特种加工技术与装备简介

第一篇：特种加工技术与装备简介

特种加工技术与装备简介

1.特种加工

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。2.发展方向

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。3.常见特种加工方法简介 1>电火花

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。其加工特点有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；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。

2>激光加工技术

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）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

工作原理：激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔,切割和焊接等的特种加工。早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达10(～10(瓦/厘米(，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固体激光器和气体激光器。

3>电子束加工技术：

电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法（见电子束与离子束微细加工）。作为加热工具，电子束的特点是功率高和功率密度大，能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确和迅速地调节，能用计算机控制并在无污染的真空中进行加

工。

根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不同，可以完成各种不同的加工。如：

电子束焊接：电子束功率密度达10^5～10^6瓦/平方厘米时，电子束轰击处的材料即局部熔化；当电子束相对工件移动,熔化的金属即不断固化,利用这个现象可以进行材料的焊接。电子束焊具有深熔的特点，焊缝的深宽比可达20:1甚至50:1。这是因为当电子束功率密度较大时，电子束给予焊接区的功率远大于从焊接区导走的功率。利用电子束焊的这一特点可实现多种特殊焊接方式。利用电子束几乎可以焊接任何材料，包括难熔金属(W、Mo、Ta、Nb)、活泼金属（Be、Ti、Zr、U）、超合金和陶瓷等。此外，电子束焊接的焊缝位置精确可控、焊接质量高、速度快，在核、航空、火箭、电子、汽车等工业中可用作精密焊接。在重工业中，电子束焊机的功率已达100千瓦，可平焊厚度为200毫米的不锈钢板。对大工件焊接时须采用大体积真空室，或在焊接处形成可移动的局部真空。

电子束钻孔：用聚焦方法得到很细的、功率密度为 10^6～10^8瓦/厘米的电子束周期地轰击材料表面的固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。同电子束焊接相比,电了束刻蚀、钻孔、切割所用的电子束功率密度更大而作用时间较短。电子束可在厚度为0.1～6毫米的任何材料的薄片上钻直径为1至几百微米的孔，能获得很大的深度－孔径比，例如在厚度为 0.3毫米的宝石轴承上钻直径为25微米的孔。电子束还适合在薄片（例如燃气轮机叶片）上高速大量地钻孔。

电子束熔炼：电子束熔炼法发明于1907年，但直到50年代才用于熔炼难熔金属，后来又用于熔炼活泼金属（如Ti锭）和高级合金钢。电子束加热可使材料在真空中维持熔化状态并保持很长时间，实现材料的去气和杂质的选择性蒸发，可用来制备高纯材料。电子束加热是电能转为热能的有效方式之一，大约有50%功率用于熔化和维持液化。功率在60千瓦以下的电子束熔炼机可用直热式钨丝作为电子枪的阴极。60千瓦以上熔炼机的电子枪则用间热式块状钽阴极，它由背后的钨丝所发射的电子轰击加热到 2700K，可有每平方厘米为几安的发射电流密度。电子枪加速电压约30千伏，这样容易防止电击穿和减弱 X射线辐射，电子束用磁聚焦和磁偏转。电子枪和熔炼室用不同的真空泵抽气，真空度分别维持在10和10帕左右。80年代已生产出600千瓦级的电子枪。如需更大功率，可用几支电子枪同时工作。利用电子束加热可铸造100吨的坯料。4>等离子束及等离子体加工技术：

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。等离子体的分类有多种方法，但在工业上用的等离子体通常按温度分类见表1[1]，用的较多的是非平衡等离子体和热能离子体中的低温等离子体。一般情况下，低温热等离子体比非平衡的等离子体的压力高。实际上，也正是它们的工作压力不同，使它们的作用机理发生了变化。低气压时，粒子间的碰撞频率较低，主要作用是带电粒子与被处理材料之间发生的物理过程。随着压力的增加，碰撞次数增加，化学过程开始充当主要角色。当压力进一步增加达到1×105Pa 左右时，等离子体变得更象一个热源，很多场合代替了燃烧。此时，离子与电子的温度趋于大致接近，其密度比非平衡类型的等离子体要高。

5>超声波加工技术：

超声波加工基本原理：在工件和工具间加入磨料悬浮液, 由超声波发生器产生超声振荡波, 经换能器转换成超声机械振动, 使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面, 把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合结果。

