特种加工技术发展现状与展望-先进制造技术课程论文

第一篇：特种加工技术发展现状与展望-先进制造技术课程论文

先 进 制 造 论 文

题目：先进制造技术院系：周口科技机械工程数控

班级：数控

姓名：闫文磊

4班

时间：2010年12月251

日

先进成型技术

摘要

一、特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术，对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。本文分别从激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术、电加工技术几方面介绍了国外的发展现状，同时提出了国内相应领域的技术发展方向。

关键词：特种加工；高能束流；激光技术；发展趋势

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。本文所述的特种加工技术主要是指激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术和电加工技术等。

随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹，还是其它作战平台都要求降低结构重量，提高飞行速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。

为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用领域是：

难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。

难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。

以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。1 先进制造技术的特点 1.1 是面向21世纪的技术

先进制造技术是制造技术的最新发展阶段，是由传统的制造技术发展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。先进制造技术与现代高新技术相结合而产生了一个完整的技术群，它是具有明确范畴的新的技术领域，是面向21世纪的技术。1.2 是面向工业应用的技术

先进制造技术并不限于制造过程本身，它涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，并将它们结合成一个有机的整体。先进制造技术的应用特别注意产生最好的实际效果，其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。1.3 是驾驭生产过程的系统工程

先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。它要不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合，使制造技术 成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。1.4 是面向全球竞争的技术

20世纪 80年代以来，市场的全球化有了进一步的发展，发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场，倾销产品，输出资本。随着全球市场的形成，使得市场竞争变得越来越激烈，先进制造技术正是为适应这种激烈的市场竞争而出现的。因此，一个国家的先进制造技术，它的主体应该具有世界先进水平，应能支持该国制造业在全球市场的竞争力。1.5 是市场竞争三要素的统一

在20世纪 70年代以前，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，很快就会有相同功能的产品跟着上市。因此，市场竞争的核心是如何提高生产率。到了20世纪80年代以后，制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来，使三者达到了统一。

研究现状

新材料成形加工技术的研究开发，是近二、三十年来材料科学技术领域最为活跃的方向之一。先进制备与成型加工技术的出现与应用，加上了新材料的研究开发、生产和应用进程，促成了诸如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，促进了现代航天航空，交通运输，能源环保等高技术产业的发展。

先进工业国家对材料制备与成型加工技术的研究开发十分重视。美国制定了“为了工业材料发展计划”，其核心是开放先进的制备与成型加工技术，提高材料性能，降低生产成本，满足未来工业发展对材料的需求。德国开展的“21世纪新材料研究计划”将材料制备与成型加工技术列为六个重点内容之一。在欧盟的“第六框架”计划中，先进制备技术时新材料领域的研究重点之一。日本在20世纪90年代后期，先后实施了“超级金属”、“超钢铁”计划，重点是发展先进的制备加工技术，精确控制组织，大幅度提高材料的性能，达到减少材料用量、节省资源和能源的目的。同时开展本科学领域色前沿和基础研究，并综合利用相关学科基础理论和科技发展成果，提供预备新材料的新原理新方法，也是材料科学与工程学科自身发展的需求。

一大批先进技术和工艺不断发展和完善，并逐步获得实际应用，如快速凝固、定向凝固、连续铸轧、连续铸挤、精密铸造、半固态加工、粉末注射成型、陶瓷胶态成型、热等静压、无模成型、微波烧结、离子束制备、激光快速成型、激光焊接、表面改性等，促进了传统材料的升级换代，加速了新材料的研究开发、生产和应用，解决了高技术领域发展对特种高性能材料的制备加工与组织性能精确控制的急需。

现在将主要的先进材料加工技术分别介绍如下： 1.快速凝固

快速凝固技术的发展，把液态成型加工推进到远离平衡的状态，极大地推动了非晶、细晶、微晶等非平衡新材料的发展。传统的快速凝固追求高的冷却速度而限于低维材料的制备，如非晶丝材、箔材的制备。近年来快速凝固技术主要在两个方面得到发展：①利用喷射成型、超高压、深过冷，结合适当的成分设计，发展体材料直接成型的快速凝固技术；②在近快速凝固条件下，制备具有特殊取向和组织结构的新材料。目前快速凝固技术被广泛地用于非晶或超细组织的线材、带材和体材料的制备与成型。2.半固态成型

半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成形两类：前者是将制备的半固态浆料直接用于成型，如压铸成型（称为半固态流变压铸）；后者是对制备好的半固态坯料 进行重新加热，使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型（称为半固态触变挤压）。

3.无模成型

为了解决复杂形状或深壳件产品冲压、拉深成型设备规模大、模具成本高、生产工艺复杂、灵活度低等缺点，满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，20世纪80年代以来，柔性加工技术的开发受到工业发达国家的重视。典型的无模成型技术有增量成型、无摸拉拔、无模多点成型、激光冲击成型等。4.超塑性成型技术

超塑性成型加工技术具有成型压力低、产品尺寸与形状精度高等特点，近年来发展方向主要包括两个方面：一是大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑性成型，如铝合金汽车覆盖件、大型球罐结构、飞机舱门，与盥洗盆等；二是难加工材料的精确成形加工，如钛合金、镁合金、高温合金结构件的成形加工等。5.金属粉末材料成型加工

