特種加工技術及其應用研究

吉云亮　張瑞東

摘要：本文簡述了特種加工技術的概念、分類，重點闡述了其領域的實際應用與研究發展方向。

關鍵詞：特種加工；特點；應用；研究方向

1特種加工涵義

特種加工是相對傳統切削加工而言，本質上是直接或復合利用電能、電化學能、化學能、光能、物質動能等對工件進行加工的工藝方法總稱。目前常用的有電火花加工、超聲波加工、激光加工，除此之外還有電化學加工、電子束加工等。它與傳統切削加工相比具有：加工過程不再主要依靠機械能，而是直接或復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，有時甚至無需使用工具即可完成對工件的加工；加工過程工具與工件間不存在顯著的機械切削力；加工方法日新月異等特點。

2 特種加工分類、方法及應用

電火花成形（穿孔）加工：該法可加工任何導電材料。它是利用火花放電腐蝕金屬原理，用工具電極（純銅或石墨）對工件進行復制加工的工藝方法，可用于加工型腔模（鍛模、壓鑄模、注塑模等）和型腔零件；加工沖模、粉末冶金模、擠壓模、型孔零件、小異型孔、小深孔等。其中最為典型的應用是在YG8(硬質合金)工件上，加工一個直徑1mm深80mm的孔，只需12分鐘；電火花雙軸回轉展成法加工凹凸球面、球頭；電火花共軛同步回轉可加工精密螺紋、齒輪等復雜表面；目前已能加工出0.005mm的短微細軸和0.008mm的淺微細孔，以及直徑小于1mm的齒輪。

電火花線切割加工：它是利用移動的細金屬絲（銅絲或鉬絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電腐蝕，實現切割成形的加工方法。它同樣可以加工任何導電材料；加工各種形狀的沖模、切割電火花成形加工用的電極、切割零件等。典型的應用例如：試制切割特殊微電機硅鋼片定轉子鐵心芯；切割斜度錐面、上下異形面工件；工件傾斜數控回轉切割加工雙曲面零件；數控三軸聯動加分度切割加工扭轉四方錐臺。

超聲波加工：它是利用加工工具的超聲頻振動，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種成形方法。超聲波加工的尺寸精度可達0.05～0.01mm，表面粗糟度Ra值可達0.8～0.1μm，它適宜加工任何脆硬材料，可加工各種孔和型腔，也可進行套料、切割、開槽和雕刻等。由于超聲波加工的生產效率比電火花加工低，而加工精度和表面粗糟度相對較好，所以常用于對工件的拋磨和光整加工。

激光加工：是利用經過透鏡聚焦的能量密度極高的激光焦點（高溫和沖擊波），使工件材料被熔化或蒸發去除的加工方法。合理選用激光參數，可實現激光切割、打孔、焊接，激光打標、激光表面處理，還可用于電子元器件的封裝等。激光加工的尺寸精度可達0.01～0.001mm，表面粗糟度Ra值可達0.4～0.1μm，無需使用工具，加工速度極高，適于任何材料，特別適于深徑比大的（深徑比50～100）小孔和微孔（孔徑φ0.01～0.1）。激光表面處理是結合高功率激光技術及粉末冶金技術，對工件進行表面加工處理，從而改變工件表面組織結構、成分及特性，提高其物理性能，使其恢復或超過原技術性能和應用價值的工藝技術，具有較高的實用價值。激光法（應用激光）還是制造納米材料的重要手段。

電化學加工：該法包括從工件去除金屬的陽極電解蝕除加工和向工件上沉積金屬的陰極電鍍沉積加工兩大類。它可以加工復雜成型模具和零件，例如汽車、拖拉機連桿等各種型腔鍛模，航空、航天發動機的扭曲葉片等。電鍍、電鑄可以復制復雜、精細的表面。刷鍍可修復磨損的零件，改變原表面的物理性能，有很大實用價值。

電子束加工：是利用高速電子沖擊動能加工金屬的。其原理是在真空條件下，用電流加熱陰極發射電子束，再用靜電使電子束加速至光速的一半左右，通過電磁透鏡聚焦，使電子束以極高的速度轟擊在工件表面的微小面積上。電子束大部分能量都變成了熱能，能量密度高達109W/cm2，被轟擊表面將瞬時熔化和氣化，從而去除局部材料，達到加工目的。電子束加工適于任何材料，控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，便可實現打孔、切割等加工目的。典型應用例如：用于專用塑料打孔機，將電子槍發射的片狀電子束分成數百條小電子束同時打孔，其速度可達每秒50000孔，孔徑0.04～0.12mm可調；用于加工人造纖維噴絲頭的異型孔，出絲口的窄縫寬度為0.03～0.07mm，長度約為0.8mm,噴絲板厚度為0.6mm；用于焊接銅和不銹鋼、鋼和硬質合金、鉻、鎳和鉬等異種不相親和的金屬。