在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波加工, 即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转, 这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面, 把工件材料粉碎成很小的微粒去除, 以提高加工效率。超声波加工精度高, 速度快, 加工材料适应范围广, 可加工出复杂型腔及型面, 加工时工具和工件接触轻, 切削力小, 不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷, 而且超声加工机床的结构简单, 易于维护。

超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

其原理图为

第二篇：精密加工与特种加工简介教案

金属工艺学电子教案（43）

【课题编号】

43-19.1 【课题名称】

精密加工与特种加工简介 【教材版本】

郁兆昌主编．中等职业教育国家规划教材—金属工艺学（工程技术类）．第2版．北京：高等教育出版社，2006 【教学目标与要求】

一、知识目标

了解精密加工与特种加工。

二、能力目标

若有机会略加训练，进行操作练习，能初步进行常用的研磨、抛光和电火花加工操作。

三、素质目标

了解精密加工和特种加工、略经训练，能初步操作研磨、抛光和电火花加工。

四、教学要求

初步了解精密加工和特种加工。【教学重点】

研磨、抛光、电火花加工。【难点分析】

电解加工。【分析学生】

1．具有学习的知识基础。2．具有学习的能力基础。

3．精密加工和特种加工是解决传统加工不便或难以加工而发展起来的，不乏新技术含量，对于学生开阔眼界，了解加工新技术发展很有好处，教学中应充分运用网络课程相关的视频资料。【教学设计思路】

教学方法：讲练法、演示法、讨论法、归纳法。【教学资源】

1．郁兆昌，潘展，高楷模研编制作．金属工艺学网络课程．北京：高等教育出版社，2005 2．郁兆昌主编．金属工艺学教学参考书（附助学光盘）．北京：高等教育出版社，2005 【教学安排】

2学时（90分钟）

43-1 教学步骤：讲授与演示交叉进行、讲授中穿插练习与设问，穿插讨论，最后进行归纳。【教学过程】

一、复习旧课（15 分钟）1．简述

铣床加工特点及应用范围，数控机床的特点及应用。2．讲评作业批改情况； 3．提问： 题18-

16、18-19

二、导入新课

随着生产和科学技术的发展，对产品的性能要求越来越高，导致产品零件所使用的材料不断涌现出新的品种，零件形状和结构也越来越复杂，加工的难度越来越大，表面粗糙度值越来越小，常用的传统加工方法远远不能满足需要，这样便推动了加工技术的快速进步，研制出许多精密加工和特种加工方法。

三、新课教学（70分钟）1.精密加工（25分钟）

教师讲授研磨、珩磨、抛光、超精密加工。演示网络课程chapter19内容说明，研磨内孔、珩磨孔、磨床主轴局部圆柱面、超精密磨削等视频资料。

学生课堂练习:题19-1。教师巡回指导、设问、提问；学生回答、讨论；教师讲评。2.特种加工（45分钟）

教师讲授电火花加工、电解加工、电解磨削、超声波加工、激光加工。演示网络课程中电火花加工三角形孔、电火花线切割、电解加工气轮机叶片等照片资料。

学生课堂练习：题19-

5、19-

6、19-7。教师巡回指导、设问、提问；学生回答、讨论；教师讲评。

四、小结（5 分钟）

简述精密加工、特种加工的概念和种类。

五、作业布置 1．习题： 题19-

2、19-3。2．思考题：

题19-4。【板书设计】

参考相应的PPT文集。【教学后记】

43-2

第三篇：特种加工技术学习心得

激光加工

特种加工技术中有很多的加工方法，我比较感兴趣的就是激光加工。激光加工可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等各个领域，由于激光加工不需要加工工具，而且加工速度快，表面变形小，可以加工各种材料，已经在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性，所以很受人们的重视。

激光加工是利用光的能量，经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工各种材料的。激光是可控的单色光，它强度高、能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材料，因此它的应用越来越广泛。激光的光发射是以受激辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系，正因如此，激光具有强度高，单色性好，相干性好和方向性好的优点。

激光加工的基本设备包括激光器、激光器电源、光学系统及机械系统等四大部分。激光器是激光加工的重要设备，它把电能转化为光能，产生激光束。激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器，按工作方式可分为连续激光器和脉冲激光器。固体激光器一般采用采用光激励，能量转化环节多，光的激励能量大部分转换为热能，所以其效率低。气体激光器一般采用电激励，因其效率高、寿命长、连续输出功率大，所以广泛用于切割、焊接，热处理等加工。常用于材料加工的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。