粉末材料的成型加工是一种典型的近终形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备预成型一体化；可自由组装材料结构从而精确调控材料性能；既可用于制备陶瓷、金属材料，也可制备各种复合材料。它是近20年来材料先进制备与成型加工技术的热点与主要发展方向之一。粉末材料成型加工技术的研究重点包括粉末注射成型胶态成型、温压成型及微波、等离子辅助低温强化烧结等。6.陶瓷胶态成型

在围绕着提高陶瓷胚体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的问题，开发了多种原位凝固成型工艺，凝胶注模成型工艺、温度诱导絮凝成形、胶态振动注模成形、直接凝固注模成形等相继出现，受到严重重视。原位凝固成形工艺被认为是提高胚体的均匀性，进而提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，得到了迅速的发展，已逐步获得实际应用。7.激光快速成型

采用该技术的成形件完全致密且具有细小均匀的内部组织，从而具有优越的力学性能和物理化学性能，同时零件的复杂程度基本不受限制，并且可以缩短加工周期，降低成本。目前发达国家已进入实际应用阶段，主要应用于国防高科技领域。激光加工技术 1.1 现状

国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO2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蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、4 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。1.2 发展趋势

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。1）无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究；

2）铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究；

3）三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究； 4）提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究； 5）激光快速成型技术研究； 电子束加工技术 2.1 现状

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。2.2 发展趋势

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。1）150kV、15kW高压电子枪及高压电源的技术研究； 2）电子束物理气相沉积技术的研究；

3）大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定； 4）典型复合材料飞机构件的电子束固化工艺研究及其工程化研究； 5）多功能电子束加工技术研究。离子束及等离子体加工技术 3.1 现状

表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。

美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。

真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。3.2 发展趋势

离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。

1）复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究； 2）空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究；

3）等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究； 4）层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究； 5）层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。4 电加工技术 4.1 发展现状

国外电解加工应用较广，除叶片和整体叶轮外已扩大到机匣、盘环零件和深小孔加工，用电解加工可加工出高精度金属反射镜面。目前电解加工机床最大容量已达到5万安培，并已实现CNC控制和多参数自适应控制。电火花加工气膜孔采用多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极同时加工的专用设备，加工效率2～3秒/孔，表面粗糙度Ra0.4μm，通用高档电火花成型及线切割已能提供微米级加工精度，可加工3μm的微细轴和5μm的孔。精密脉冲电解技术已达10μm左右。电解与电火花复合加工，电解磨削、电火花磨削已用于生产。

参 考 文 献

【1】张辽远 现代加工技术 北京：机械工业出版社，2002【2】刘晋春 特种加工 北京：机械工业出版社，2004【3】张建华 精密与特种加工技术 北京：机械工业出版社，2003【4】主编白基成, 郭永丰, 刘晋春 特种加工技术 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006【5】郭东明, 赵福令 面向快速制造的特种加工技术 北京：国防工业出版社，2009 7

第二篇：特种加工技术课程论文

《特种加工技术》课程论文

摘要：特种加工方法，是难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工中的重要工艺方法。本文介绍了特种加工技术的特点、类别，并分别较深入地介绍了激光加工、电火花加工、电火花线切割加工技术的技术特点，原理和最新进展。并预测今后特种加工的发展方向，最后给予特种加工技术展望。

关键词：特种加工；电火花加工；电火花线切割加工；激光加工

前言

近年来，计算机技术、微电子技术、自动控制技术、国防军工和航空航天技术发展迅速，与此同时，高度、高韧性、高强度和高脆性等难切削材料的应用日益广泛，制造精密细小、形状复杂和结构特殊工件的求也在日益增加。社会需求与技术进步的结合促使特种加工技术不断进步和快速发展。所谓特种加工，是一种利用化学能、电能、声能、机械能以及光能和热能对金属或非金属材料进行加工的方法。其工作原理不同于传统的机械切削方法，即加工过程中工件与所用工具之间没有明显的切削力，工具材料的硬度也可低于工件材料的硬度。特种加工技术在国内外各行各业的应用中取得了巨大成效，它们有着各自的特点，特殊材料或特殊结构工件的加工工艺性发生了根本变化，解决了传统加工方法所遇到的各种问题，已经成为现代工业领域中不可缺少的重要加工手段和关键制造技术。[1]特种加工的特点

特种加工与一般机械切削加工相比，有其独特的优点，在某种场合上，它是一般机械切削加工的补充，扩大了机械加工的领域。它具有以下较为突出的特点。

（1）不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。

（2）非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。

（3）微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。

（4）不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。

（5）两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。

（6）特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。

特种加工的分类

与其它先进制造技术一样，特种加工正在研究、开发推广和应用之中，具有很好的发展潜力和应用前景。依据加工能量的来源及作用形式列举各种常用的特种加工方法。特种加工按照所利用的能量形式来分类，具体如下:（1）电、热能 电火花加工、电子束加工、等离子加工。（2）电、机械能 离子束加工。

（3）电、化学能 电解加工、电解抛光。

（4）电、化学能、机械能 电解磨削、阳极机械磨削。（5）光、热能 激光加工。

（6）化学能 化学加工、化学抛光。（7）声、机械能 超声加工。

（8）机械能 磨料喷射加工、磨料流加工、液体喷射加工。

目前，生产实用中应用最广的是电火花加工、电火花线切割加工、激光加工、超声加工和电化学加工技术。

电火花加工

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。1.电火花加工的工作原理

进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。

电火花加工

在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。

紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。

电火花加工

在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。

工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

2.电火花加工的主要特点

①能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；

②加工时无切削力；

③不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；

④工具电极材料无须比工件材料硬；

⑤直接使用电能加工，便于实现自动化；

⑥加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；

⑦工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。

电火花加工的主要用途是：①加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；②加工各种硬、脆材料如硬质合金和淬火钢等；③加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；④加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。

