特种加工技术的应用与发展方向

机械工程前沿课程论文论文题目特种加工技术的应用与发展方向姓名胡翔学号120110800院系机电学院专业机械工程2011．11.16特种加工技术的应用与发展方向第1页共9页特种加工技术的应用与发展方向摘要：结合特种加工技术出现的背景和技术特点，本文综述了特种加工的分类，简要介绍了电火花加工、电化学加工等特种加工技术的技术特点和应用方向，并展望了特种加工技术的发展方向————微细化、复合化、自动化。关键字：特种加工，技术特点，发展方向TheApplicationandDevelopmentdirectionsofSpecialMachiningTechnologyAbstract:Combinedwiththebackgroundandtechnicalcharacteristicsofspecialmachiningtechnology,thepaperreviewstheclassificationofspecialmachining,introducesthetechnicalcharacteristicsandapplicationdirectionofelectrosparkdischargemachining,electrochemicalmachiningbriefly,andlookstheprospectsofthespecialmachiningtechnologydevelopmentdirections---micromachining,hybrid,automation.Keywords:specialmachiningtechnology,thetechnicalcharacteristics,thedevelopmentderection1特种加工的产生和发展从第一次产业革命到二次世界大战前，在长达150年的时间里，人类都单纯依靠机械切削加工零件，用传统的机械能和切削力去切除金属。直到1943年，原苏联的拉扎林柯夫妇偶然发现电火花的瞬时高温可使金属熔化和气化，由此发明了电火花加工技术【1】。这是人类首次摆脱传统的切削加工，直接利用电能和热能去除金属的“特种加工”。二战之后，特别是进入21世纪以来，随着机械加工技术，材料科学，高新技术的发展和激烈的市场竞争，以及尖端国防及科学研究的需求，不仅新产品更新换代日益加快，而且要求产品具有很高的强度重量比和性能价格比，并朝着高速度，高精度，高可靠性，耐腐蚀性，耐高温高压，大功率，尺寸大小两极化的方向发展，为此，各种新材料，新结构，形状复杂的精密机械零件大量涌现。对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削加工材料的加工；各种结构形状复杂，尺寸或微小或特大，精密零件的加工；薄壁、弹性元件等特殊零件的加工等。对此，采用传统的机械加工方法很难实现甚至无法实现。为了解决上述问题，人们通常采取以下办法：一是通过研究高效加工的刀具和刀特种加工技术的应用与发展方向第2页共9页具材料，自动优化切削参数，提高刀具可靠性和在线刀具监控系统，开发新型切削液，研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平等；二是采用特种加工的方法。总的来说，特种加工技术就是借助电能，热能，声能，光能，电化学能，化学能以及特殊机械能等多种能量，或将其复合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除，变形，改变性能或被镀覆等的非传统加工方法的的总称【1】。近年来，特种加工技术飞速发展。一方面，计算机技术，信息技术，自动化技术等在特种加工中已获得广泛应用，逐步实现了加工工艺及加工过程的系统化集成；另一方面，特种加工能充分体现学科的综合性，学科（声，光，电，热，化学等）和专业之间不断渗透、交叉、融合，因此，特种加工技术本身同样趋于系统化集成化的发展方向。这两方面说明，特种加工技术已成为先进制造技术的重要组成部分。一些发达国家也非常重视特种加工技术的发展，如日本把特种加工技术和数控技术作为跨世纪发展先进制造技术的两大支柱，特种加工技术已成为衡量一个国家先进制造技术水平和能力的重要标志。2特种加工的特点概述：特种加工技术可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非金属材料或复合材料，而且该方法对于加工复杂的，微细的表面和低刚度的零件非常适用，同时有些方法还可以用于进行超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米加工等。特种加工技术特点还在于不仅可以采取单独的一种加工方法，还可以采用复合加工方法，以多种加工形式和能量对同一工件进行加工，达到加工目的。与传统机械加工比较，特种加工不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量去除金属材料，在加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，这一点就使加工难易与工件的硬度并无关系。在特种加工中运用多种方式的复合加工，就可以促使各种有效的加工方法随意复合、扬长避短，对于不同加工问题得到解决的新方法，显现出复合加工的优越性，便于扩大应用范围。特种加工的特点具体如下：1)以柔克刚。因工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械力的作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。2)用简单运动加工复杂型面【2】。特种加工技术只需要简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。3)不受材料硬度限制。因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、光、声、化学和电化学能去除金属和非金属材料。它们能瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，特种加工技术的应用与发展方向第3页共9页以强力、高速爆炸、冲击去除材料。其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏性材料以及特殊的金属和非金属材料，因此，特别适用于航空航天产品结构材料的加工。4)可以获得优质的表面质量。