特種加工與機(jī)械制造工藝技術(shù)的變革

高乾坤 吳龍飛

（麗水學(xué)院 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，麗水 323000）

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特種加工與機(jī)械制造工藝技術(shù)的變革

高乾坤 吳龍飛

（麗水學(xué)院 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，麗水 323000）

摘 要：特種加工在機(jī)械制造工藝技術(shù)占有非常重要的地位。特種加工方法通過電、磁、化學(xué)、聲、光等能量或組合體現(xiàn)在工件中被加工的位置，以此體現(xiàn)出材料變形、消除、性能變化、鍍覆等加工的方式。

關(guān)鍵詞：特種加工 機(jī)械制造 工藝 技術(shù)

特種加工加大了可加工材料的范疇，轉(zhuǎn)變了產(chǎn)品的加工方式及設(shè)計(jì)理念。加工存在較大難度的新型材料，供需方面過于繁瑣的細(xì)微構(gòu)件等，均能夠通過特種加工的形式加工。特種加工方式處理了眾多工藝中的問題，對機(jī)械制造工藝技術(shù)具有較大的影響。

1 特種加工技術(shù)的構(gòu)成以及研究進(jìn)程

1.1 特種加工技術(shù)的構(gòu)成

近三四十年來，特種加工技術(shù)發(fā)展較快，內(nèi)涵尤為豐富，如圖1所示。

1.2 人工智能技術(shù)發(fā)展為特種加工工藝規(guī)律建模打下根基

特種加工的微觀物理過程尤為繁瑣，加工機(jī)理理論研究十分艱難，大多較難通過簡易的解析式給予表述。近年來，雖然學(xué)者通過各類理論對各種特種加工技術(shù)深入分析，并獲得了良好的理論成績，可離定量的實(shí)際運(yùn)用尚有一定距離。當(dāng)前，特種加工的工藝參數(shù)僅可通過經(jīng)驗(yàn)獲得，并不能完成最優(yōu)化及自動化。隨著模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)乃至專家系統(tǒng)等不同人工智能技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸試著通過這些技術(shù)打造加工效果與加工因素相互間的定量化效率、精度、經(jīng)濟(jì)性等實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@取了初步成果。所以，透過實(shí)驗(yàn)建模，把典型加工實(shí)例及加工經(jīng)驗(yàn)當(dāng)做知識進(jìn)行保存，促使創(chuàng)建描繪特種加工工藝規(guī)律的可擴(kuò)展性開放系統(tǒng)的環(huán)境愈發(fā)醇熟，并為不斷進(jìn)行特種加工工藝過程的計(jì)算機(jī)模擬、應(yīng)用人工智能選用零件的工藝流程乃至虛擬加工打下了根基。

1.3 智能控制會變成特種加工范疇重要的控制方式

大部分方式運(yùn)用以柔克剛的非接觸式加工方式，加工存在化學(xué)過程，加工的微觀過程十分繁瑣。到目前為止，依舊無法通過一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行概括，且由于加工過程的進(jìn)行，加工環(huán)境有時(shí)還會產(chǎn)生龐大的變化，令加工特性由于時(shí)間的變化而產(chǎn)生變化。所以，對控制輿論內(nèi)典型模型不確定非線形時(shí)變系統(tǒng)而言，較難通過經(jīng)典及現(xiàn)代的控制理論方式獲取滿意的結(jié)論。長期以來，人們通過不同自適應(yīng)控制方式進(jìn)行運(yùn)作，可是面對加工環(huán)境大面積改變的狀況，依舊無法達(dá)到滿意的性能。

這些年來，人們將大多數(shù)精力移至模糊控制、神經(jīng)控制等一些智能控制的分析中，且在電火花成型加工以及電火花線切割加工中獲取改變，并成功用在國外高檔機(jī)床中。它能夠自動選擇最佳參數(shù)，自動監(jiān)測加工，實(shí)現(xiàn)自動化、最優(yōu)化控制。此外，還可以對模糊控制器引進(jìn)自適應(yīng)控制功能或與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，令其具備自學(xué)習(xí)能力，以此提升加工效率，穩(wěn)定加工過程，降低對操控者技術(shù)依賴等方面的問題。