3.电火花加工的应用领域及最新进展

它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。电火花穿孔加工主要用于型孔（圆孔、方孔、多边形孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。近年来，为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题，在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工，取得良好的社会经济效益。当前，电火花加工机的各项工艺指标均已达到很高的水平，机床具有了优越的性能与强大的功能。在这种情况下，进一步发展就应该呈现出新的特点。电加工技术的发展趋势归纳为五化：精密微细化、智能化、个性化、绿色环保化和高效化[2]。

研究表明，对于同一种金属材料，在电火花加工时，存在一个最佳脉冲参数组合。所谓最佳脉冲参数，是指在一定的表面粗糙度和工具电极损耗的前提下能获得的最高生产率。即随着加工电流的改变，存在一个最佳的加工电流值，低于或者超过这个最佳值，都会降低加工速度；在其它电规准不变的情况下，随着脉冲宽度的改变，也存在一个最佳的脉宽值，低于或者超过这个最佳脉宽值，都会降低电火花加工的速度。脉间减小，脉宽系数增大，加工速度提高。当设定的极间距离比常用的加工条件窄时，放电产生的加工液沸腾、气化膨胀使得放电通道周围介质可获得较大的流速，有效地利用这种原理，将加工屑、析碳等从极间排出去。这样做可减小脉冲间隔时间，增加放电频率，促进放电生成物的排出，提高加工效率。上海交通大学系统地研究了使用该方法的放电加工特性，在峰值电流为60A，脉冲宽度为200μs，脉宽系数为80%，平均极间距为47μm时，即使不采用定时抬刀，仍然可以将放电生成物顺利排极间，从而实现高效率放电加工[3]。

采用工作液中加入气体的方式，以提高电火花加工效率是近几年的研究热点之一。日本的M.Kunieda 等采用水作工作液，并向工作液中通入氧气，可以观察到更大的放电凹坑和更加频繁的放电，加工速度也相应提Kunieda 等又以氧气作工作介质，研究了气中放电三维铣削加工，最大加工效率达12.2mm3/min，是同样加工条件下普通电加工铣削效率的6倍[4]。此外，利用非燃性工作液或在工作液中加入添加剂的电火花加工可成倍提高加工速度。日本的三菱电机公司、Sodick 公司相继开发了利用水基工作液的电火花成形加工机，在水基工作液中加工钢材，在相同的平均加工电流下，其加工速度比煤油工作液高出2～3 倍。

日本的国枝正典等人，在研究电火花加工放电位置检测技术的基础上，进行了放电位置的可控性研究。其试验原理基于对放电等效回路的分析，可以在纳秒数量级内获得优先击穿的几率[5]。这一研究进展对于电火花加工 的过程控制可能带来非常深刻的影响，很有可能将过去被动的控制策略变成为主动控制策略，从而不必依赖延长放电停歇时间来保证间隙消电离，避免放电集中导致的拉弧等有害放电。这样不仅可以保证加工更加稳定，而且可以大幅度提高加工效率。

为实现高效电火花加工，全面推动电火花加工设备的技术进步，在采用先进控制系统的同时，机床结构的设计也需要进一步完善，其研究进展主要表现在以下几方面：以往直线电机主要用在加工中心上。目前，直线电机在沙迪克公司生产的EDM和WEDM机床上已广泛使用。直线电机的使用，满足了EDM加工高速响应的特别要求。最大驱动力高达3000N，速度可100m/min，最大加速度达1g 以上。能消除由于电蚀产物未排除而发生的集中放电，二次放电间隙不均匀等现象也得到极大的抑制，从而改善了加工质量，提高了加工效率[6]。在驱动方式上，过去常以滚珠丝杠驱动工作台。近年来，不断探索采用新型的驱动方式，如具有快速响应的电磁式线性驱动装置、压电元件和磁致伸缩振子驱动装置等的应用已成为一种发展趋势，这些都有利于电火花加工速度的提高[7]。

在工作液循环过滤系统设计中，优化结构设计，最大限度地发挥工作液在加工过程中的辅助功能，以获得生产率最高的最佳加工效果。在这方面应敢于创新并进行相应的实验尝试，不断改进优化设计方法，通过将研究成果应用于生产实践，全面提高电火花加工的加工性能。比如苏州电加工机床研究所叶军所长等人发明设计的一种高效放电铣削加工的高效冷却及排出蚀除物方法，其特征在于加工中将浸泡冷却、内冲液冷却及排出蚀除物、外包液冷却及排出蚀除物三种冷却方式有机组合，有效地解决了高效放电铣削加工中冷却和排除蚀除物的难题，对高效放电铣削加工工艺的发展和应用具有实际意义[8]。

综上所述，加工过程的高效化就是提高电火花加工的效率，它不仅体现在单位放电脉冲蚀除材料量的大小上，而且体现在采用新型高效的加工工艺和改进电火花加工控制系统、工作液循环系统、机床结构等对电火花加工放电效果的影响上。电火花加工中，在保证加工精度的前提下，应提高粗、精加工效率，同时应减少辅助加工时间，包括编程时间、工件装夹时间、维修时间等。

