特種加工方法及應用綜述

摘要：特種加工是不同于傳統(tǒng)加工的加工技術，是為解決傳統(tǒng)加工技術無法克服的困難而產(chǎn)生的加工技術。特種加工的產(chǎn)生和發(fā)展，引起了機械制造技術領域內的許多變革：提高了材料的可加工性；改變了零件的典型工藝路線；給產(chǎn)品零件的結構設計帶來很大的影響；使得對傳統(tǒng)結構工藝的好與壞不得不進行重新衡量。

關鍵詞：激光電火花電化學超聲表面質量

1 概述

自本世紀六十年代以來，隨著科學技術的快速發(fā)展和生產(chǎn)發(fā)展的需要，很多工業(yè)部門的尖端科技產(chǎn)品向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、小型化等方向發(fā)展，所使用的材料愈來愈難加工，零件形狀愈來愈復雜，表面精度、粗糙度和某些特殊要求也愈來愈高。使用傳統(tǒng)的加工技術已經(jīng)難以實現(xiàn)，因此在生產(chǎn)中便出現(xiàn)了一些特種加工方法。如電火花加工、電化學加工、激光加工、電子束加工、離子束加工、等離子弧加工、超聲加工和化學加工等。它們的共同特點是不是主要依靠機械能，而且工具硬度可以低于被加工材料的硬度。正因為有這些優(yōu)點，所以就整體而言，特種加工可以加工任何硬度、強度、韌性、脆性的金屬或非金屬材料，且專長于加工復雜、微細表面和低剛度零件，同時有些加工還可以用于進行超精加工、鏡面光整加工和納米級（原子級）加工。由于我國起步較晚，且原有的工業(yè)基礎薄弱，因此特種加工設備和整體技術水平與國際先進水平還有不少差距。

2 激光加工

激光加工是一種嶄新的加工方法。激光加工具有諸多優(yōu)點，激光加工不需要加工工具、而且加工速度快、表面變形小，可以加工各種材料，所以自六十年代初發(fā)展以來，已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中得到了愈來愈普遍的應用。激光之所以能被用來進行加工，是因為與普通光相比具有很多優(yōu)良的特性。如激光和電波具有相干性、單色性好、方向性和聚焦性好等特點。作為一種特種加工技術，激光加工主要用于焊接、切割、表面處理、打孔和釬焊等方面。由于激光能夠聚集到與電子束同樣的能量，提高能量密度，因此在焊接時能提高焊接速度和焊縫的深寬比。且由于焊縫很窄，故能減小變形。激光焊的有力競爭者是電子束焊，但是相對于電子束來說，激光焊很大優(yōu)點就是完全不需要真空室；缺點是合適的焊接速度范圍比電子束焊窄，且速度較慢。激光焊是在大氣中進行的，必須使用惰性氣體保護焊接區(qū)，以防止焊縫金屬氧化和氮化。而保護氣體對激光焊的熔深有很大的影響。當然不同的保護氣體對不同材料效果都是不一樣的。如對不銹鋼進行焊接時，使用單一氣體比使用混合氣體時的熔深要大。在使用混合氣體時，在二氧化碳或氮氣中加氧氣時能夠增大熔深，而在氦氣中加氧氣時幾乎看不出這樣的效果。激光切割是材料激光加工中采用最廣一種工藝，它可以切割塑料、木材、紙張、橡膠、皮革、纖維以及復合材料、金屬等。影響切割質量的因素有：激光振蕩模式、透鏡焦點位置、輔助氣體種類及其壓力以及切割速度等。如輔助氣體，切割低碳鋼使用氧氣；低合金鋼用氧氣和二氧化碳等氣體；木材使用氮氣；陶瓷和丙烯塑料使用空氣、氧氣或氮氣；玻璃使用氧氣等。氣體壓力為1.5~4atm，在不粘附熔渣的原則下壓力低為好。當用恒定功率的激光進行切割時，切割速度選擇有一定的范圍，過高和過低都是不行的。通過實驗模擬激光加工過程，并使用儀器進行監(jiān)測影響激光加工的因素，進而可以通過調節(jié)這些因素來提高加工的質量。激光表面處理包括表面硬化（淬火）、表面均勻化、表面合金化、表面包覆以及表面重熔等。這些處理的目的都是通過對母才表面進行熱處理，或在母才表面涂覆金屬或陶瓷粉末，使零件內部保持母才原有的韌性，而其表面具有與母才不同的性能，既提高了表層的硬度、耐磨性、耐蝕性或耐熱性。

激光打孔是激光加工技術之一，它可以對幾乎所有的材料進行打孔；用傳統(tǒng)的機械打孔時工具必須接觸被加工材料，材料硬時工具磨損嚴重，而激光打孔是非接觸式加工，不存在工具磨損問題，并可以在大氣或保護氣體中進行；激光打孔使用激光作熱源，其能量密度大，瞬間即可打出孔來，打孔周期極短；激光打孔的孔徑范圍很大，從小孔到很大的孔都能加工；用機械法打斜孔時，如果工具在材料上滑動就無法進行，而激光打孔時，即使孔的斜度很大也能輕易處孔。近年來，激光硬釬焊和軟釬焊作為激光技術的新用途而迅速被推廣。激光釬焊的加熱時間可短到瞬息程度，其加熱區(qū)可以局限在所需之處，并且熱量輸入可以通過激光束直徑、功率及照射時間簡便可靠地進行控制。

