特种加工方法及应用综述

摘要：特种加工是不同于传统加工的加工技术，是为解决传统加工技术无法克服的困难而产生的加工技术。特种加工的产生和发展，引起了机械制造技术领域内的许多变革：提高了材料的可加工性；改变了零件的典型工艺路线；给产品零件的结构设计带来很大的影响；使得对传统结构工艺的好与坏不得不进行重新衡量。

关键词：激光电火花电化学超声表面质量

1 概述

自本世纪六十年代以来，随着科学技术的快速发展和生产发展的需要，很多工业部门的尖端科技产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，所使用的材料愈来愈难加工，零件形状愈来愈复杂，表面精度、粗糙度和某些特殊要求也愈来愈高。使用传统的加工技术已经难以实现，因此在生产中便出现了一些特种加工方法。如电火花加工、电化学加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、等离子弧加工、超声加工和化学加工等。它们的共同特点是不是主要依靠机械能，而且工具硬度可以低于被加工材料的硬度。正因为有这些优点，所以就整体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件，同时有些加工还可以用于进行超精加工、镜面光整加工和纳米级（原子级）加工。由于我国起步较晚，且原有的工业基础薄弱，因此特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平还有不少差距。

2 激光加工

激光加工是一种崭新的加工方法。激光加工具有诸多优点，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，所以自六十年代初发展以来，已经在生产实践中得到了愈来愈普遍的应用。激光之所以能被用来进行加工，是因为与普通光相比具有很多优良的特性。如激光和电波具有相干性、单色性好、方向性和聚焦性好等特点。作为一种特种加工技术，激光加工主要用于焊接、切割、表面处理、打孔和钎焊等方面。由于激光能够聚集到与电子束同样的能量，提高能量密度，因此在焊接时能提高焊接速度和焊缝的深宽比。且由于焊缝很窄，故能减小变形。激光焊的有力竞争者是电子束焊，但是相对于电子束来说，激光焊很大优点就是完全不需要真空室；缺点是合适的焊接速度范围比电子束焊窄，且速度较慢。激光焊是在大气中进行的，必须使用惰性气体保护焊接区，以防止焊缝金属氧化和氮化。而保护气体对激光焊的熔深有很大的影响。当然不同的保护气体对不同材料效果都是不一样的。如对不锈钢进行焊接时，使用单一气体比使用混合气体时的熔深要大。在使用混合气体时，在二氧化碳或氮气中加氧气时能够增大熔深，而在氦气中加氧气时几乎看不出这样的效果。激光切割是材料激光加工中采用最广一种工艺，它可以切割塑料、木材、纸张、橡胶、皮革、纤维以及复合材料、金属等。影响切割质量的因素有：激光振荡模式、透镜焦点位置、辅助气体种类及其压力以及切割速度等。如辅助气体，切割低碳钢使用氧气；低合金钢用氧气和二氧化碳等气体；木材使用氮气；陶瓷和丙烯塑料使用空气、氧气或氮气；玻璃使用氧气等。气体压力为1.5~4atm，在不粘附熔渣的原则下压力低为好。当用恒定功率的激光进行切割时，切割速度选择有一定的范围，过高和过低都是不行的。通过实验模拟激光加工过程，并使用仪器进行监测影响激光加工的因素，进而可以通过调节这些因素来提高加工的质量。激光表面处理包括表面硬化（淬火）、表面均匀化、表面合金化、表面包覆以及表面重熔等。这些处理的目的都是通过对母才表面进行热处理，或在母才表面涂覆金属或陶瓷粉末，使零件内部保持母才原有的韧性，而其表面具有与母才不同的性能，既提高了表层的硬度、耐磨性、耐蚀性或耐热性。

激光打孔是激光加工技术之一，它可以对几乎所有的材料进行打孔；用传统的机械打孔时工具必须接触被加工材料，材料硬时工具磨损严重，而激光打孔是非接触式加工，不存在工具磨损问题，并可以在大气或保护气体中进行；激光打孔使用激光作热源，其能量密度大，瞬间即可打出孔来，打孔周期极短；激光打孔的孔径范围很大，从小孔到很大的孔都能加工；用机械法打斜孔时，如果工具在材料上滑动就无法进行，而激光打孔时，即使孔的斜度很大也能轻易处孔。近年来，激光硬钎焊和软钎焊作为激光技术的新用途而迅速被推广。激光钎焊的加热时间可短到瞬息程度，其加热区可以局限在所需之处，并且热量输入可以通过激光束直径、功率及照射时间简便可靠地进行控制。

3 超声加工

超声加工也称超声波加工，不仅可以加工硬质合金、淬火钢等硬脆性金属材料，而且还可以加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料，同时还可以用于清洗、焊接和探伤等。它的原理是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮来加工材料。超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果。超声加工的特点有：

①适合于各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、宝石和金刚石等；

②由于工具可用较软的材料做成复杂的形状，故不需要使工具和工件做比较复杂的相对运动，因此超声加工机床结构简单；

③由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力、切削应力、切削热都很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，而且还可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

超声加工的精度，除受机床、夹具精度影响外，主要与磨粒粒度、工具精度及其磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质等有关。超声加工的表面粗糙度取决于每粒磨粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨粒颗粒的直径，被加工材料的性质，超声振动的振幅以及磨粒悬浮液的成分等有关。当磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅较小时，加工表面粗糙度将得到改善，但生产率将随之下降。

4电火花加工

电火花加工又称放电加工，原理是基于工具和工件（正、负电极）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。每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程大致可分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。电火花加工的主要优点：

①适合于难切削材料的加工。

②可以加工特殊及复杂形状的零件。

同时它也有许多局限性：

①主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可加工半导体和非导体材料。

②一般加工速度较慢。

③存在电极损耗。

但由于电火花加工具有许多传统切削加工无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大。按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，大致可分为电火花穿成型孔加工、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、电火花表面强化于刻字六大类。影响加工精度的因素和通常的机械加工一样，机床本身的各种误差，以及工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到加工精度，另外放电间隙的大小及其一致性、工具电极损耗及其稳定性也是影响加工精度的主要因素。所以在电火花加工过程中要想办法降低工具电极的相对消耗。

电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种新的工艺形式，其基本原理是利用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：一类是高速走丝电火花切割机床，这是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝电火花切割机床。电火花线切割加工过程的工艺和机理，与电火花成形加工有很多共性。

5电化学加工

电化学加工也是一种应用广泛的特种加工。主要包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。电解加工是在电解抛光的基础上发展起来的，利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件加工成形与其他加工方法相比有很多突出的特点：

①加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制，并可加工叶片、锻模等复杂形面。

②电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5~10倍，在某些情况下，比切削的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的影响。

③可以达到较好的表面粗糙度(Ra1.25~0.2μm)和±0.1mm左右的平均加工精度。

④由于加工过程中不存在机械切削力，所以不会产生由切削力所引起的残余应力和变形，没有飞边毛刺。

⑤加工过程中阴极工具在理论上不会耗损，可长期使用。

电解加工业有许多弱点和局限性：

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电解加工的附属设备较多，占地面积较多，造价较高。

④电解产物需进行妥善处理，否则污染环境。

除了上述的几种常规的特种加工外，还有一些新的特种加工技术正在迅速发展，如：化学加工、等离子体加工、磨料喷射加工、水射流切割等。随着科学技术的发展和生产要求的提高，越来越多的特种加工技术将会受到普遍重视和广泛应用。

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