高于普通磨削5～10倍7.加工精度略低于普通磨削

電鑄、表面局部涂鍍和復合鍍加工在原理和本質都屬于電鍍工藝的范疇，都是和電解相反，利用電鍍液中金屬正離子在電場的作用下，鍍覆沉積到陰極上去的過程。電鑄、涂鍍及復合鍍加工電鍍和電刷鍍產(chǎn)品電鍍和電刷鍍產(chǎn)品各種電化學方法的比較工藝名稱電解加工電解磨削電鑄加工電鍍與電刷度加工原理電化學去除加工電化學去除加工電化學附著加工電化學附著加工陽極溶解機械磨削作用5％電解作用95％陰極沉積剝取沉積層陰極沉積附著在表面四、激光加工加工特點：

加工材料范圍廣，適用于加工各種金屬材料和非金屬材料，特別適用于加工高熔點材料，耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。加工性能好，工件可離開加工機進行加工，可透過透明材料加工，可在其他加工方法不易達到的狹小空間進行加工。非接觸加工方式，熱變形小，加工精度較高。可進行微細加工。激光聚焦后焦點直徑理論上可小至1μ以下，實際上可實現(xiàn)φ0.01mm的小孔加工和窄縫切割。加工速度快，效率高。激光加工不僅可以進行打孔和切割，也可進行焊接、熱處理等工作。激光加工可控性好，易于實現(xiàn)自動控制。加工設備昂貴。

激光是一種受激輻射而得到的加強光。其基本特征：

◎強度高，亮度大

◎波長頻率確定，單色性好

◎相干性好，相干長度長

◎方向性好，幾乎是一束平行光

工作原理當激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉化成熱能，使照射斑點處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴散，使斑點周圍金屬熔化，小坑內金屬蒸氣迅速膨脹，產(chǎn)生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個方向性很強的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個上大下小的孔。激光器工件工作臺激光加工原理圖光闌反射鏡聚焦鏡電源激光加工方法1.激光切割：可對鋁、銅、鎳、陶瓷等材料進行切割加工出各種圖形，切割深度<2.5mm。加工后切縫窄，工件變形小，屬于非接觸加工與計算機配合實現(xiàn)高速加工，切割非金屬材料是其它方法不可比的。激光加工方法有：激光切割、激光打孔、激光標記、激光焊接、激光雕刻、激光其他應用方法。2.激光打孔：實現(xiàn)最小孔徑?0.03mm，實現(xiàn)大深徑比，傳統(tǒng)不大于1：10，在碳鋼上加工?0.25mm的小孔深徑比達65：1，也可對其他金屬如：鋁、銅、非金屬金剛石、硬質合金、陶瓷、塑料上打孔。激光打孔的特色速度快，效率高，尤其高密度群孔加工,可加工硬脆軟材料,可在難加工材料上加工斜孔。3.激光標記：能在多種金屬材料上做簡單的文字、數(shù)字標記，便于對原材料、半成品、在制品、產(chǎn)品進行分類；還可標記條形碼、數(shù)字符號圖案。4.激光焊接：可對鋁、銅、金、銀、鎳等金屬材料進行點焊、對焊或密封焊，焊接熔深<2.5mm。焊接速度快，效率高，深度大，變形小，大深寬比5：1，最大10：1，可焊接難熔材料，并實現(xiàn)微型焊接。3.激光雕刻：適用于多種金屬/非金屬材料和復雜平面藝術圖形。4.三維激光內雕刻：在計算機控制下利用激光作為加工手段，在各種形狀的透明水晶玻璃中雕刻出各種立體圖案、文字、人物肖像等。激光內雕技術主要用于水晶工藝品的激光內雕刻（如玻璃隔墻、玻璃屏風等）、玻璃制品行業(yè)（如玻璃杯、酒杯等）、藝術品行業(yè)（如將人像、風景等照片刻入玻璃內）、玻璃家具行業(yè)（如玻璃臺桌、家具玻璃門等）、防偽（如酒瓶、調味瓶等）激光雕刻的水晶作品激光雕刻的水晶作品激光的其它應用激光淬火