电火花线切割加工技术

电火花线切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM），有时又称线切割。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。

1.电火花线切割加工的基本原理

工件安装在工作台上，工作台通常由X轴和Y 轴电动机驱动。工具电极（电极丝）为直径0.02～ 0.3毫米的金属丝，由走丝系统带动电极丝沿其轴向移动。走丝方式有两种：①高速走丝，速度为9～10米/秒，采用钼丝作电极丝,可循环反复使用；②低速走丝，速度小于10米/分，电极丝采用铜丝，只使用一次。脉冲电源加在工件与电极丝之间，一般工件接正极，电极丝接负极。工件与电极丝之间用喷嘴喷入工作液(乳化液、去离子水等)。控制系统根据预先输入的工作程序输出相应的信息，使工作台作相应的移动，工件与电极丝靠近。当两者接近到适当距离时(一般为0.01～0.04毫米)便产生火花放电，蚀除金属。金属被蚀除后工件与电极丝之间的距离加大，控制系统根据这一距离的大小和预先输入的程序，不断地发出进给信号，使加工过程持续进行。2.电火花线切割加工的主要特点

电火花线切割加工除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点： ①不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面。

②能切割0.05毫米左右的窄缝。

③加工中并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率。④在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度。

⑤电火花线切割能达到的切割效率一般为20～60毫米2/分，最高可达300毫米2/分；加工精度一般为±0.01～±0.02毫米，最高可达±0.004毫米；表面粗糙度一般为Rα2.5～1.25微米,最高可达Rα0.63微米；切割厚度一般为40～60毫米，最厚可达600毫米。

3.电火花线切割加工的应用领域及研究进展

电火花线切割加工主要用于模具制造，在样板、凸轮、成形刀具、精密细小零件和特殊材料的加工中也得到日益广泛的应用。此外，在试制电机、电器等产品时，可直接用线切割加工某些零件，省去制造冲压模具的时间，缩短试制周期。近年来电火花线切割加工无论在加工过程控制,还是改进加工工艺方面都取得了许多新的进展。主要表现在突破了许多传统观念的束缚,产生了一些新的加工方法,以及一些新的控制和检测方式,这些进展既提高了加工质量,也提高了加工效率,不仅可在去离子水中加工,也可在其他混粉电介质溶液中加工,大大扩展了这一技术的应用领域。

对于电火花线切割加工,特别是加工阶梯状的工件,断丝和加工不稳定始终是降低加工效率的主要因素。传统的方法是针对工件最薄处来设置加工参数,然而,这样虽然降低了断丝的可能性并保持了

稳定的加工,却大大降低了加工速度。因为很难在线得到工件的厚度并设置合适的加工参数,因此发展了许多近似数学模型来估计工件的厚度。这些模型表示了放电能量和材料去除率之间的关系,其中模型系数通过大量的实验获得。然而这样的静态数学模型只适用于加工厚度逐渐变化的工件,对于厚度突然增加或者减少的工件却不适用。为此,一个多输入的动态和随机模型被用来描述平均间隙电压,放电频率和机床进给速度之间的关系[9-10 ]。对于iso 能量型的电火花线切割机床,有研究者提出了特定放电能量的概念。电火花加工过程涉及许多因素,从放电能量的观点看,每一个放电都是一个能量输出,能量分布在工件、电极丝以及在材料去除中的有效能量消耗上。它受许多因素的影响,比如:工件和电极丝之间的间隙、喷流压力、电介质的导电性以及放电持续时间等;对于典型波形的放电电压和电流,可计算出单次放电能量以及单位时间内的放电能量。考虑到放电过程中的非正常放电(电弧放电或短路)以及实际用于材料去除的能量所占总能量的比率,可得出有效放电功率;而被定义为去除单位体积材料的特定放电能量,不但与有效放电功率有关,还受到间隙宽度、工件高度以及电极丝进给速度的影响。因此,可得出材料去除量与放电频率之间关系的等式。其中的系数与文献[9]中不同,前者与放电持续时间、特定放电能量、放电效率、间隙宽度以及正常放电比率有关,而后者只是放电频率的函数,当工件高度改变时加工特性也发生改变,因此在估计到工件高度之前,很难得到正确的厚度辨识系数。由于影响高度辨识参数的值涉及许多变量且数量庞大,很难在线全部检测到,所以为了简化厚度辨识过程,首先用文献[9]中等式辨识出工件厚度,然后乘上一个修正因子,就得到了最终辨识工件厚度,而修正因子是初始辨识到的工件厚度的函数。实践证明[11] ,这种辨识工件厚度的方法是可行的、精确的,辨识误差小于1 mm ,并能很快完成。

在电火花线切割加工过程中,虽然电极丝被施加了特定的张力以尽量保持电极丝的直线性,但由于丝的柔韧性,不可避免地会在加工过程中产生一定的延迟,特别是在丝的中部。文献[12]提出了一种结合摄像机和CCD 的技术来测量电极丝经过工件时的偏差,这样,就可建立电极丝的偏差模型,用合适的方法来控制拐角切割,提高零件的加工精度。

在电火花线切割加工中,放电间隙状态对于伺服控制以及脉冲电源的自适应控制是一个很重要的依据。目前广泛应用的固定阀值法很难用来测量非矩形间隙电压波形,文献[13]提出了浮动阀值法来检测间隙电流和测量与间隙峰值电流成比例变化的电压阀值,这样就可以在线实时地区分3 种不同的放电状态(开路、放电和短路)。

