特種加工技術(shù)與裝備簡介

1、特種加工技術(shù)與裝備簡介1.特種加工 特種加工是指那些不屬于傳統(tǒng)加工工藝范疇的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用機械能切除多余材料的傳統(tǒng)加工方法。特種加工是近幾十年發(fā)展起來的新工藝,是對傳統(tǒng)加工工藝方法的重 要補充與發(fā)展,目前仍在繼續(xù)研究開發(fā)和改進。直接利用電能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能和電化學(xué)能，有時也結(jié)合機械能對工件進行的加工。特種加工中以采用電能為主的電火花加工和電解加工應(yīng)用較廣，泛稱電加工。特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”或“現(xiàn)代加工方法”，泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法，從而實現(xiàn)材料被去除、變形 、改變性能或被鍍覆等。20

2、世紀40年代發(fā)明的電火花加工開創(chuàng)了用軟工具、不靠機械力來加工硬工件的方法。50年代以后先后出現(xiàn)電子束加工、等離子弧加工和激光加工。這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進行加工。對于高硬度材料和復(fù)雜形狀、精密微細的特殊零件,特種加工有很大的適用性和發(fā)展?jié)摿?在模具、量具、刀具、儀器儀表、飛機、航天器和微電子元器件等制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用。2. 發(fā)展方向 特種加工的發(fā)展方向主要是：提高加工精度和表面質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和自動化程度，發(fā)展幾種方法聯(lián)合使用的復(fù)合加工，發(fā)展納米級的超精密加工等。3. 常見特種加工方法簡介 1電火花利用電火花加工原理加工導(dǎo)電材料的特種加工。又稱電蝕加工。

3、電火花加工主要用于加工各種高硬度的材料（如硬質(zhì)合金和淬火鋼等）和復(fù)雜形狀的模具、零件，以及切割、開槽和去除折斷在工件孔內(nèi)的工具（如鉆頭和絲錐）等。 電火花加工機床通常分為電火花成型機床、電火花線切割機床和電火花磨削機床，以及各種專門用途的電火花加工機床，如加工小孔、螺紋環(huán)規(guī)和異形孔紡絲板等的電火花加工機床。其加工特點有能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復(fù)雜形狀工件；加工時無切削力；不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；工具電極材料無須比工件材料硬；直接使用電能加工，便于實現(xiàn)自動；加工后表面產(chǎn)生變質(zhì)層，在某些應(yīng)用中須進一步去除；工作液的凈化和加工中產(chǎn)生的煙霧污染處理比較麻煩。電火花加工的主要用途是：加

4、工具有復(fù)雜形狀的型孔和型腔的模具和零件；加工各種硬、脆材料如硬質(zhì)合金和淬火鋼等；加工深細孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等；加工各種成形刀具、樣板和螺紋環(huán)規(guī)等工具和量具。2激光加工技術(shù) 激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)。激光加工作為先進制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。工作原理：激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化氣化而進行穿孔,切割和焊接等的特種加工。早期的激光加

5、工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對激光加工機理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進展，使用范圍隨之擴大。數(shù)千瓦的激光加工機已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計算機數(shù)字控制、工業(yè)機器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機的自動化水平和使用功能。從激光器輸出的高強度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點處的功率密度高達10(10(瓦/厘米(，溫度高達1萬攝氏度以上，任何材料都會瞬時熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對材料進行焊接、打孔

6、和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器和氣體激光器。3電子束加工技術(shù)： 電子束加工是利用高能量的會聚電子束的熱效應(yīng)或電離效應(yīng)對材料進行的加工。利用電子束的熱效應(yīng)可以對材料進行表面熱處理、焊接、刻蝕、鉆孔、熔煉，或直接使材料升華。電子束曝光則是一種利用電子束輻射效應(yīng)的加工方法（見電子束與離子束微細加工）。作為加熱工具，電子束的特點是功率高和功率密度大，能在瞬間把能量傳給工件，電子束的參數(shù)和位置可以精確和迅速地調(diào)節(jié)，能用計算機控制并在無污染的真空中進行加工。根據(jù)電子束功率密度和電子束與材料作用時間的不同，可以完成各種不同的加工。如： 電子束焊接：電子束功率密度達105106瓦/平方厘

7、米時，電子束轟擊處的材料即局部熔化；當電子束相對工件移動,熔化的金屬即不斷固化,利用這個現(xiàn)象可以進行材料的焊接。電子束焊具有深熔的特點，焊縫的深寬比可達20:1甚至50:1。這是因為當電子束功率密度較大時，電子束給予焊接區(qū)的功率遠大于從焊接區(qū)導(dǎo)走的功率。利用電子束焊的這一特點可實現(xiàn)多種特殊焊接方式。利用電子束幾乎可以焊接任何材料，包括難熔金屬(W、Mo、Ta、Nb)、活潑金屬（Be、Ti、Zr、U）、超合金和陶瓷等。此外，電子束焊接的焊縫位置精確可控、焊接質(zhì)量高、速度快，在核、航空、火箭、電子、汽車等工業(yè)中可用作精密焊接。在重工業(yè)中，電子束焊機的功率已達100千瓦，可平焊厚度為200毫米的不銹

