特种加工技术及其应用研究
吉云亮 张瑞东
摘要：本文简述了特种加工技术的概念、分类，重点阐述了其领域的实际应用与研究发展方向。
关键词：特种加工；特点；应用；研究方向
1特种加工涵义
特种加工是相对传统切削加工而言，本质上是直接或复合利用电能、电化学能、化学能、光能、物质动能等对工件进行加工的工艺方法总称。目前常用的有电火花加工、超声波加工、激光加工，除此之外还有电化学加工、电子束加工等。它与传统切削加工相比具有：加工过程不再主要依靠机械能，而是直接或复合利用其它能量完成工件的加工；加工所用工具材料的硬度可大大低于被加工材料硬度，有时甚至无需使用工具即可完成对工件的加工；加工过程工具与工件间不存在显著的机械切削力；加工方法日新月异等特点。
2 特种加工分类、方法及应用
电火花成形（穿孔）加工：该法可加工任何导电材料。它是利用火花放电腐蚀金属原理，用工具电极（纯铜或石墨）对工件进行复制加工的工艺方法，可用于加工型腔模（锻模、压铸模、注塑模等）和型腔零件；加工冲模、粉末冶金模、挤压模、型孔零件、小异型孔、小深孔等。其中最为典型的应用是在YG8(硬质合金)工件上，加工一个直径1mm深80mm的孔，只需12分钟；电火花双轴回转展成法加工凹凸球面、球头；电火花共轭同步回转可加工精密螺纹、齿轮等复杂表面；目前已能加工出0.005mm的短微细轴和0.008mm的浅微细孔，以及直径小于1mm的齿轮。
电火花线切割加工：它是利用移动的细金属丝（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电腐蚀，实现切割成形的加工方法。它同样可以加工任何导电材料；加工各种形状的冲模、切割电火花成形加工用的电极、切割零件等。典型的应用例如：试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁心芯；切割斜度锥面、上下异形面工件；工件倾斜数控回转切割加工双曲面零件；数控三轴联动加分度切割加工扭转四方锥台。
超声波加工：它是利用加工工具的超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种成形方法。超声波加工的尺寸精度可达0.05～0.01mm，表面粗糟度Ra值可达0.8～0.1μm，它适宜加工任何脆硬材料，可加工各种孔和型腔，也可进行套料、切割、开槽和雕刻等。由于超声波加工的生产效率比电火花加工低，而加工精度和表面粗糟度相对较好，所以常用于对工件的抛磨和光整加工。
激光加工：是利用经过透镜聚焦的能量密度极高的激光焦点（高温和冲击波），使工件材料被熔化或蒸发去除的加工方法。合理选用激光参数，可实现激光切割、打孔、焊接，激光打标、激光表面处理，还可用于电子元器件的封装等。激光加工的尺寸精度可达0.01～0.001mm，表面粗糟度Ra值可达0.4～0.1μm，无需使用工具，加工速度极高，适于任何材料，特别适于深径比大的（深径比50～100）小孔和微孔（孔径φ0.01～0.1）。激光表面处理是结合高功率激光技术及粉末冶金技术，对工件进行表面加工处理，从而改变工件表面组织结构、成分及特性，提高其物理性能，使其恢复或超过原技术性能和应用价值的工艺技术，具有较高的实用价值。激光法（应用激光）还是制造纳米材料的重要手段。
电化学加工：该法包括从工件去除金属的阳极电解蚀除加工和向工件上沉积金属的阴极电镀沉积加工两大类。它可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片等。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。刷镀可修复磨损的零件，改变原表面的物理性能，有很大实用价值。
电子束加工：是利用高速电子冲击动能加工金属的。其原理是在真空条件下，用电流加热阴极发射电子束，再用静电使电子束加速至光速的一半左右，通过电磁透镜聚焦，使电子束以极高的速度轰击在工件表面的微小面积上。电子束大部分能量都变成了热能，能量密度高达109W/cm2，被轰击表面将瞬时熔化和气化，从而去除局部材料，达到加工目的。电子束加工适于任何材料，控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，便可实现打孔、切割等加工目的。典型应用例如：用于专用塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，其速度可达每秒50000孔，孔径0.04～0.12mm可调；用于加工人造纤维喷丝头的异型孔，出丝口的窄缝宽度为0.03～0.07mm，长度约为0.8mm,喷丝板厚度为0.6mm；用于焊接铜和不锈钢、钢和硬质合金、铬、镍和钼等异种不相亲和的金属。