3 超聲加工

超聲加工也稱超聲波加工，不僅可以加工硬質合金、淬火鋼等硬脆性金屬材料，而且還可以加工玻璃、陶瓷、半導體鍺和硅片等不導電的非金屬硬脆材料，同時還可以用于清洗、焊接和探傷等。它的原理是利用工具端面作超聲頻振動，通過磨料懸浮來加工材料。超聲加工是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊和拋磨作用以及超聲空化作用的綜合結果。超聲加工的特點有：

①適合于各種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料，如玻璃、陶瓷、石英、寶石和金剛石等；

②由于工具可用較軟的材料做成復雜的形狀，故不需要使工具和工件做比較復雜的相對運動，因此超聲加工機床結構簡單；

③由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時局部的撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力、切削應力、切削熱都很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較好，而且還可以加工薄壁、窄縫、低剛度零件。

超聲加工的精度，除受機床、夾具精度影響外，主要與磨粒粒度、工具精度及其磨損情況、工具橫向振動大小、加工深度、被加工材料性質等有關。超聲加工的表面粗糙度取決于每粒磨粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，它與磨粒顆粒的直徑，被加工材料的性質，超聲振動的振幅以及磨粒懸浮液的成分等有關。當磨粒尺寸較小、工件材料硬度較大、超聲振幅較小時，加工表面粗糙度將得到改善，但生產(chǎn)率將隨之下降。

4電火花加工

電火花加工又稱放電加工，原理是基于工具和工件（正、負電極）之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達到對零件的尺寸、形狀及表面質量預定的加工要求。每次電火花腐蝕的微觀過程是電場力、磁力、熱力、流體動力、電化學和膠體化學等綜合作用的過程。這一過程大致可分為以下四個連續(xù)的階段：極間介質的電離、擊穿，形成放電通道；介質熱分解、電極材料熔化、氣化熱膨脹；電極材料的拋出；極間介質的消電離。電火花加工的主要優(yōu)點：

①適合于難切削材料的加工。

②可以加工特殊及復雜形狀的零件。

同時它也有許多局限性：

①主要用于加工金屬等導電材料，但在一定條件下也可加工半導體和非導體材料。

②一般加工速度較慢。

③存在電極損耗。

但由于電火花加工具有許多傳統(tǒng)切削加工無法比擬的優(yōu)點，因此其應用領域日益擴大。按工具電極和工件相對運動的方式和用途的不同，大致可分為電火花穿成型孔加工、電火花線切割、電火花磨削和鏜磨、電火花同步共軛回轉加工、電火花高速小孔加工、電火花表面強化于刻字六大類。影響加工精度的因素和通常的機械加工一樣，機床本身的各種誤差，以及工件和工具電極的定位、安裝誤差都會影響到加工精度，另外放電間隙的大小及其一致性、工具電極損耗及其穩(wěn)定性也是影響加工精度的主要因素。所以在電火花加工過程中要想辦法降低工具電極的相對消耗。

電火花線切割加工是在電火花加工基礎上發(fā)展起來的一種新的工藝形式，其基本原理是利用移動的細金屬導線（銅絲或鉬絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電、切割成形。根據(jù)電極絲的運行速度，電火花線切割機床通常分為兩大類：一類是高速走絲電火花切割機床，這是我國獨創(chuàng)的電火花線切割加工模式；另一類是低速走絲電火花切割機床。電火花線切割加工過程的工藝和機理，與電火花成形加工有很多共性。

5電化學加工

電化學加工也是一種應用廣泛的特種加工。主要包括從工件上去除金屬的電解加工和向工件上沉積金屬的電鍍、涂覆加工兩大類。電解加工是在電解拋光的基礎上發(fā)展起來的，利用金屬在電解液中的電化學陽極溶解來將工件加工成形與其他加工方法相比有很多突出的特點：

①加工范圍廣，不受金屬材料本身力學性能的限制，并可加工葉片、鍛模等復雜形面。

②電解加工的生產(chǎn)率較高，約為電火花加工的5~10倍，在某些情況下，比切削的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的影響。

③可以達到較好的表面粗糙度(Ra1.25~0.2μm)和±0.1mm左右的平均加工精度。

④由于加工過程中不存在機械切削力，所以不會產(chǎn)生由切削力所引起的殘余應力和變形，沒有飛邊毛刺。

⑤加工過程中陰極工具在理論上不會耗損，可長期使用。

電解加工業(yè)有許多弱點和局限性：

①不易達到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。

②電極工具的設計和修正比較麻煩。

③電解加工的附屬設備較多，占地面積較多，造價較高。

④電解產(chǎn)物需進行妥善處理，否則污染環(huán)境。

除了上述的幾種常規(guī)的特種加工外，還有一些新的特種加工技術正在迅速發(fā)展，如：化學加工、等離子體加工、磨料噴射加工、水射流切割等。隨著科學技術的發(fā)展和生產(chǎn)要求的提高，越來越多的特種加工技術將會受到普遍重視和廣泛應用。

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