广西轻工业
GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 机械与电气
2010年 8月
第 8期(总第 141期)
【作者简介】刘伟(1982-),男,湖北麻城人,在读研究生,主要从事机械
制造教学和研究工作。
1 引言
特种加工(又称非传统加工)是二次世界大战后发展起来的
一类有别于传统切削与磨削加工方法的总称。特种加工方法将
电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被
加工的部位上,从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等[1- 4];
特种加工方法可以完成传统加工方法难以实现的加工,如高强
度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和工程陶瓷、磁性材料
等难加工材料的加工以及精密、微细、复杂形状零件的加工等。
特种加工技术有以下几个特点[5]:
(1)加工方法主要不是依靠机械能,而是用其他能量(如
电能、光能、声能、热能、化学能等)去除材料。
(2)传统加工方法要求刀具的硬度必须大于工件的硬度,
即“以硬切软”;而对于特种加工,由于工具不受显著切削力的
作用,特种加工对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格
要求。
(3)加工没有明显的切削力作用,一般不会产生加工硬化
现象,又由于工件加工部位变形小,发热少,或发热仅局限于工
件表层加工部位,工件热变形小,由加工产生的应力也小,易于
获得好的加工质量,且可在一次安装中完成工件的粗、精加工。
(4)特种加工中能量易于转换和控制,有利于保证加工精
度和提高效率。
(5)特种加工方法的材料去除速度一般低于常规加工方
法,这也是目前常规加工方法在机械加工中仍占主导地位的主
要原因。
2 特种加工技术
特种加工有多种分类方法:如按加工过程材料增减可分为
去除加工、结合加工和变形加工等;按作用能源可分为机械能、
热能、化学能、复合能等。
2.1 电火花加工
电火花加工的工作原理[6]是利用工具电极与工件电极之间
的火花放电:产生瞬时高温将金属熔化,电火花加工过程可分
为四个阶段:(1)介质电离、被击穿,形成放电通路;(2)形成
火花放电,工件电极产生熔化、气化;热膨胀;(3)抛出蚀除物;
(4)间隙介质消电离(恢复绝缘状态)。
电火花加工特点是:(1)电火花加工不受加工材料硬度限
制,可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。(2)加工时无显著作
用力,发热小(发热仅局限于放电区极小范围内),适于加工小
孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等,且加工质量好。精加工
时,加工尺寸精度可达 0.005~0.01mm,表面粗糙度可达 Ra为
0.1~0.05um。(3)脉冲参数调整方便,可一次安装完成粗、精加
工。(4)易于实现自动化。
2.2 电解加工
电解加工的工作原理[6]是工件接阳极,工具(铜或不锈钢)
接阴极,两极间加 6~24V的直流电压,极间保持 0.1~1mm的
间隙。在间隙处通以 6~60m/s高速流动的电解液,形成极间导
电通路,工件表面材料不断溶解,其溶解物及时被电解液冲走。
工具电极不断进给,以保持极间间隙。
电解加工的特点是:(1)不受材料硬度的限制,能加工出
任何高硬度、高韧性的导电材料,并能以简单的进给运动一次
加工出形状复杂的形面和型腔。(2)电解加工比电火花加工的
形面和型腔效率高 5- 10倍。(3)加工过程中阴极损耗小。加
工表面质量好,无毛刺、无残余应力和变形层。(4)加工设备投
资较大,有污染,需防护。
电解加工广泛应用于模具的型腔加工,枪炮的膛线加工,
发电机的叶片加工,花键孔、内齿轮、深孔加工,以及电解抛光、
倒棱、去毛刺等。
2.3 电子束加工
电子束加工的工作原理[6]是在真空条件下,利用电流加热
阴极发射电子束,经控制栅极初步聚焦后,由加速阳极加速,通
过透镜聚焦系统进一步聚焦,使能量密度集中在直径 5~10um
的斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上,被冲击点
处形成瞬时高温(在几分之一微秒时问内升高至几千摄氏度),
工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。
电子束加工的特点及应用是:(1)电子束束径最小可达
0.01- 0.005 mm,长度可达束径的几十倍,故可加工微细深孔和
窄缝。(2)材料适应性广,原则上各种材料均可加工,特别适用
于加工特硬、难熔金属和非金属材料。(3)加工速度较高,切割
1mm厚的钢板,切割速度可达 240mm/min。(4)在真空中加
工,无氧化,特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属
特种加工技术研究现状及发展趋势
刘 伟,李素丽
(陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 710302)
【摘 要】 全面介绍了特种加工技术的类型及发展现状,指出了其优势和存在的问题;阐述了电火花加工、电解加工、电