常用的激光加工工艺有激光打孔，激光切割，激光刻蚀打标记等。

激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果。激光打孔适合于自动化连续打孔，其直径可以小到0.01mm一下，深径比可达50:1。激光几乎可以在任何材料上打微型小孔，目前激光打孔已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。

激光切割的原理和激光打孔原理基本相同，不同的是，激光切割中工件于激光束要相对移动，在生产实践中一般都是移动工件。激光切割大都采用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器，但连续输出的激光束会因热传导而使切割效率降低，同时热影响层也较深。因此，在精密机械加工中，一般都采用高重复频率的脉冲激光器。激光可用于切割各种各样的材料。它可以切割金属也可以切割非金属；它可以切割无机物也可以切割皮革之类的有机物；它可以切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料也可以对细小部件作各种精密切割。

激光刻蚀打标记的加工工艺也很受人们的青睐。小功率的激光束可用于对金属或非金属表面进行刻蚀打标，加工出文字图案或工艺美术品。例如，可在竹片上刻写缩微的孙子兵法、毛主席诗歌等。

第四篇：Chapt.7_精密与特种加工技术(课件)

第一章

概

论

第一节

精密与特种加工的产生背景

机械制造面临着一系列严峻的任务：

⑴ 解决各种难切削材料的加工问题。

⑵ 解决各种特殊复杂型面的加工问题。

⑶ 解决各种超精密、光整零件的加工问题。

⑷ 特殊零件的加工问题。

第二节

精密与特种加工的特点 及其对机械制造领域的影响

精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术；

精密加工包括微细加工、光整加工和精整加工等，与特种加工关系密切。

特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的非传统加工方法（NTM，Non-Traditional Machining），它们与传统切削加工的不同特点主要有： ① 主要不是依靠机械能；

② 刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度； ③ 在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的 机械切削力作用。

精密与特种加工技术引起了机械制造领域内的许多变革：

⑴ 提高了材料的可加工性。

⑵ 改变了零件的典型工艺路线。

⑶ 大大缩短新产品试制周期。

⑷ 对产品零件的结构设计产生很大的影响。

⑸ 对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响。

第三节

精密与特种加工的方法及分类

1．加工成形的原理

分为去除加工、结合加工、变形加工三大类。

去除加工又称为分离加工，是从工件上去除多余的材料。

结合加工是利用理化方法将不同材料结合在一起。

又可分为附着、注入、连接三种。

变形加工又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。

2．加工方法机理

按机理精密与特种加工分为传统加工、非传统加工、复合加工。

第四节 精密与特种加工技术的地位和作用

先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一。

发展先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策，同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、经济持续稳定发展、科技保持先进领先的长远大计。

从先进制造技术的技术实质而论，主要有精密、超精密加工技术和制造自动化两大领域。

精密与特种加工技术水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一。

精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术。产品的实际制造，必然要依靠精密加工技术。第二章

金刚石刀具精密切削加工

第一节

概

述

精密与超精密加工和制造自动化是先进制造技术的两大领域。

加工精度在0.1~1μm，表面粗糙度Ra在0.02~0.1μm之间的加工称为精密加工；加工精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工称为超精密加工。