離子束加工：該法原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產生的離子束經過加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是離子帶正電荷，其質量比電子大數千、數萬倍。離子束加工適于任何材料，用不同的加速電壓，可獲得不同能量的離子束。若改變離子束相對于工件表面的入射方向，就可實現離子注入、離子切削、濺射鍍覆等離子束加工。

等離子弧加工：它是利用電弧放電使氣體電離成過熱的等離子高溫氣體流束，靠局部熔化和氣化來去除材料的。等離子體是指正負帶電粒子數量大體相等的高溫氣體，它能受電磁場的約束。等離子體加工可通過控制高溫等離子流，實現切割、熔化、焊接、噴鍍以及粉末制造和材料精煉等。

水射流切割：該種類又稱液體噴射加工，是利用（從孔徑為0.1～0.5mm的人造藍寶石噴嘴噴出的）高壓（70～400Mpa）高速(300～900m/s)的噴射水流對工件的沖擊作用來去除材料的，有時也稱水切割或俗稱水刀。水射流切割主要用于加工很薄很軟的金屬和非金屬材料，包括銅、鋁、鉛等材料及其制品，可代替硬質合金切槽刀具，而且切邊的質量很好。例如：汽車制造業中用于切割石棉剎車片等；還可切割19mm 厚的吸音天花板、10 mm厚的有機玻璃；

化學加工：它是利用酸、堿、鹽等化學溶液與金屬產生化學反應，使金屬腐蝕溶解，改變工件尺寸和形狀（甚至表面性能）的加工方法。其屬于成形加工的化學加工法主要有化學銑切（化學蝕刻）、照相制版和光刻。

快速成型技術：該技術通過計算機輔助設計（CAD）或者三維數字測量儀，將所需要的零件轉化為計算機內的電子模型，利用計算機，根據用分層軟件獲得的零件的CAD模型某一截面的幾何信息，選擇性地固化、粘結或熔結特定材料（粉末、層片、熔絲等）某一區域，從而變為一個構成零件實體的水平方向層面，后續的材料與已固化層黏結，逐漸堆積成一個三維實體--零件。目前具有代表性的快速成型工藝有：光敏樹脂液相固化成型、選擇性粉末燒結成型、薄片分層疊加成型和熔絲堆積成型。該技術主要用于模型制造，模具加工以及單件小批量復雜零件制作。

電磁成形加工：它是利用磁場力使金屬坯料變形的高效率成形方法。因為在成型過程中載荷是以脈沖的方式作用于毛坯的，因此又稱為磁脈沖成形。電磁成型可廣泛應用于管材的脹形、縮徑、沖孔、翻邊和連接；板材沖裁、壓印和成型；組裝件的裝配；粉末壓實；電磁鉚接及放射性物質的封存等，對一些特殊零件是優先選用的方法。

液中放電成形加工：它是利用液電效應對金屬進行沖壓成形的工藝方法。當高壓脈沖放電在液體中發生時，液體內會產生強烈的爆炸，其沖擊壓力可達102～104M Pa，這就是所謂的液電效應，也叫電水錘效應。該法具有成形速度高，可用于高強高硬的金屬材料；工件回彈小，加工精度高；能同時完成拉伸、沖孔、剪切、壓印、翻邊等多種工序等優點。該法適合形狀復雜及高強高硬金屬工件的沖壓成形。液電沖壓成形法在國外的機械加工行業中已有應用，并已有這種成形設備的系列產品面世。

爆炸加工：它是以炸藥（火藥或可燃氣體）為能源把金屬毛坯加工成型或焊接在一起的加工工藝。爆炸加工過程是炸藥化學能轉化為機械能的過程。由于炸藥爆炸是快速過程，與常規加工方法(液壓、沖壓)相比，爆炸加工具有壓力大、變形速度快、加工時間短、功率大等特點。例如，把直徑一米的毛坯加工成為封頭，用水壓機生產時，作用于毛坯的平均壓力為幾十個大氣壓 （1大氣壓＝101325帕），成型時間為十幾秒；而在爆炸成型時，作用于毛坯的平均壓力為幾千個大氣壓，成型時間約為 1/100秒。爆炸加工應用范圍較廣，主要有爆炸成形、爆炸焊接、爆炸硬化、高速（爆炸）模鍛等幾個方面。

參考文獻

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