离子束加工：该法原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍。离子束加工适于任何材料，用不同的加速电压，可获得不同能量的离子束。若改变离子束相对于工件表面的入射方向，就可实现离子注入、离子切削、溅射镀覆等离子束加工。
等离子弧加工：它是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子高温气体流束，靠局部熔化和气化来去除材料的。等离子体是指正负带电粒子数量大体相等的高温气体，它能受电磁场的约束。等离子体加工可通过控制高温等离子流，实现切割、熔化、焊接、喷镀以及粉末制造和材料精炼等。
水射流切割：该种类又称液体喷射加工，是利用（从孔径为0.1～0.5mm的人造蓝宝石喷嘴喷出的）高压（70～400Mpa）高速(300～900m/s)的喷射水流对工件的冲击作用来去除材料的，有时也称水切割或俗称水刀。水射流切割主要用于加工很薄很软的金属和非金属材料，包括铜、铝、铅等材料及其制品，可代替硬质合金切槽刀具，而且切边的质量很好。例如：汽车制造业中用于切割石棉刹车片等；还可切割19mm 厚的吸音天花板、10 mm厚的有机玻璃；
化学加工：它是利用酸、碱、盐等化学溶液与金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件尺寸和形状（甚至表面性能）的加工方法。其属于成形加工的化学加工法主要有化学铣切（化学蚀刻）、照相制版和光刻。
快速成型技术：该技术通过计算机辅助设计（CAD）或者三维数字测量仪，将所需要的零件转化为计算机内的电子模型，利用计算机，根据用分层软件获得的零件的CAD模型某一截面的几何信息，选择性地固化、粘结或熔结特定材料（粉末、层片、熔丝等）某一区域，从而变为一个构成零件实体的水平方向层面，后续的材料与已固化层黏结，逐渐堆积成一个三维实体--零件。目前具有代表性的快速成型工艺有：光敏树脂液相固化成型、选择性粉末烧结成型、薄片分层叠加成型和熔丝堆积成型。该技术主要用于模型制造，模具加工以及单件小批量复杂零件制作。
电磁成形加工：它是利用磁场力使金属坯料变形的高效率成形方法。因为在成型过程中载荷是以脉冲的方式作用于毛坯的，因此又称为磁脉冲成形。电磁成型可广泛应用于管材的胀形、缩径、冲孔、翻边和连接；板材冲裁、压印和成型；组装件的装配；粉末压实；电磁铆接及放射性物质的封存等，对一些特殊零件是优先选用的方法。
液中放电成形加工：它是利用液电效应对金属进行冲压成形的工艺方法。当高压脉冲放电在液体中发生时，液体内会产生强烈的爆炸，其冲击压力可达102～104M Pa，这就是所谓的液电效应，也叫电水锤效应。该法具有成形速度高，可用于高强高硬的金属材料；工件回弹小，加工精度高；能同时完成拉伸、冲孔、剪切、压印、翻边等多种工序等优点。该法适合形状复杂及高强高硬金属工件的冲压成形。液电冲压成形法在国外的机械加工行业中已有应用，并已有这种成形设备的系列产品面世。
爆炸加工：它是以炸药（火药或可燃气体）为能源把金属毛坯加工成型或焊接在一起的加工工艺。爆炸加工过程是炸药化学能转化为机械能的过程。由于炸药爆炸是快速过程，与常规加工方法(液压、冲压)相比，爆炸加工具有压力大、变形速度快、加工时间短、功率大等特点。例如，把直径一米的毛坯加工成为封头，用水压机生产时，作用于毛坯的平均压力为几十个大气压 （1大气压＝101325帕），成型时间为十几秒；而在爆炸成型时，作用于毛坯的平均压力为几千个大气压，成型时间约为 1/100秒。爆炸加工应用范围较广，主要有爆炸成形、爆炸焊接、爆炸硬化、高速（爆炸）模锻等几个方面。
参考文献
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