一、超精密加工的难点

精度难以控制； 刚度和热变形影响； 去除层薄，切应力大； 犹如对不连续体进行切削。

二、超精密加工的方法

按加工方式分：

切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工 按加工机理和特点分：

去除加工、结合加工和变形加工 还可分为 传统加工、非传统加工和复合加工

三、超精密加工的实现条件

超精密加工是多学科交叉的综合性高新技术

① 超精密加工的机理与工艺方法； ② 超精密加工工艺装备； ③ 超精密加工工具；

④ 超精密加工中的工件材料； ⑤ 精密测量及误差补偿技术；

⑥ 超精密加工工作环境、条件等。

在超精密加工的中，必须综合考虑以上因素。

第二节

超精密机床及其关键部件

一、典型超精密机床

超精密加工对机床的基本要求：

⑴ 高精度 ⑵ 高刚度 ⑶ 高稳定性 ⑷ 高自动化

大型光学金刚石车床 ——LODTM

FG-001超精密机床

OAGM 2500大型超精密机床

AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床

二、超精密机床的主轴部件

主轴部件是保证超精密机床加工精度的核心。超精密加工对主轴的要求是极高的回转精度，转动平稳，无振动。

液体静压轴承主轴

空气静压轴承主轴

⑴ 双半球空气轴承主轴

⑵ 径向—推力空气静压轴承主轴

⑶ 球形—径向空气轴承主轴

⑷ 立式空气轴承主轴

主轴的驱动方式

⑴ 柔性联轴器驱动

⑵ 内装式同轴电动机驱动

超精密机床主轴和轴承的材料

应考虑以下主要因素：① 耐磨损；② 不易生锈腐蚀；③ 热膨胀系数小；④ 材料的稳定性好。

制造空气主轴和轴承的材料主要有： ① 经表面氮化和低温稳定处理的38CrMoAl氮化钢；

② 不锈钢；

③ 多孔石墨和轴承钢。

另外还有铟钢、花岗岩、微晶玻璃和陶瓷等。

三、精密导轨部件

超精密机床的总体布局

T形布局

十字形布局

R-θ 布局

立式结构布局

常用的导轨部件 ⑴ 液体静压导轨

花岗岩静压导轨

⑵ 空气静压导轨和气浮导轨

空气静压导轨

气浮导轨

床身及导轨的材料

常用的床身及导轨材料有优质耐磨铸铁、花岗岩、人造花岗岩等。

微量进给装置

超精密机床的进给系统—般采用精密滚珠丝杠副、液体静压和空气静压丝杠副。

高精度微量进给装置则有电致伸缩式、弹性变形式、机械传动或液压传动式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式等。

目前高精度微量进给装置的分辨力可达到0.001~0.01μm。

精密和超精密微位移机构应满足以下设计要求：

① 精微进给和粗进给分开。

② 运动部分必须是低摩擦和高稳定度的。

③ 末级传动元件必须有很高的刚度。

④ 内部连接必须可靠，尽量采用整体结构或刚性连接。

⑤ 工艺性好，容易制造。

⑥ 具有好的动特性。

⑦ 能实现微进给的自动控制。

⑴ 压电和电致伸缩微进给装置

⑵ 摩擦驱动装置

⑶ 机械结构弹性变形微量进给装置

第五节

金刚石刀具的结构

衡量金刚石刀具质量的标准：

① 能否加工出高质量的超光滑表面；

② 能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐。设计金刚石刀具时最主要问题有三个： ① 确定切削部分的几何形状；

② 选择合适的晶面作为刀具的前后面；

③ 确定金刚石在刀具上的固定方法和刀具结构。

一、金刚石刀具切削部分的几何形状

⑴ 刀头形式

金刚石刀具刀头一般采用在主切削刃和副切削刃之间加过渡刃。国内多采用直线修光刃，国外标准的金刚石刀具，推荐的修光刃圆弧半径R=0.5~3mm。

金刚石刀具的主偏角一般为30˚~90˚，以45˚主偏角应用最为广泛。

⑵ 前角和后角

根据加工材料不同，金刚石刀具的前角可取0˚~5˚，后角一般可取5˚~6˚。

美国EI Contour精密刀具公司的标准金刚石车刀结构如上图所示。该车刀采用圆弧修光刃，修光刃圆弧半径R=0.5~1.5mm。后角采用10˚，刀具前角可根据加工材料由用户选定。

一种可用于车削铝合金、铜、黄铜的通用金刚石车刀结构如右图所示。可获得粗糙度Ra < 0.02~ 0.005μm的表面。

二、选择合适的晶面作为金刚石刀具前、后面

三、金刚石刀具上的金刚石固定方法 ⑴ 机械夹固

⑵ 用粉末冶金法固定 ⑶ 使用粘结或钎焊固定

国内外的金刚石刀具使用者一般都不自己磨刀；

Sumitomo公司推出一次性使用不重磨的精密金刚石刀具。

第三章

精密与超精密磨料加工

黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，主要是应用精密和超精密磨料加工。

所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。

精密和超精密磨料加工可分为固结磨料和游离磨料加工两大类。

第一节

精密磨削

精密磨削是指加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度为Ra0.2~0.025μm的磨削方法。