圖1 特種加工技術(shù)的構(gòu)成

1.4 全新特種加工技術(shù)會對制造業(yè)生產(chǎn)模式引發(fā)深遠(yuǎn)影響1.4.1 迅速成型技術(shù)

通過材料堆積成型的方法，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)去材法以及變形法機(jī)械加工的眾多阻礙，在無需工具及模具的前提下，快速打造出任何反鎖形狀，且又具備相應(yīng)功能的三維實(shí)體模型或零件。

1.4.2 等離子體熔射成型工藝技術(shù)

等離子體熔射成型工藝技術(shù)是將等離子體射流作為熱源，在各類特殊工藝環(huán)境中令材料集結(jié)成型的零件制造方式。因?yàn)榈入x子體射流溫度較高，會溶解所有材料；噴射速度迅猛，會賦予熔粒以高的動能；工藝參數(shù)協(xié)調(diào)便利，可以獲取較高的沉積速度。此外，可以通過惰性保護(hù)氣體，確保制件中沒有雜質(zhì)，特別適合應(yīng)用于復(fù)合材料、陶瓷、高硬度高熔點(diǎn)合金等形狀繁瑣、薄壁件的快速制作中，運(yùn)用前景較廣。目前，對這個(gè)技術(shù)的分析尚處在初級階段。

1.4.3 在線電解修整砂輪鏡面磨削技術(shù)

通過弱電解中陽極溶解現(xiàn)象，可對鑄鐵等金屬融合劑金剛石砂輪采取在線電解修整。通過修整的砂輪，不但表面平整，還形成了一定厚度的氧化膜層。砂輪處于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，此膜層摩擦或刮削被加工面，完成硬脆材料光滑表面的打磨及拋光，而電解修銳參數(shù)成為對加工品質(zhì)具有影響的主要因素。目前，此技術(shù)在硬脆材料及金屬零件完成高效的精密及鏡面一體化技工中，具備較大的市場。

1.4.4 時(shí)變場控制、電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)

通過電化學(xué)機(jī)械加工，電化學(xué)溶解電場較易完成實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制的特征，完成加工過程內(nèi)金屬零件表面各個(gè)方面有選擇去除，以便實(shí)現(xiàn)高幾何精度、低表面粗糙度的復(fù)合加工形式。其最大的特點(diǎn)是能夠完成金屬零件的尺寸、形狀精密加工以及光整加工一體化，明顯提升生產(chǎn)率。

1.4.5 三維型腔簡易電極數(shù)控電火花仿銑

作為長期備受電加工行業(yè)關(guān)注的技術(shù)，人們曾對三維型腔簡易電極數(shù)控電火花仿銑進(jìn)行了大量的研究工作?？墒牵捎陔姌O損耗和補(bǔ)償?shù)姆爆嵭?，尤其對尖角方面損耗嚴(yán)重等問題，該技術(shù)長期以來一直未獲得良好的進(jìn)步。直至東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所對微小型腔加工技術(shù)以及等損耗理論獲取佳績，才令這一技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用變?yōu)榭赡埽@取初步的實(shí)驗(yàn)論證。

1.4.6 電火花混粉大面積鏡面加工技術(shù)

電火花混粉大面積鏡面加工技術(shù)通過在電火花工作液內(nèi)添加相應(yīng)導(dǎo)電粉末，用于加大放電間隙，令放電點(diǎn)分散的方式得以完成。該技術(shù)可以加工出粗糙度低于Rmax0.8μm的表層。