激光机工

激光加工是20世纪60年代发展起来的。它扩展了光为人类服务的领域，加深了人类对光的认识。激光加工在再制造业同样有其不可替代的地位。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用高功率激光器及其系统。但目前我国激光在此领域的应用技术尚不成熟。主要表现为：高档激光加工系统少； 主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。国内各类制造业接受了激光加工技术，使他们的产品加快产品更新的速度。

1.激光机工的基本原理

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金 属）的原理进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术，涉 及到光、机、电、材料及检测等多门学科。

公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称 冷加工)。激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对 象的特性改变或把物料熔解蒸发。热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象

光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程.冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用

2.激光加工的特点

①由于激光加工热影响区域小，光束方 向性好，其几乎可以加工任何材料。常用来进行选择性加工，精密加工。

②由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面 直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而 且不会产生噪音。

③由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工 可应用到不同层面和范围上。

3.激光加工的应用领域及研究进展

国内工业激光设备企业和研制生产概况自上世纪90年代开始，随着市场经济快速发展，国内出现了许多从事研制、生产和经营激光器和激光加工设备的公司。按现代企业制度建立 的这些新兴公司（企业），经营理念完全定位于市场经济，在市场中找生机，发挥企业优势，择优而用，满足用户要求,通过融资，壮大财力,吸纳海内外技术优势，通过各种渠道，形成 自家的技术优势和服务于用户的产品优势。激光加工的应用现状 激光加工的应用现状激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出20 多种激光加工技术。激光 的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很 大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适 时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激 光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光快速成形技术、激光 打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技 术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量(106～108 J / cm2),瞬间可使任何固体材料熔化甚至蒸发,因此从理论上说可以用来加工任何种类的固体材料。事实上,激光一经发明,人们首先想到用其来对宝石这类采用常规方法难以加工的材料进行孔加工。目前,激光已经广泛用于各类材料的孔加工和切割,如进行木模板的激光切割和石油管道的激光切缝等。

激光焊接与常规焊接方法相比,具有如下一系列优点[14]:利用激光的高密度能量,可对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接,也可对非金属材料进行焊接(如玻璃的焊接);加热速度快,作用时间短,热影响区小,热变形可以忽略;属于非接触焊接,无机械应力和机械变形;激光焊接装置容易与计算机联机;可在大气中焊接,无污染等。因此,激光焊接在工业上获得广泛应用。激光表面改性技术包括:激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等[15]。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和化学性质,现在已经广泛应用于工业生产。

例如经激光表面硬化的AISI1045 钢样品,其表面硬度HRC 为55 ,磨损10 h 后所产生的质量损耗为0.6～1.4 mg;而在相同试验条件下,未经处理的AISI1045 钢的硬度HRC 仅为35 ,质量损耗为4.18 mg ,经激光表面硬化后的样品耐磨性能提高3～6 倍。在我国,激光表面硬化已广泛应用于汽车缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴及锭杆等易损件的处理加工中,特别是对小汽车缸套的热处理已取得明显经济效益, 经激光表面硬化的汽车缸套可提高使用寿命2～3 倍。

激光刻蚀在微电子行业可用于半导体器件和芯片的加工,也可用于精密光学器件的加工,如用激光刻蚀加工半导体芯片和三维光栅。利用激光的高密度能量,可对硬脆性难加工材料进行激光铣削加工(如利用脉冲激光铣削加工硬质合金和氧化铝陶瓷)。利用脉冲激光还可以对轧辊进行毛化,经过毛化的轧辊轧制的汽车簿板具有着油漆牢固的特点[16];另外还可以利用激光对钢套等零件进行毛化,大大提高其耐磨寿命。

自20 世纪90 年代初美国3D Systems 公司开发出世界首台商品化的快速成形系统装置以来,快速成形技术得到蓬勃发展。快速成形(Rapid Pro2totyoing ,简称RP)通过材料堆积,快速、精密地制造出实际零件,它体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用[17]。它不需要借助其他设备和工具,迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成形技术主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。

早在1977 年,美国麻省理工学院材料科学与工程系科学家Haggerty 博士就发明了陶瓷粉末的激光合成法[18],现已发展到广泛利用激光来制造金属和非金属材料纳米粉。激光清洗可使物体表面污垢通过吸收光能而蒸发去除,或在表面产生力学共振而使污垢凝结脱落。激光清洗可用来清洗微电子芯片、设备的剥漆,以及对古董、字画进行除垢等。

特种加工存在的问题

虽然特种加工已解决了传统切削加工难以加工的许多问题，在提高产品质量、生产效率和经济效益上显示出很大的优越性，但目前它还存在不少亟待解决的问题。

（1）不少特种加工的机理（如超声、激光等加工）还不十分清楚，其工艺参数选择、加工过程的稳定性均需进一步提高。

（2）有些特种加工（如电化学加工）加工过程中的废渣、废气若排房不当，会产生环境污染，影响工人健康。

（3）有些特种加工（如快速成形、等离子弧加工等）的加工精度及生产率有待提高。

（4）有些特种加工（如激光加工）所需设备投资大、使用维修费高，亦有待进一步解决。

特种加工的发展趋势

广泛采用自动化技术、利用计算机实现对特种加工设备的控制系统、电源系统的自动控制，建立特种加工的系统，这是当前特种加工的主要发展趋势，开发由不同特种加工技术复合而成的加工方法，如电解电火花加工、电解电弧加工等复合加工，以扬长避短提高经济效益和生产率，另外还应着重于新的工艺方法的研究，不断提高加工工艺水平。考虑到一些特种加工技术对环境的污染问题，必须要着重解决废渣、废气、废液的“三废” 转化问题，向“绿色” 工业及可持续发展工业转化。