8、鋼板。對大工件焊接時須采用大體積真空室，或在焊接處形成可移動的局部真空。電子束鉆孔：用聚焦方法得到很細的、功率密度為 106108瓦/厘米的電子束周期地轟擊材料表面的固定點，適當控制電子束轟擊時間和休止時間的比例，可使被轟擊處的材料迅速蒸發(fā)而避免周圍材料的熔化，這樣就可以實現(xiàn)電子束刻蝕、鉆孔或切割。同電子束焊接相比,電了束刻蝕、鉆孔、切割所用的電子束功率密度更大而作用時間較短。電子束可在厚度為0.16毫米的任何材料的薄片上鉆直徑為1至幾百微米的孔，能獲得很大的深度孔徑比，例如在厚度為 0.3毫米的寶石軸承上鉆直徑為25微米的孔。電子束還適合在薄片（例如燃氣輪機葉片）上高速大量地鉆孔。電子束熔煉

9、：電子束熔煉法發(fā)明于1907年，但直到50年代才用于熔煉難熔金屬，后來又用于熔煉活潑金屬（如Ti錠）和高級合金鋼。電子束加熱可使材料在真空中維持熔化狀態(tài)并保持很長時間，實現(xiàn)材料的去氣和雜質(zhì)的選擇性蒸發(fā)，可用來制備高純材料。電子束加熱是電能轉(zhuǎn)為熱能的有效方式之一，大約有50%功率用于熔化和維持液化。功率在60千瓦以下的電子束熔煉機可用直熱式鎢絲作為電子槍的陰極。60千瓦以上熔煉機的電子槍則用間熱式塊狀鉭陰極，它由背后的鎢絲所發(fā)射的電子轟擊加熱到 2700K，可有每平方厘米為幾安的發(fā)射電流密度。電子槍加速電壓約30千伏，這樣容易防止電擊穿和減弱 X射線輻射，電子束用磁聚焦和磁偏轉(zhuǎn)。電子槍和熔煉室用

10、不同的真空泵抽氣，真空度分別維持在10和10帕左右。80年代已生產(chǎn)出600千瓦級的電子槍。如需更大功率，可用幾支電子槍同時工作。利用電子束加熱可鑄造100噸的坯料。4等離子束及等離子體加工技術(shù)：表面功能涂層具有高硬度、耐磨、抗蝕功能，可顯著提高零件的壽命，在工業(yè)上具有廣泛用途。美國及歐洲國家目前多數(shù)用微波ECR等離子體源來制備各種功能涂層。等離子體熱噴涂技術(shù)已經(jīng)進入工程化應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用在航空、航天、船舶等領(lǐng)域的產(chǎn)品關(guān)鍵零部件耐磨涂層、封嚴涂層、熱障涂層和高溫防護層等方面。等離子體的分類有多種方法，但在工業(yè)上用的等離子體通常按溫度分類見表11，用的較多的是非平衡等離子體和熱能離子體中的低溫等離

11、子體。一般情況下，低溫?zé)岬入x子體比非平衡的等離子體的壓力高。實際上，也正是它們的工作壓力不同，使它們的作用機理發(fā)生了變化。低氣壓時，粒子間的碰撞頻率較低，主要作用是帶電粒子與被處理材料之間發(fā)生的物理過程。隨著壓力的增加，碰撞次數(shù)增加，化學(xué)過程開始充當主要角色。當壓力進一步增加達到1105Pa左右時，等離子體變得更象一個熱源，很多場合代替了燃燒。此時，離子與電子的溫度趨于大致接近，其密度比非平衡類型的等離子體要高。5超聲波加工技術(shù)：超聲波加工基本原理：在工件和工具間加入磨料懸浮液, 由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振蕩波, 經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成超聲機械振動, 使懸浮液中的磨粒不斷地撞擊加工表面, 把硬而脆的被加工材料局部破壞而撞擊下來。在工件表面瞬間正負交替的正壓沖擊波和負壓空化作用下強化了加工過程。因此,超聲波加工實質(zhì)上是磨料的機械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合結(jié)果。 在傳統(tǒng)超聲波加工的基礎(chǔ)上發(fā)展了旋轉(zhuǎn)超聲波加工, 即工具在不斷振動的同時還以一定的速度旋轉(zhuǎn), 這將迫使工具中的磨粒不斷地沖擊和劃擦工件表面, 把工件材料粉碎成很小的微粒去除, 以提高加工效率。 超聲波加工精度高, 速度快,