由于在特种加工过程中，工件表面不产生强烈的弹、塑性变形，故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷比机械切削表面小。5)各种加工方法可以任意复合，扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。3特种加工技术的分类【3】现简要介绍几种经典的现代特种加工技术：1)电火花加工（electrosparkdischargemachining，EDM）【4】电火花加工是一种电加热加工过程。它将工具电极和工件至于绝缘的工特种加工技术的应用与发展方向第4页共9页作液中，工件和工具分别接直流电源的正极和负极，加上电压，因电极之间的放电效应，产生火花放电对金属产生腐蚀来进行加工。目前电火花加工已广泛应用于模具制造、航天航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车、轻工业等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题，加工范围已达到小到几微米的小孔、轴、缝，大到几米的超大型模具和零件【5】。2)电解加工（electrochemicalmachining，ECM）电解加工属于电化学加工范畴，它是利用金属在电解液中发生“阳极溶解”的原理，将零件加工成形。加工时，工件接直流电源的阳极，按要求形状制成的工具接阴极，具有一定压力的电解液从两极间隙中迅速流过，于是工件表面的金属按工具阴极的形状迅速溶解，并随即被高速的电解液冲走。这种加工方法没有机械加工中的切削力和切削热的作用，也没有电火花加工中的热影响。电解加工在航天航空业的发动机新结构、新材料构件中被广泛利用，如钛合金零件、高温涡轮深细冷却孔、整体涡轮及叶轮，以及大型环形壳体件的内外旋转表面、中小型支撑件、盘形件腹板、特形孔等。3)超声波加工（ultrasonicmachining，USM）超声波加工是利用工具端面作超声振动，通过工具与工件之间的磨料悬浮液的作用而进行的一种加工。在加工过程中产生三种作用：1、机械撞击特种加工技术的应用与发展方向第5页共9页和抛磨作用；2、空化作用；3、液压冲击波的胀裂作用【6】。其中以磨料的机械撞击和抛磨作用为主，使用不同的工具端部形状，就能制造出各种形状的工件。超声波加工主要是用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、金刚和硬质合金等，可以加工出各种形状的型孔、型腔及成型表面，加工精度高，表面粗糙度低。由于工具压力较低，提高了工具头工作端的直线度，为此适用于加工薄壁、窄缝及低刚度等工件【7】。4)激光加工（laserbeammachining，LBM）激光加工是一种重要的高能束流加工方法。激光具有高亮度、方向性好、单色性好和高相干性，因此，在聚集点上的尺寸理论上可以达到与光波尺寸相近。激光加工就是利用材料在激光聚焦衬下瞬时急剧融化和气化，并产生很强的冲击波，使被融化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去除。目前激光加工几乎可对所有的金属和非金属进行加工，因此激光加工应用范围广泛。特种加工技术的应用与发展方向第6页共9页5)电子束加工（electronbeammachining，EBM）电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦，形成高能量密度的极细束流，以极高的速度轰击工件被加工部位。由于其能量大部分转化为热能而导致该部位的材料在极短的时间内达到几千摄氏度以上的高温，从而引起该处的材料熔化或气化。电子束加工主要应用于航天航空业中的飞机主承力框、起落架、各类机匣的加工，应用前景广阔。6特种加工对机械加工工艺变革的体现1.特种加工实现了控制技术的创新，改变了传统手工控制的局面。传统机械加工的控制技术主要是通过手动控制掌握加工精度，这样加工质量很大程度上取决于操作人员的经验和操作技巧。然而特种加工技术的出现，便以崭新的自动控制技术取代了传统手动控制，这标志着全面革新了传统机械加工工艺。2.特种加工提高了可加工材料的范围，材料的可加工性不再与材料的硬度、强度、韧性、脆性等成直接的正比或者反比关系，特种加工方法是机械加工工艺的可加工的材料范围从普通材料发展到硬材料和特殊材料，使得对于任何材料的加工都成为可能【10】。3.特种加工技术已经成为了细微加工、纳米加工的主要手段。目前，制造技术前沿逐渐转向细小精微，纳米亚纳米以及纳米级制造成为制造业融入高技术的切入点。而电子束、离子束、激光、电火花、电化学等电物理、电化学特种加工技术，正是近年来快速发展的细微和纳米加工的主要手段，也就是说特种加工已经成为了先进制造技术的主要特征之一【11】。4.特种加工还对设计思路产生了影响。特种加工能是加工材料范围有所扩展，解决了各种复杂表面、复杂结构的加工问题，使设计者的思维得到了更加活跃的发展空间，进一步使得在产品的设计中考虑的零件材料、零件结构、制造工艺等方法有了更加广阔的选择空间。特种加工技术的应用与发展方向第7页共9页7现代特种加工技术的发展方向广泛采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应系统、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和PMS系统，这就是当前特种加工技术的主要发展趋势。扩展特种加工概念的范畴。特种加工除了包含去除、结合和变形等加工和处理外，还应包含近年来发展起来的快速成形制造技术，这对制造技术的发展有着重要意义。特种加工技术正在向工程化和产业化方向发展。对大功率、高可靠性、多功能、智能化加工设备的研发是今后的重点。着力开展精密化研究。随着高科技时代的到来，超精密加工技术的发展更加迅猛，正向着亚微米级和纳米级迈进。为适应这一趋势的需要，大力开发用于超精密加工的精密化特种加工技术史今后重要的发展方向。开发和应用复合工艺和新工艺。为适应尖端产品的高技术性能要求及新型材料的加工需求，需要不断开发应用新型特种加工和现有特种加工技术的复合工艺。由于复合工艺可以扬长避短，取得明显的技术经济效果，故受到普片关注。8关于国内特种加工技术的状况和展望近年来随着特种加工技术在现代制造技术中的发展和广泛应用，国家很重视特种加工行业发展，我国的特种加工机床拥有量较高，也具有很大的生产规模，但在高端机床装备方面，与发达国家还有明显的差距，在加工精度、加工质量以及自动化程度等