子束加工、超声波加工、激光加工、化学机械复合加工等加工方法;探讨了各种加工方法的工作要素、加工特点及应用;指出了特种
加工的发展趋势。
【关键词】 特种加工;电火花加工;电解加工
【中图分类号】 TG66 【文献标识码】 A 【文章编号】 1003- 2673(2010)08-52-02
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及合金。(5)加工设备较复杂,投资较大,多用于微细加工。
2.4 超声波加工
超声波加工的工作原理[7]是利用超声波发生器将工频交流
电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡,通过换能器将超
声频电振荡转变为超声机械振动。此时振幅一般较小,再通过
振幅扩大棒(变幅杆),使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到
0.01~0.15mm。利用工具端面的超声(16~25kHz)振动,使工作
液(普通水)中的悬浮磨粒(碳化硅、氧化铝、碳化硼或金刚石
粉)对工件表面产生撞击抛磨,实现加工。
超声波加工的特点及应用:(1)适用于加工各种脆性金属
材料和非金属材料,如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。
(2)可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。(3)被加工表面
无残余应力,无破坏层,加工精度较高,尺寸精度可达
0.01~0.05mm。(4)加工过程受力小,热影响小,可加工薄壁、
薄片等易变形零件。(5)单纯的超声波加工,加工效率较低。采
用超声复合加工(如超声车削、超声磨削、超声电解加工、超声
线切割等),可显著提高加工效率。
2.5 激光加工
激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征是:强
度高,亮度大;波长频率确定,单色性好,相于性好,相干长度
长,方向性好,几乎是一束平行光。由激光器发出的激光,经光
学系统聚焦后,照射到工件表面上,光能被吸收,转化为热能,
使照射斑点处局部区域温度迅速升高,此处材料被熔化、气化
而形成小坑。由于热扩散,使斑点周围材料熔化,小坑内材料蒸
气迅速膨胀,产生微型爆炸,将熔融物高速喷出并产生一个方
向性很强的反冲击波,于是在加工表面上打出一个上大下小的
孔[11]。
激光加工的特点及应用:(1)加工材料范围广,可加工各
种金属和非金属材料,特别适用于加工高熔点材料、耐热合金
及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。(2)激光可透过透明材料进
行加工。(3)激光加工为非接触加工,工件无受力变形,受热区
域小,工件热变形小,加工精度高。(4)可进行微细加工。激光
聚焦后焦点直径理论上可小至 0.001mm以下,实际上可实现
0.01mm的小孔加工和窄缝切割。激光切割广泛用于切割复杂
形状的零件、栅网等。在大规模集成电路的制作中,可用激光进
行切片。(5)加工速度快。例如在宝石上打孔,加工时间仅为机
械方法的 1%。(6)激光加工不仅可以打孔和切割,也可进行焊
接、热处理等工作。(7)激光加工可控性好,易于实现加工自动
化,但加工设备昂贵。
2.6 化学机械复合加工
化学加工是利用酸、碱和盐等化学溶液对金属或某些非金
属工件表面产生化学反应,腐蚀溶解而改变工件尺寸和形状的
加工方法。如果仅进行局部有选择性的加工,则需对工件上的
非加工表面用耐腐蚀性涂层覆盖保护起来,而仅露出需加工的
部位。化学机械复合加工是指化学加工和机械加工的复合。化
学机械复合加工是一种超精密的精整加工方法,可有效地加工
陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片,化学机械复合加工可防止通常
机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕,避免磨粒的耕
犁引起的隆起以及擦划引起的划痕,可获得光滑无缺陷的表面。
化学机械抛光的工作原理是由溶液的腐蚀作用形成化学
反应薄层,然后由磨粒的机械摩擦作用去除。
3 特种加工技术的发展趋势
特种加工技术近十几年来得到了快速发展,在世界范围内
越来越受到人们的重视,发挥的作用也越来越大。特种加工采
用不同的能量形式加工零件,相对于传统的切削加工技术,特
种加工普遍具有以柔克刚、加工力影响较小等优势。为进一步
提高特种加工技术水平及扩大其应用范围,当前特种加工技术
的发展趋势[8- 11]主要包括以下几点:(1)采用自动化技术;(2)
趋向精密化研究;(3)开发新工艺方法及复合工艺;(4)污染
问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍;(5)
进一步开拓特种加工技术。细微化是特种加工技术发展的重要
趋势,由于当前的工业产品越来越追求小型化和微型化,微细
结构和微细零件的加工需求不断增长,同时带动了各种制造技
术向小型化、微细化发展。比如细微的电火花加工、微细电化学
加工、微细的激光加工、微细离子束加工等技术可以实现很小
尺度内的加工,这些技术在国内外都发展得很快而且得到越来
越广泛的应用。
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