参考文献

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第三篇：精密与特种加工的发展现状与技术展望

精密与特种加工的发展现状与技术展望

班级：

姓名：

学号

精密与特种加工的发展现状与技术展望

精密与特种加工的发展现状

精密加工是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，通常包括精密切削加工和精密磨削加工，加工精度的不断提高对提高机电产品的性能、质量和可靠性，提高装配效率等都有至关重要的作用。精密和超精密加工已成为当前国际经济竞争的关键技术。精密工程，微米工程和纳米技术已成为世界技术的制高点，是现代制造技术的前沿，也是明天技术的基础

特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能量或其组合乃至机械能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也被称为非传统加工技术。近半个多世纪以来，相继出现了数十种特种加工方法，如电解加工、超声波加工、放电成型加工、激光加工、电子束加工等。特种加工在难加工材料加工、磨具及复杂面加工、、零件精细加工等领域已成为重要的加工方法或仅有的加工方法。

随着航空航天、核能热能以及微电子工业的发展，产品向高精度、高速度、耐高温、耐高压、耐腐蚀、大功率、小型化和高可靠性方向发展，零件的特殊结构和新材料的应用对制造业提出了更高的要求，特种加工作为跨世纪的先进制造技术的重要组成部分将在21世纪人类社会进步及我国现代化建设中发挥重大作用。

精密加工

精密、超精密切削加工

所谓精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺。目前，在工业发达的国家中，一般工厂能掌握的加工精度是1微米，精密工程正在向其终极目标—原子级精度逼近，也就是实现“移动原子”。

精密加工总是与高加工成本联系在一起，在过去它主要应用于军事、航空航天等部门。近十几年来，随着科学技术发展和人们生活水平的提高，精密加工的产品已经入人民生活的各个领域，工业发达国家已将精密加工机床直接用于产品零件的精密加工，产生了显著的经济效益。正是精密加工具有优良的特性，因此得到了世界各地的高度重视。我国必须大力发展精密加工技术，使其为我国的国民经济创造出巨大的经济效益。

精密机床是实现精密加工的先决条件，随着加工精度的提高和精密加工技术的发展，机床的精度不断提高，精密机床获得了飞速发展。

我国在20世纪60年代起开始发展精密机床，经过40多年的努力，我国的精密机床已有相当规模，不仅品种上基本满足我国生产需求，而且精度和质量都达到一定水平。例如北京机床研究所已批量生产多种规格的三坐标测量机。我国超精密机床的生产和研究其比较晚，和国外的差距较大。由于涉及到许多保密技术，从国外引进超精密机床受到限制，我们必须加大力度研制性能更优越的超精密机床，为国防工业、尖端技术的发展创造条件。

超精密切削加工是20世纪60年代发展起来的新技术，它在国防和尖端技术的发展中起到了重要的作用。例如导弹的命中精度等等。另外，由于采用了超精密切削技术，一些民用产品其生产成本降低，生产率提高，产品性能得到极大的改善。超精密加工的尖端部分分担着支撑最新科学技术进步的重任，必须把分散在各个领域的技术成就集结在一起，把加工精度提高1～2个数量级。为此需要在国家的科学研究规划中投入大量的财力和人力。

根据我国当前的实际情况，参考国外的发展趋势，我国应该开展超精密加工技术的基础研究，其主要内容包括超精密加工的基本理论和工艺、环境控制技术、材料和超精密加工设备的精度、动特性及热稳定性。只要我们能对精密加工技术给与足够的重视，投入相当的人力财力进行研究，相信我国能在15～20年内达到美国等先进国家的水平，并在某些主要单项技术上达到国际先进水平。精密超精密磨削加工

磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要切削工具，磨削在切削加工中的比重日益增大。在工业发达的国家磨床在机床总数中的比重占到30%～40%，且有不断增长的趋势。磨削在机械制造业中将得到广泛的应用。

随着科学技术的不断发展，近年来电子工业、航天工业和核工业等领域给精密加工提出了更高的要求，为了达到这个目标，精密机械进一步朝着精密加工方向发展。因此超精密磨削是近年发展起来的最高加工精度、最小表面粗糙度值的砂轮磨削方法，这将进一步促进超精密磨削的发展。

特种加工

电火花加工

电火花加工又称放电加工，是一种电、热能加工方法，利用工具和工件两级间脉冲放电时局部瞬时产生的高温把金属腐蚀去除来对工件进行加工的一种方法。在20世纪50年代开始研究并逐步应用生产。

目前，电火花加工技术已广泛应用于宇航、航空、电子、原子能等行业，以及科学研究部门，主要以解决难切削加工及复杂形状工件的加工问题。加工范围小至几微米大到几十米的超大型磨具和工件中。

电化学加工

电化学加工是指通过电化学反应从工件上去除或在工件上镀覆金属材料的特种加工方法，近十几年来，借助高新技术，在精密电铸等方面取得较快发展。目前，电化学加工技术已成为一种不可缺少的去除或镀覆金属材料及进行微细加工的重要方法之一，并广泛应用于兵器、汽车、医疗器械、电子和模具行业之中，电化学加工在很多方面还有待进一步的发展和提高，如加工过程监测与自动化控制、工具设计、加工精度的提高，以及电化学作用产物的处理等。