通過大量實(shí)驗(yàn)，我國已經(jīng)獲得了混粉電火花鏡面加工的根本工藝規(guī)律。在大范圍加工狀況下，運(yùn)用此技術(shù)表面粗糙度能夠?qū)崿F(xiàn)Ra0.107μm的水準(zhǔn)。因此，不論理論方面還是工程應(yīng)用方面，該技術(shù)均獲得了實(shí)質(zhì)性的轉(zhuǎn)變，且所獲取的成果在國際中處在先進(jìn)水平，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

1.4.7 磁粒研磨技術(shù)

磁粒研磨技術(shù)運(yùn)用磁場超距作用在高磁導(dǎo)率的散粒體磨料來完成繁瑣曲面研磨拋光，其優(yōu)勢為無需嚴(yán)謹(jǐn)掌控磨頭和被拋光表面相互間的相對位置，較易完成拋光自動化，且拋光工具構(gòu)造簡易，設(shè)施成本較低，適合于薄壁、內(nèi)凹、細(xì)小的零件拋光。當(dāng)前，在對磁粒研磨加工機(jī)理分析中，仔細(xì)分析磁場強(qiáng)度、磨料粒度、形狀等影響方面，且透過有限元法對旋轉(zhuǎn)磁場采取模擬計(jì)算，可以掌握旋轉(zhuǎn)磁場的動態(tài)過程。

2 特種加工的類別、運(yùn)用方式及應(yīng)用范疇

2.1 電火花穿孔加工

這一方式能夠加工所有導(dǎo)電材質(zhì)。通過火花放電腐蝕金屬的道理，運(yùn)用工具電極復(fù)制以及加工工件的一個(gè)工藝方法，能夠?qū)π颓荒＜靶颓涣慵M(jìn)行加工。此外，還可加工沖模、擠壓模、粉末冶金模乃至型孔零件、小深孔零件。

2.2 激光加工

激光加工是經(jīng)過透鏡聚焦能量密度中較高的激光焦點(diǎn)，令工件素材被融化或蒸發(fā)的一個(gè)加工形式。對激光參數(shù)給予有效運(yùn)用，能夠執(zhí)行焊接、激光表面處理、打孔、激光切割等，且還可以應(yīng)用于封裝電子元器件方面。激光加工規(guī)格精度可以限制在0.01mm至0.001mm的范圍中，無需通過工具便能夠用于各類材質(zhì)方面。激光表面處理是將功率較高的激光技術(shù)與粉末冶金技術(shù)相互融合，對工件的表面進(jìn)行處理及加工，如此轉(zhuǎn)變工件的組織結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)乃至成分，以提升物理性質(zhì)，并成為制作納米材質(zhì)的主要形式[1]。

2.3 超聲波加工方式

此加工方式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質(zhì)的一個(gè)形式。超聲波加工的尺度精度范圍處于0.05至0.01區(qū)間，能夠運(yùn)用在各類硬脆材質(zhì)當(dāng)中，能夠加工所有孔型及型腔，還能夠進(jìn)行開槽、切割、套料、雕刻。雖然超聲波加工的生產(chǎn)效率不高，可是由于其加工精度及表面粗糙度較好，所以時(shí)常用于拋磨和光整加工工件。

2.4 電子束加工方式

此加工方式是通過高速電子沖擊動能加工金屬，依照真空原理，采取電流加熱陰極的形式發(fā)射電子束，之后通過靜電加速電子束。由于受到電磁透鏡聚焦的作用，可以令電子束快速轟擊工件表層的微小面積。如此，電子束的能量大多都轉(zhuǎn)變成熱能，能量的密度也較高，被轟擊表層將會即刻熔化或氣化，將一些材料去除，以此順利完成加工。電子束加工可以用于所有材料中。而對電子束的能量密度以及能量注入時(shí)間進(jìn)行掌控，則能夠執(zhí)行打孔和切割的加工。