一、精密磨削机理

靠砂轮的具有微刃性和等高性的磨粒实现的。⑴ 微刃的微切削作用

⑵ 微刃的等高切削作用

⑶ 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用

二、磨削用量

三、精密磨削砂轮

1．砂轮磨料

精密磨削时所用砂轮的磨料以易于产生和保持微刃及其等高性为原则。

钢件及铸铁件，以采用刚玉磨料为宜。碳化硅磨料主要应用于有色金属加工。

2．砂轮粒度

粗粒度的微切削作用；细粒度的摩擦抛光作用。

3．砂轮结合剂

超精密加工用金属类、陶瓷类结合剂

四、精密磨削中的砂轮修整

有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等。

修整用量有：修整导程、修整深度、修整次数和光修次数。

五、超精密磨削

超精密磨削是指加工精度达到或高于0.1μm、表面粗糙度低于Ra0.025μm的砂轮磨削方法，适宜于对钢、铁材料及陶瓷、玻璃等硬脆材料的加工。

镜面磨削是属于精密磨削和超精密磨削范畴的加工，是指加工表面粗糙度达到Ra0.02~0.01μm、表面光泽如镜的磨削方法。

影响超精密磨削的因素有：超精密磨削机理、被加工材料、砂轮及其修整、超精密磨床、工件的定位夹紧、检测及误差补偿、工作环境、操作水平等。超精密磨削需要—个高稳定性的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性的要求，并有较强的抗击来自系统内外的各种干扰的能力。

1．超精密磨削机理

单颗粒磨削的切入模型如图所示。说明：

① 可视为一弹性系统

②平面磨削的切屑形状如图所示

③ 磨削过程分为弹性区、塑性区、切削区、塑性区，最后为弹性区

④ 存在微切削作用、塑性流动、弹性破坏作用和滑擦作用

磨削状态与磨削系统的刚度密切相关。2．超精密磨削工艺

超精密磨削的砂轮选择、砂轮修整、磨削液选择等问题与精密磨削和超硬磨料砂轮磨削有关问题类同。

超精密磨削的磨削用量。

六、超硬磨料砂轮磨削

超硬磨料砂轮磨削主要是指用金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮加工硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等高硬度、高脆性材料。其突出特点为： ① 磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。② 磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。③ 磨削效率高。④ 加工成本低。

1．超硬磨料砂轮磨削工艺

⑴ 磨削用量 ⑵ 磨削液：要求磨削液有良好的润滑性、冷却性、清洗性和渗透性。

2．超硬磨料砂轮修整

修整是整形和修锐的总称。

整形是使砂轮具有—定精度要求的几何形状； 修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒突出结合剂一定高度，形成良好的切削刃和足够的容屑空间。

超硬磨料砂轮修整的方法：① 车削法；② 磨削法；③ 滚压挤轧法；④ 喷射法；⑤ 电加工法；⑥ 超声波振动修整法。

第二节

精密研磨与抛光

一、研磨加工机理

精密研磨属于游离磨粒切削加工，是在刚性研具上注入磨料，在—定压力下，通过研具与工件的相对运动，借助磨粒的微切削作用，除去微量的工件材料，以达到高级几何精度和优良表面粗糙度的加工方法。

