精密与特种加工技术的发展

精密与特种加工技术的发展

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、经济可承受性好的要求。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。

一、精密和特种加工的分类

特种加工的分类目前还没有明确的规定, 一般按能量来源, 作用形式和加工原理可分为电火花加工、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、化学加工、快速成型等

1.电火花加工

又称作电蚀加工或放电加工，是将工具电极和工件置于绝缘的工作液中，工件和工具分别接直流脉冲电源正极和负极，加上电压，利用工具电极和工件电极间脉冲放电时产生的电蚀现象对材料毛坯进行加工。火花放电时，在放电区域能量高度集中，瞬时温度高达10000℃左右，足以使陶瓷材料局部融化而被蚀除。加工时工具与工件不接触，作用力极小，因而可用于加工型腔模（锻模、压铸模、注塑模等）和型腔零件；加工冲模、粉末冶金模、挤压模、型孔零件、小异型孔、小深孔等。

2．电化学加工

电化学加工是通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。该方法主要包括电解、电镀、电铸、电化学抛光等工艺方法。其中电解加工使用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等。电铸加工适用于形状复杂、精度高的空心零件，如波导

管、注塑用的模具、薄壁零件、复制精密的表面轮廓、表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件。涂敷加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂敷以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂敷补救。对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层、耐腐层，以改善表面性能。

3. 高能束流加工

高能束流加工也称为三束流加工，是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。其中电子束加工技术改变了原有的设计思想，可将原有的高精度复杂难加工型面或无法加工的大型整体零件分成若干个易加工的单元，精加工和热处理以后，用电子束将其焊接成整体零件。

4．物料切蚀加工

物料切蚀加工包括超声波加工与水喷射加工、磨料喷射加工、磨料流动加工。是指利用流体、磨料，流体与磨料的混合液等动能，去冲击、抛磨、浸蚀工件被加工部位而实现去除工件材料的方法。

5．复合加工

复合加工是指用多种能源组合进行材料去除的工艺方法，大多是在机械加工的同时应用流体力学、化学、光学、电磁学和声波等能源进行综合加工，这些加工方法能够提高加工效率或获得很高的尺寸精度、形状精度和完整的表面。它包括传统加工和特种加工的复合、特种加工和特种加工的复合，主要有切削复合加工、磨削复合加工、电火花复合加工和电解复合加工等。

二、精密与特种加工的特点

1．加工范围上不受材料强度、硬度等限制。特种加工技术主要不依靠机械力和机械能去除材料，而是主要用其他能量（如电、化学、光、声、热等）去除金属和非金属材料，完成工件的加工。故可以加工各种超强硬材料、高脆性及热敏材料以及特殊的金属和非金属材料。

2. 以柔克刚。特种加工不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，加工过程中工具和工件间不存在明显的强大机械切削力，所以加工时不受工件的强度和硬度的制约，在加工超硬脆材料和精密微细零件、薄壁元件、弹性元件时，工具硬度可以低于被加工材料的硬度。

3．加工方法日新月异，向精密加工方向发展。当前已出现了精密特种加工，许多特种加工方法同时又是精密加工方法、微细加工方法，如电子束加工、离子束加工、激光束加工等就是精密特种加工；精密电火花加工的加工精密度可达微米级0.5-1μm，表面粗糙度可

达镜面Ra0.02μm。

4. 容易获得良好的表面质量。由于在加工过程中不产生宏观切屑，工件表面不会产生强烈的弹、塑性变形，故可以获得良好的表面粗糙度。残余应力、热应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切割表面小，尺寸稳定性好，不存在加工中的机械应变或大面积的热应变。

三、精密与特种加工的发展方向

今后特种加工技术的发展方向应是：

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，建立综合参数自适应系统、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM 和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。

2.向工程化和产业化方向发展不断改进、提高高能束源品质，对大功率、高可靠性、多功能、智能化加工设备的研发是今后的重点发展方向。

3.着力开展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，正向亚微米级和纳米级迈进，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的需要，大力开发用于超精加工的特种加工技术（如等离子弧加工等）已成为重要的发展方向。

4.污染问题是影响和限制某些特种加工应用、发展的严重障碍，加工过程中产生的废渣、废气如果排放不当，会造成环境污染，影响工人健康。必须花大力气处理并利用废气、废渣、废液，向" 绿色" 加工的方向发展。

为实现以上发展目标, 必须开展下列加工工艺的技术研究:

①激光加工技术无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究; 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; 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; 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; 激光快速成型技术研究; 大功率激光熔覆陶瓷涂层的工艺以及涂层组织结构和性能的研究。

②电子束加工技术150 kV、15 kW高压电子枪及高压电源的技术研究; 电子束物理气相沉积技术的研究; 大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定; 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; 多功能电子束加工技术研究。

③离子束和等离子体加工技术复杂零件“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; 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