激光淬火是激光快速表面局部淬火工藝的一種高新技術加工，特點是高速加熱，高速自冷，硬度高，比常規(guī)高5-20%，淬火應力與變形小。激光快速成型加工醫(yī)學應用：眼科手術等軍事應用：對抗演習、雷達、高能束武器信息技術：激光存儲（光盤）、光纖通訊真空條件下，利用電流加熱陰極發(fā)射電子束，經(jīng)控制柵極初步聚焦后，由加速陽極加速，通過透鏡聚焦系統(tǒng)進一步聚焦，使能量密度集中在直徑5～10μm斑點內。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點處形成瞬時高溫（幾分之一微秒時間內升高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。

電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺電子束加工工作原理五、電子束和離子束加工技術

電子束束徑?。ㄗ钚≈睆娇蛇_0.01～0.05mm），而電子束長度可達束徑幾十倍，故可加工微細深孔、窄縫。材料適應性廣（原則上各種材料均能加工），特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。非接觸加工，無工具損耗；無切削力，加工時間極短，工件無變形。加工速度高，切割1mm厚鋼板，速度可達240mm/min。在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導體材料和易氧化的金屬及合金。加工設備較復雜，投資較大。多用于微細加工。

特點及應用電子束加工的應用

控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理;使材料局部熔化就可進行電子束焊接;提高電子束能量密度，使材料熔化和氣化，就可進行電子束打孔、切割等加工;利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學變化的原理，即可進行電子束光刻加工。離子束加工離子束加工的原理和物理基礎離子束加工的原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之撞擊到工件表面。不同的是離子帶正電荷，其質量比電子大數(shù)千、數(shù)萬倍，如氬離子的質量是電子的7.2萬倍，所以一旦離子加速到較高速度時，離子束比電子束具有更大的撞擊動能。它是靠微觀的機械撞擊能量，而不是靠動能轉化為熱能來加工的。離子束加工的特點

1)

離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細的加工方法，是當代納米加工技術的基礎。離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子刻蝕可以達到納米(0.001μm)級的加工精度。

2)由于離子束加工是在高真空中進行，所以污染少，特別適用于對易氧化的金屬、合金材料和高純度半導體材料的加工。

3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的。它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，所以加工應力、熱變形等極小，加工質量高，適合于對各種材料和低剛度零件的加工。

4)離子束加工設備費用貴，成本高，加工效率低，因此應用范圍受到一定限制。鍍膜加工

離子鍍技術已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。如在表殼或表帶上鍍氮化鈦膜，這種氮化鈦膜呈金黃色，它的反射率與18K金鍍膜相近，其耐磨性和耐腐蝕性大大優(yōu)于鍍金膜和不銹鋼，其價格僅為黃金的1/60。離子鍍裝飾膜還用于工藝美術品的首飾、景泰藍等，以及金筆套、餐具等的修飾上，其膜厚僅1.5～2μm。離子鍍膜代替鍍硬鉻，可減少鍍鉻公害。2～3μm厚的氮化鈦膜可代替20～25μm的硬鉻鍍層。航空工業(yè)中可采用離子鍍鋁代替飛機部件鍍鎘。用離子鍍方法在切削工具表面鍍氮化鈦、碳化鈦等超硬層，可以提高刀具壽命。一些試驗表明，在高速鋼刀具上用離子鍍鍍氮化鈦，刀具壽命可提高1一2倍，也可用于處理齒輪滾刀、銑刀等復雜刀具。離子注入加工