1．硬脆材料的研磨

硬脆材料研磨的加工模型如图所示。

研磨磨粒为1μm的氧化铝和碳化硅等。

2．金属材料的研磨

金属材料研磨相当于普通切削和磨削的切削深度极小时的状态。

二、抛光加工机理

抛光是指用低速旋转的软质弹性或粘弹性材料抛光盘，或高速旋转的低弹性材料抛光盘，加抛光剂，具有一定研磨性质地获得光滑表面的加工方法。

抛光使用的磨粒是1μm以下的微细磨粒。

抛光加工模型如图3-9所示。

抛光加工是磨粒的微小塑性切削作用和加工液的化学性溶析作用的结合。

三、精密研磨、抛光的主要工艺因素

精密研磨抛光的主要工艺因素如表3-5所示。

在一定的范围内，增加研磨压力可提高研磨效率。

超精密研磨对研磨运动轨迹有以下基本要求： ① 工件相对研磨盘作平面平行运动，使工件上各点具有相同或相近的研磨行程。

② 工件上任一点不出现运动轨迹的周期性重复。

③ 避免曲率过大的运动转角，保证研磨运动平稳。

④ 保证工件走遍整个研磨盘表面，以使研磨盘磨损均匀，进而保证工件表面的平面度。

⑤ 及时变换工件的运动方向，以减小表面粗糙度值并保证表面均匀一致。

四、研磨盘与抛光盘

1．研磨盘

研磨盘是涂敷或嵌入磨料的载体。

研磨对研磨盘加工面的几何精度要求很高。

研磨盘材料硬度要低于工件材料硬度，且组织均匀致密、无杂质、无异物、无裂纹和无缺陷，并有一定的磨料嵌入性和浸含性。

常用的研磨盘材料有铸铁、黄铜、玻璃等。

研磨盘的结构要具有良好的刚性、精度保持性、耐磨性、排屑性和散热性。为了获得良好的研磨表面，常在研磨盘面上开槽。开槽的目的为：

① 存储多余的磨粒；

② 作为向工件供给磨粒的通道；

③ 作为及时排屑的通道。

固着磨料研磨盘是一种适用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨的研具，具有表面精度保持性好、研磨效率高的优点。

2．抛光盘

抛光盘平面精度及其精度保持性是实现高精度平面抛光的关键。

五、研磨剂与抛光剂

对研磨用磨粒的基本要求： ① 形状、尺寸均匀一致；

② 能适当地破碎，以使切削刃锋利； ③ 熔点高于工件熔点； ④ 在研磨液中容易分散。

对于抛光粉用磨粒，除上述要求外，还要考虑与工件材料作用的化学活性。

研磨抛光加工液主要作用是冷却、润滑、均布研磨盘表面磨粒及排屑。对研磨抛光液的要求： ① 有效地散热，以防止研磨盘和工件热变形； ② 粘附低，以保证磨料的流动性； ③ 不污染工件；

④ 物理、化学性能稳定，不分解变质； ⑤ 能较好地分散磨粒。

六、非接触抛光

非接触抛光是指在抛光中工件与抛光盘互不接触，依靠抛光剂冲击工件表面，以获得加工表面完美结晶性和精确形状的抛光方法，其去除量仅为几个到十几个原子级。

1．弹性发射加工

弹性发射加工是指加工时研具与工件互不接触，通过微粒子冲击工件表面，对物质的原子结合产生弹性破坏，以原子级的加工单位去除工件材料，从而获得无损伤的加工表面。

弹性发射加工原理

弹性发射加工方法如图所示

对加工头和工作台实施数控，可实现曲面加工。EEM的数控加工装置如图3-11所示。

2．浮动抛光

浮动抛光装置如图所示 抛光机理

超精密抛光盘的制作是实现浮动抛光加工的关键。

3．动压浮离抛光 动压浮离抛光平面非接触抛光装置如图所示

工作原理

加工过程中无摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化

该方法主要用于半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学玻璃平晶的抛光，可同时进行多片加工。4．非接触化学抛光

通过向抛光盘面供给化学抛光液，使其与被加工面作相对滑动，用抛光盘面来去除被加工件面上产生的化学反应生成物。这种以化学腐蚀作用为主，机械作用为辅的加工，又称为化学机械抛光。水面滑行抛光借助于流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光。

5．切断、开槽及端面抛光 采用非接触端面抛光可实现对沟槽的壁面、垂直柱状轴断面进行镜面加工。

端面非接触镜面抛光装置示意图如图所示。

该方法可用于直径0.1mm左右的光导纤维线路零件的端面镜面抛光以及精密元件的切断。

第五篇：特种加工技术论文

特种加工技术概论

摘要：特种加工技术是直接借助电能、热能等各种能量进行材料加工的重要工艺方法。本文简介了电火花加工，电化学加工，超声波加工等各种不同的特种加工技术，并介绍了特种加工技术的特点及未来发展方向趋势。

关键词：特种加工 电火花加工 电化学加工 离子束加工 超声波加工 快速成形

一.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。

二.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。

三.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、电化学加工、离子束加工、超声加工、磨料水射流切割技术和液中放电成形加工。1.电火花加工

电火花加工的原理是基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸形状及表面质量预定的加工要求。按

工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工工艺大致可分为电火花成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花放电沉积与刻字六大类。

1.1 电火花放电沉积的基本原理与特点

电火花放电沉积的原理是利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料(硬质合金、石墨、合金钢、铝和铜等)作为工具电极(阳极)，在空气或特殊的气体中使之与被强化的金属工件(阴极)之间产生火花放电。当工具电极与工件达到某个距离电场强度足以使介质电离击穿时两者之间就产生火花放电，使电极端部与工件表面微区发生熔化甚至气化，熔融金属在热作用，电磁力和机械力的作用下沉积在工件表面。电极与工件的放电间隙频繁发生变化，电极与工件间不断发生火花放电，从而实现放电沉积。1.2 极性效应