高能束加工

激光加工、离子束加工和电子束加工是近几年来得到较大发展的新兴特种加工。我国20世纪60年代初期开始对电子束加工工艺进行研究，目前已经在仪器仪表、微电子工业、航天航空部门和化纤等工业中得到应用，激光的应用范围日趋广阔，在工业、商业、医疗、军事等研究等方面具有广泛的应用，而且用于各种精细加工。激光加工技术是实用化很高的技术，同时也是附加值很高的加工方法，对象的材质、形状。尺寸、加工环境的自由度都很大。

复合加工

特种加工可以解决传统加工难以或无法加工的难题，在加工范围、加工质量、生产效率等方面，显示了许多优越性和独到之处，但是，科学的发展，各种材料的应用，国防、航空、尖端工业生产的需求向其提出更新的问题，有许多问题是

不能用一种加工手段来解决的。人们既不能一味追求“以柔克刚”，发展某种特种加工加工方法；也不排斥“以硬对柔”的某些特点，从而从加工的可能性、方便性、经济性等因素综合考虑，探索研究新的加工方法。复合加工正是在这种前提下生产和发展起来的。

制造业是将制造资源通过制造过程转化为可供人们使用与利用的工业品和生活消费品的行业。制造业是国民经济的基础，它创造了人类社会财富的60﹪～80﹪。从某种意义上讲，制造技术水平的高低已成为衡量一个国家国民经济和综合国力的重要指标之一。

第四篇：《先进制造技术》课程论文

《先进制造技术》课程论文

【内容主题】

针对先进制造技术某一领域，展开论述。

例如：

（一）主题：成组技术

内容：成组技术是什么、类型、应用领域，通过查找资料(图片等)来说明，附以企业应用实例来说明。

（2）主题：优化设计

内容：优化设计的工作方法与步骤、应用数学手段、应用领域，通过查找资料(图片等)来说明，并附以应用实例。

【论文要求】

1、论文文字部分不少于2500字(不含插图)；全文应包括论文名称、关键词、正文、参考文献，注明姓名、班级、学号。

2、论文用自己的文字描述，不得大段摘抄，否则；

3、所涉及的参考文献必须注明参考文献出处(文献名称、题目、作者、期刊号、期号或网页地址)，2002年前的资料不得列入，此项内容作为评分的依据之一。无参考文献作零分处理。

4、论文采用电子文档，发到xuxing@zust.edu.cn，11月15日为截止日，不给成绩。发送邮件请输入主题“《先进制造技术》课程论文+姓名+学号”，并递交纸质打印稿一份至C2六楼我的信箱。

5、评分依据：(1)论文质量与自己文字的比例，自己文字部分少量者判为不及格；

(2)参考文献的新旧程度，2002年以前的资料不做评分依据；(3)参考文献的资料完整性，参考文献必须表明准确的出处，如无法据此信息查到，则不做评分依据；

(4)论文的排版（正文小四，宋体）；(5)内容相同的不得分；(6)论文不足2500字将适当减分。

第五篇：特种加工技术的发展和展望

《特种加工》课程论文

题 目：特种加工技术的发展和展望

姓 名：郭健朗

学 号：1 3 4 1 1 0 1 0 8 6

院 系： 机 械 与 能 源 工 程 系

专 业：机 械 设 计 制 造 及 其自 动 化

指导老师：雷先明

特种加工技术的发展和展望

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、水喷射加工等加工方法;探讨了各种加工方法的工作要素、加工特点及应用;最后, 指出了特种加工的发展趋势。

Abstract: the author introduces the types and current situation of the development of special processing technology, points out its advantages and problems;describes the electrical discharge machining, electrochemical machining, electron beam machining, ultrasonic machining, laser processing, chemical mechanical processing, water jet machining processing method;discusses the processing characteristics and application of work elements, all kinds of processing methods;finally, points out the development trend of special machining 关键词: 特种加工;电火花加工;电解加工;电子束加工;超声波加工

Key words: special machining;EDM;electrochemical machining;electron beam machining;ultrasonic machining 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;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:⑴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。⑵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。⑶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。⑷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。⑸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;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)。电火花加工的工作要素包括电极材料、工作液、放电间隙、脉冲宽度与间隔等。对工具电极的基本要求是导电、损耗小、易加工。常用的工具电极材料有紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等,其中又以紫铜和石墨最为常用。工作液是电火花加工中必不可少的介质,其主要功用是压缩放电通道区域,提高放电能量密度和加速蚀除物的排出。常用的工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。合理的放电间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙, 在加工过程中, 需采用自动调节器控制机床进给系统,并带动工具电极缓慢向工件进给。

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。目前,实际应用的电火花加工主要有两种类型,即电火花成形加工和电火花线切割。2.1.1电火花成形加工

主要指孔加工和型腔加工。电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工,以及叶轮、叶片等曲面加工。

2.1.2 电火花线切割

用连续移动的钼丝(或铜丝)做工具阴极,工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内做互相垂直方向的移动,可切割出二维图形。丝架也可做小角度摆动,可切割出斜 面。电火花线切割广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。电火花线切割加工按走丝速度可分为快走丝和慢走丝两类。快走丝速度一般为l0m/s, 电极丝可往复移动,并可以循环反复使用(使用一段时问后需进行更换).慢走丝速度为2～8m/min,单向运动,电极丝一次性使用。慢走丝线切割走丝平稳,无振动,电极丝损耗小,加工精度高。