離子注入在半導體方面的應用，在國內外都很普遍，它是用硼、磷等“雜質”離子注人半導體，用以改變導電形式，成為制作半導體器件和大面積集成電路的重要手段。離子注入改善金屬表面性能方面的應用正在形成一個新興的領域。利用離子注入可以改變金屬表面的物理化學性能，可以制得新的合金，從而改善金屬表面的抗蝕性能、抗疲勞性能、潤滑性能和耐磨性能等。六、超聲加工超聲波發(fā)生器冷卻水換能器變幅桿工具頭泵液體磨料工件超聲加工工作原理超聲加工是磨料懸浮液中的磨粒，在超聲振動下的沖擊、拋磨和空化現(xiàn)象綜合切蝕作用的結果。其中，以磨粒不斷沖擊為主由此可見，脆硬的材料，受沖擊作用愈容易被破壞，故尤其適于超聲加工超聲加工的工藝特點適合加工各種硬脆材料玻璃、陶瓷、寶石、石英、鍺、硅、石墨等不導電的非金屬材料淬火鋼、硬質合金、不銹鋼、鈦合金等硬質或耐熱導電的金屬材料，但加工效率較低。加工質量較好由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的沖擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱更小，不會產(chǎn)生變形及燒傷表面粗糙度較低，可達Ra0.63—0.08um尺寸精度可達±0.03mm適于加工薄壁、窄縫、低剛度零件。工具材料工具可用較軟的材料、做成較復雜的形狀不需要工具和工件作比較復雜的相對運動，便可加工各種復雜的型腔和型面超聲加工機床結構比較簡單，操作、維修也比較方便。生產(chǎn)率較低超聲加工的面積不夠大，而且工具頭磨損較大，故生產(chǎn)率較低。成形孔加工異形孔加工型腔加工雕刻切割外螺紋內螺紋表面研磨和拋光應用實例超聲波加工機床超聲波加工樣件水刀加工裝置示意圖噴嘴閥控制器蓄能器供水器過濾器泵增壓器液壓裝置排水器工件射流d工作原理：利用超高壓水（或水與磨料的混合液）對工件進行切割（或打孔），又稱高壓水切割，或“水刀”。七、水射流加工-水刀水射流加工機水刀切割機器零件銑削型腔切割非金屬零件切割金屬零件

加砂切割可切割任何材料，而不產(chǎn)生熱效應或機械應力，加砂切割可完成精密切割。水刀切割機器零件

水刀切割玻璃、木材、汽車地毯水刀切割：航天工業(yè)應用

五軸復合材料切割使用超高壓水刀清洗的飛機發(fā)動機燃燒罐水刀切割：石材及陶瓷業(yè)應用

加砂水刀在世界各地被運用來切割石材及磁磚。水刀切割：造紙業(yè)應用

紙尿片切割超高壓水以3倍音速的速度從噴嘴射出，因此并無水份被切割材料吸收縱切器使用超高壓水切割每分鐘7000英尺運轉速度的卷筒紙水刀切割：食品業(yè)應用八、RP技術

RP技術：快速原型制造技術，又叫快速成形技術，（簡稱RP技術）。

RP技術的基本原理是：將計算機內的三維數(shù)據(jù)模型進行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計算機據(jù)此信息控制激光器（或噴嘴）有選擇性地燒結一層接一層的粉末材料（或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑）形成一系列具有一個微小厚度的的片狀實體，再采用熔結、聚合、粘結等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設計的新產(chǎn)品樣件、模型或模具。

自美國3DSystems公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來，已經(jīng)有十幾種不同的成形系統(tǒng)，其中比較成熟的有SL、SLS、LOM、FDM和3DP等方法。

（1）SL（StereoLithography）光固化成型、光敏樹脂液相固化成型、立體印刷、立體光刻（2）SLS（SelectedLaserSintering）選擇性激光燒結、選區(qū)激光燒結（3）LOM（LaminatedObjectManufacturing）疊層實體制造、分層實體制造、薄片分層疊加成形（4）FDM（FusedDepositionModeling）熔融沉積制造、熔絲堆積成形（5）3DP（3-DimensionalPrinting）三維印刷、三維打印光固化成形由CharlesHul發(fā)明并于1984年獲美國專利。1988年美國3D系統(tǒng)公司推出商品化的世界上第一臺快速原型成形機。

SL工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和功率的紫外激光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，相對分子質量急劇增大，