在电火花放电加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。因此，当采用窄脉冲、精加工时应选用正极性加工；当采用长脉冲、粗加工时，应采用负极性加工，此时可得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。从提高加工生产率和减小工具损耗的角度来看，极性效应愈显著愈好，故在电火花加工中必须充分利用。当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了工具的损耗，因此，电火花加工一般采用单向脉冲电源。1.3 电火花加工中电极损耗分析与解决措施

电火花在整个加工过程中要受到各种干扰因素的影响, 这些干扰因素直接或间接地影响着加工质量。在电火花加工过程中电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。造成电极损耗的原因有：小面积精加工，加工件结构尺寸偏小，加工时间过长，电极装夹不当等因素。因此为了减少电极的损耗一般有以下方法：（1）有效排除电蚀物（2）电极材料和加工参数的合理选用（3）提高加工技能和安全操作意念等等。电火花加工电极损耗和变形是一个复杂的过程。为了降低电极损耗程度, 减少变形, 除了充分利用放电过程的极性效应和吸附效应外, 同时也要选用适宜的电极材料, 并且在实际的加工过程中要根据具体的加工对象实施一定的加工技巧和选择合适的加工参数。

1.4 电火花加工的发展趋势

电火花线切割加工技术在相当长的时间里间都是采用精规准参数进行一次切割成型,其切割速度与加工表面质量之间存在着一定的矛盾。中国特有的高速走丝电火花线切割机长期存在的加工质量问题, 可以采用多次切割工艺来解决。现目前中速走丝电火花线切割机是一种价格较低, 加工精度、粗糙度、加工效率介于高速走丝与慢走丝的一种机床,具有很好的发展前景。2.电化学加工

电化学加工是利用电化学反应（或称电化学腐蚀）对金属材料进行加工的

方法。与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。近期,电化学加工工艺技术研究涉及的方向主要集中在超纯水电解加工、微细加工、加工间隙的检测与控制、数字化设计与制造技术等重点领域。

2.1 电解加工的优缺点

（1）加工范围广不受金属材料本身力学性能的限制（2）电解加工的生产效率高（3）可以达到较好的表面粗糙度（4）加工过程中阴极工具在理论上不会损耗（5）加工过程中没有切削力可以不会产生残余应力和变形。但是任何一种加工方式都有它的弊端，在电化学加工过程中也有缺点和其局限性：（1）不易达到较高的加工精度和加工稳定性（2）电极工具的设计和修正比较麻烦（3）电极加工的附属设备较多。（4）电解产物需要进行妥善的处理，否则将污染环境。

2.2 未来展望

近阶段,电解加工的研究重点及应用领域主要会集中在以下几个方向:(1)电化学微精加工的深入研究电化学加工技术具有加工机理的独特优势以及在微精甚至在纳米加工领域进一步研究探索的空间,但还必须在自身工艺规律认识和完善的基础上不断创新。具体应关注: ①进一步完善硬件系统,如微进给系统及微控工作台的性能及可靠性的提升;加工过程自动检测与适应控制研发的深化;②微精加工机理的研究，尤其是中、高频率脉冲电流条件下,微精加工电化学反应系统动力学等方面的深入研究。(2)脉冲电源的深化研发微秒级脉冲电源的工程化完善以及在工业领域的大力推广应用。纳秒级脉冲电源、群脉冲电源、逆变式脉冲电源的性能完善。(3)理论成果向实际应用的转化。诸如加工间隙的检测与控制、阴极数字化设计、电解加工过程的模拟与仿真等均是电化学加工的关键技术,不能仅仅在各种基金支持下获得理论成果即束之高阁,而应尽快由实验室向工业生产现场转移。

3.离子束加工

聚焦离子束技术是一种集形貌观测、定位制样、成分分析、薄膜淀积和无掩膜刻蚀各过程于一身的新型微纳加工技术。离子束纳米加工,具有传统加工方法无可比拟的优势而逐渐成为新一代精加工方法，在微纳米加工、操纵以及器件的研制等方面具有重要应用。纳米测量学在纳米科技中起着信息采集和分析的不可替代的重要作用,纳米加工是纳米尺度制造业的核心,发展纳米测量学和纳米加工的一个重要方法就是电子束与离子束技术。4.超声波加工

