特种加工技术对机械加工的影响
摘要：特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传特种加工统加工工艺方法的重 要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。特种加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形 、改变性能或被镀覆等。20世纪40年代发明的电火花加工开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法。50年代以后先后出现电子束加工、等离子弧加工和激光加工。这些加工方法不用成型的工具，而是利用密度很高的能量束流进行加工。对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力,在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。特种加工的发展方向主要是：提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。
关键词：电火花加工 电火花线切割加工 激光加工技术 电子束加工技术
20世纪80年代末，产生了一批新型的高效特种加工技术。尽管目前对这些加工技术的机理及应用的研究工作方兴未艾，但还没有从根本上掌握其工艺特性。然而这些新兴的特种加工技术已对整个制造业的生产模式产生了深刻的影响，尤其是下列技术，其广泛应用将显著地提高零件和模具快速制造的能力。
电火花加工
利用电火花加工原理加工导电材料的特种加工。又称电蚀加工。电火花加工主要用于加工各种高硬度的材料（如硬质合金和淬火钢等）和复杂形状的模具、零件，以及切割、开槽和去除折断在工件孔内的工具（如钻头和丝锥）等。 电火花加工机床通常分为电火花成型机床、电火花线切割机床和电火花磨削机床，以及各种专门用途的电火花加工机床，如加工小孔、螺纹环规和异形孔纺丝板等的电火花加工机床
电火花加工工艺
（1）电火花加工机床加工工艺单电极法 用单个电极加工工件，一般用于形状简单、精度要求不高的工件。单电极加工也可用平动头摇动实现工件的粗、中、精加工。
（2）电火花加工机床加工工艺多电极法 同一个工件加工用多个电极，一般分为粗、中、细三次依次进行加工，用于精密型加工。
（3）电火花加工机床加工工艺分解电极法 根据工件的几何形状，把电极分解成若干个，用主型腔电极加工型腔主要部分，再用副型腔电极加工出尖角、窄缝型腔等部位。
（4）电火花加工机床加工规准 粗加工，一般采用较大的电流，较大的on time。 中加工，一般采用中等的电流，中等on time。 精加工，一般采用较小的电流、高频及较小的on time。电火花加工是直接利用电能对零件进行加工的一种方法。电火花加工设备应由以下部分组成：脉冲电源、间隙自动调节器、机床本体、工作液及其循环过滤系统。间隙自动调节器自动调节极间距离，使工具电极的进给速度与电蚀速度相适应。火花放电必须在绝缘液体介质中进行。
电火花线切割加工
电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，它用一根移动着的导线（电极丝）作为工具电极对工件进行切割，故称线切割加工。线切割加工中，工件和电极丝的相对运动是由数字控制实现的，故又称为数控电火花线切割加工，简称线切割加工。
（1）按走丝速度分：可分为慢速走丝方式和高速走丝方式线切割机床。
（2）按加工特点分：可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型线切割机床。
（3）按脉冲电源形式分：可分为ＲＣ电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源线切割机床。
激光加工技术
国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO2激光器、kW级高光束质量的Nd:YAG固体激光器，有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。
激光制孔的最小孔径已达0.002mm，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果。激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。目前薄材切割速度可达15m/min，切缝窄，一般在0.1～1mm之间，热影响区只有切缝宽的10%～20%，最大切割厚度可达45mm，已广泛应用于飞机三维激光加工蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段。激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝(含铝锂、铝镁)合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。
电子束加工技术
电子束加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。国外定型生产的40kV～300kV的电子枪(以60kV、150kV为主)，已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：1。电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。如：F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量，提高了整机的性能；“苏-27”及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，对电子束焊接设备的需求量也越来越大。国外的电子束焊机，以德国、美国、法国、乌克兰等为代表，已达到了工程化生产。其特点是采用变频电源，设备的体积、噪声、高压性能等方面都有很大提高；在控制系统方面，运用了先进的计算机技术，采用了先进的CNC及PLC技术，使设备的控制更可靠，操作更简便、直观。国外真空电子束物理气相沉积技术，已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层，提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。
此外还有很多类型的特种加工技术应用于生产实践当中。
综上所述，特种加工技术的地位越来越重要，已成为现代制造技术不可分割的重要组成部分。因此，其发展和完善对整个快速制造体系的形成起着关键性的作用。但由于长期以来对这一领域的研究过于分散，缺乏系统性，使得现有的很多种特种加工方法远不能适应制造过程信息化的要求，很难纳入到快速制造系统中。因此，有必要深入研究那些新型的特种加工工艺方法，探索高精度、高效率复合及组合工艺技术，并选择应用广泛和具有代表性的特种加工方法，开展面向快速制造的特种加工技术的研究。