2.2 电解加工

电解加工的工作原理 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。

电解磨削是利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加工方法。工件接直流电源正极, 高速回转的导电磨轮接负极,两者保持一定的接触压力,导电磨轮表面突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间有一定的间隙。当电解液从问隙中流过并接通电源后,工件产生阳极溶解, 工件表面上生成一层称为阳极膜的氧化膜, 其硬度远比金属本身低, 极易被高速回转的磨轮刮除,使新的金属表面露出,继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行,电解产物被流动的电解液带走,使加工继续进行,直至达到加工要求。

电解磨削效率比机械磨削高,且导电磨轮损耗远比机械磨削小,特别是磨削硬质合金时, 效果更明显。

2.3 电子束加工

电子束加工的工作原理是在真空条件下,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(在几分之一微秒时间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;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0.01～0.05 mm。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。

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。

化学机械复合加工中常用的方法有机械化学抛光和化学机械抛光。机械化学抛光使用比工件材料软的磨料(如对Si3N4 陶瓷用Cr2O3 ,对Si 片用SiO2),靠运动磨粒本身的活性以及因磨粒与工件间的摩擦, 在微观接触区产生的高压、高温, 使很短的接触时间内出现固

相反应。随后这种反应生成物被运动的磨粒的机械摩擦作用去除,其去除量可小至0.1nm 级。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。

2.7水喷射加工

水喷射加工(Water Jet Machining)又称水射流加工或水刀加工,它是利用超高压水射流及混合于其中的磨料对材料进行切割、穿孔和表面材料去除等加工。其加工机理综 合了由超高速液流冲击产生的穿透割裂作用和由悬浮于液流中磨料的游离磨削作用。

水喷射加工具有如下特点: ①可加工各种金属和非金属材料;②切口平整,无毛边和飞刺,可用于去除阀体、孔缘、沟槽、螺纹、交叉孔上的毛刺;③切削时无火花,无热效应产生, 也不会引起工件材料组织变化, 适于易燃易爆物件加工;④加工洁净,不产生烟尘或有毒气体。

水刀加工基本可对各种材料进行处理及切割,非金属物质,如木材、纸类、塑料、纤维、海绵等;对切割金属或较硬的材质时,如各种石材、玻璃、陶瓷、砖等材质时,可以将80 目左右, 较细颗粒的石英砂料与水箭混流在一起, 以增强其切割能力,此种高速加砂的水刀几乎可以切割任何材质,为此在家具制造过程中,可以用来对原木的分割和实木成型材料的分切, 使得在用料方面取得更为精确。为节约用材提供很好的途径。

水刀加工在下料开片的切割加工中,比起与它拥有同样功能的“ 前辈”--电锯、电弧切割和激光切割来它有着许多优越性, 它无尘、无烟、没有火光,在作业时,切割面上的温度能保持不变(电弧、激光切割和钢锯则办不到这一点),它不会产生强光而灼伤人眼;更不用担心因高温而引发火灾,十分安全。然而它具有强大的“威力”,可以随心所欲地切割加工各种工件和不同口径的管材。对于机械制造加工,由于水刀的加入,也使得在消防防火方面得到更好的保证。

水刀自动化系统已应用于汽车内饰件加工甚至对空中客车A380 大型航空件、飞机外壳等, 高强度的碳素纤维的复杂零件表面上进行的切割、修边、开孔等加工任务。为制造领域开辟了新的天地,而且它可以在几乎完全自然的条件下加工, 因此对已完成的上道工序, 基本不会产生任何影响。更没有任何粉尘的危害,也不会有刀刃磨损的缺点。水刀还可以做水下作业,对沉船的切割、修理可以得到绝无仅有的效果。可能在未来对潜水艇的自救也能开辟一种新的可能。

水刀切割加工速度极高, 尺寸精度、加工的质量较高,不需要第二次加工。同样也可以不用担心水的加工影响材料的含水量,极高的速度几乎不能让水分留下。操作程序简单易行, 编辑程序可以随时调用, 有记忆功能。水刀的一般零配件使用寿命较长,机械可使用时间长, 相对成本较低。水刀切割时不会产生灰尘及有毒气体, 可提供一个较为清洁及安全的工作环境, 更重要的是,水刀是以水作为切割的刀具,不用像其它的切削刀具需要刃磨,它是一把永不磨损型的刀具, 因此水刀以其独特的优势,在未来的各种加工制造中, 一定会有更广泛的应用前景。

3.特种加工技术的展望

特种加工技术是先进制造技术的重要组成部分, 随着难加工材料、特殊结构零件需求的日益增加, 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。

4.结束语

特种加工技术集成了机械、电子、信息、材料技术和计算机等技术，发展异常迅速。现代特种加工技术主要是伴着高硬度、高强度、高韧性、高脆性等难切削材料的额出现，以及制造精密细小 形状复杂和结构特殊的零件 的需要而产生的，具有其他常规加工技术无法比拟的优点，已成为航空航天、汽车、仪器、仪表、微型机械、轻工、模具等行业的支撑技术和关键技术 随着科学技术和现代工业的 发展，特种加工技术必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，并发挥越来越重要的作用。

参考文献

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