超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。其加工原理是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，换能器将超声

频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型。超声加工的主要特点：不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。4.1 高效超声波光整技术原理

高效超声波光整技术是利用超声波振动冷压加工原理。它是将一台高效超声波表面光整设备装于车床刀架上，利用工件的回转，磨头对零件表面作高频率短促的往复振动冲击运动，以一定的冲击力敲击被加工表面的加工方法。其冷压加工是充分利用金属的塑性，使零件的表面层金属在外力作用下产生细微塑性残余变形，从而达到改变其表面性能，形状和尺寸的目的。5.快速成形

快速成形技术的基本原理是基于“离散—堆积”的成形方法, 借助三维CAD 软件, 或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息, 从而获得目标原型的概念并以此建立数字化描述CAD 模型, 之后经过一定的转换或修改, 将三维虚拟实体表面转换为用一系列三角面片逼近的表面, 生成面片文件, 再按虚拟三维实体某一方向将CAD 模型离散化, 分解成具有一定厚度的层片文件, 由三维轮廓转换为近似的二维轮廓, 然后根据不同的快速成形工艺对文件进行处理, 对层片文件进行检验或修正并生成正确的数控加工代码, 通过专用的CAM 系统控制材料有规律地、精确地叠加起来(堆积)而成一个三维实体制件,快速成形技术的成形方法多达十余种,目前应用较多的有立体光固化法，选择性激光烧结、分层实体制造、熔积成形等。这些工艺方法都是在材料叠加成形的原理基础上,结合材料的物理化学特性和先进的工艺方法而形成的,它与其他学科的发展密切相关。5.1 快速成形技术特点:(1)制造快速(2)技术高度密集(3)自由成形制造(4)制造过程高柔度性(5)可选材料的广泛性(6)广泛的应用领域(7)突出的技术经济效益 5.2 快速成形制造技术的发展趋势

最近随着新材料技术、新工艺及信息网络化等方面的进步，许多新快速成型制造技术不断涌现并应用在各领域，主要出现在快速模具，纳米制造、仿生制造和集成制造等领域。6.磨料水射流切割技术

随着我国经济的迅猛发展,各行各业对切割技术的需求越来越大,对切割质量的要求也越来越高。水射流都已成为新型的切割加工方法之一。水射流切割分为纯水射流切割和磨料水射流切割两种。纯水射流切割是以纯水作为能量载

体, 其结构简单,喷嘴磨损慢, 但切割能力差。磨料水射流切割以水和磨料的混合液作为能量载体, 切割能力强,能切割几乎所有的材料,其卓越的应用效果越来越被人们

7.液中放电成形加工

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。四.特种加工的发展趋势

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。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,使加工设备向自动化、柔性化方向发展, 这是当前特种加工技术的主要发展方向。2)趋向精密化研究。高新技术的发展促使高新技术产品向超精密化与小型化方向发展, 对产品零件的精度与表面粗糙度提出更严格的要求。为适应这一发展趋势, 特种加工的精密化研究已引起人们的高度重视, 3)开发新工艺方法及复合工艺。为适应产品的高技术性能要求与新型材料的加工要求, 需要不断开发新工艺方法, 包括微细加工和复合加工, 尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工, 如工程陶瓷、复合材料以及聚晶金刚石等。五.结束语

特种加工技术涵盖了机械、材料等技术,是一门综合的科学加工技术其发展异常迅速。加工尺度的微细化,加工方法的复合化和加工过程的自动化,已成为特种加工技术研究发展的热点。随着科学技术的飞速发展, 特种加工必将不断完善和迅速发展, 特种加工必将成为推动科学技术和现代制造工业发展的中坚力量。参考文献: [ 1 ] 孔庆华.特种加工[M ].上海:同济大学出版社, 2003.[ 2 ] 赵万生.特种加工技术[M ].北京:高等教育出版社, 2001.[ 3 ] 曹凤国.超声加工技术[ M].北京: 化学工业出版社, 2005 [ 4 ] 张辽远.现代加工技术[ M].北京: 机械工业出版社, 2002 [ 5 ] 陈晓华.快速成形技术[ J ].电气制造, 2006(3).[ 6 ] 华林, 王华昌.激光切割和水切割技术[J ].机械制造, 1996(2).[ 7 ] 薛胜雄, 黄汪平.我国高压水射流设备的发展动向[J ].流体机械, 1999(1).