2.5 電化學(xué)加工方式

這一方式能夠分為兩種類別，即工件去除金屬的陽極電解蝕除加工和向工件中沉積金屬的陰極電鍍沉積。此加工方式能夠?qū)ζ嚨乃行颓诲懩＿M(jìn)行加工，乃至航空、航天發(fā)動機(jī)等彎曲的葉片等相對繁瑣的模具及零件。此外，電鍍與電鑄能夠?qū)ο鄬?xì)致繁瑣的表層進(jìn)行克隆，刷鍍則還能夠修復(fù)已經(jīng)磨損的零件，而轉(zhuǎn)變物件表層的物理性質(zhì)。

2.6 電火花線切割加工方式

此加工方式利用細(xì)金屬絲做電極，對工件采取脈沖火花放電腐蝕，實(shí)現(xiàn)切割成型的一個(gè)加工形式。它能夠?qū)λ袑?dǎo)電材質(zhì)以及形狀不同的沖模、電極乃至切割零件進(jìn)行加工。

3 特種加工引發(fā)的機(jī)械制造工藝技術(shù)變革

在機(jī)械加工中，制造工藝技術(shù)的主要內(nèi)容如圖2所示。

圖2 制造工藝技術(shù)的主要內(nèi)容

通過制造工藝技術(shù)的主要內(nèi)容，進(jìn)行的技術(shù)變革有以下幾點(diǎn)。

3.1 特種加工引發(fā)產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路變革

特種加工處理了各類特殊繁瑣表層的加工，乃至各類超精、光整或具備特殊需求的零件加工問題，令所有材料的加工變成可能。而迅速成型技術(shù)則令產(chǎn)品的迅速試制變成可能。因此，特種加工令產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)選擇的零件材質(zhì)、制造工藝方式擁有更加寬泛的選擇余地，還可以迅速將設(shè)計(jì)理念變成具備相應(yīng)功能的原型，以此令產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路處在創(chuàng)意及制造相結(jié)合的局面。

3.2 特種加工加大了可加工材質(zhì)的范疇

特種加工方式令機(jī)制工藝中可加工的材料范疇由普通材料發(fā)展為超硬材料及特殊材料，使所有材料的加工變成可能。材質(zhì)的可加工型不再和韌度、硬度、脆度、強(qiáng)度等構(gòu)成正比或反比。過去較難加工的硬質(zhì)合金、石英、金剛石、淬火鋼等材質(zhì)，都能夠通過電火花、電解、超聲波、激光等特種加工形式進(jìn)行加工。對電火花、線切割來講，淬火鋼遠(yuǎn)比未淬火鋼容易加工[2]。

3.3 特種加工技術(shù)已經(jīng)變成微細(xì)加工、納米加工的主要方式

當(dāng)前，制造技術(shù)逐步朝細(xì)微、微米、納米乃至亞微米的級別發(fā)展，成為制造業(yè)融入高技術(shù)的切割點(diǎn)。而激光、電火花、電子束、離子束等特種加工技術(shù)，則屬于當(dāng)前高速發(fā)展中的微細(xì)以及納米加工的重要方式。

3.4 特種加工轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工藝性的好與壞

傳統(tǒng)加工方式將方孔、小孔、彎孔、深孔、窄縫等歸類為結(jié)構(gòu)工藝性較差，有的狀況中則被歸類為工藝性較壞，甚至還會被設(shè)定為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)禁區(qū)。特種加工則令這個(gè)壞變?yōu)榱丝赡埽⑵渥兩頌楹?。例如，對電火花穿孔、電火花線切割工藝而言，加工方孔與加工圓孔在困難程度方面相同。

3.5 特種加工將轉(zhuǎn)變新產(chǎn)品試制的傳統(tǒng)模式

新產(chǎn)品的傳統(tǒng)模式通常為模具、道具、量具，乃至工裝夾具設(shè)計(jì)制造等方面。當(dāng)前，運(yùn)用數(shù)控電火花線切割，能夠直接制作花鍵孔、鈑金異型孔、非標(biāo)直齒輪，且可加工繁瑣的二次曲面零件。所以，特種加工方式的運(yùn)用不但能夠加快產(chǎn)品的試制速度，還能夠節(jié)省龐大的新產(chǎn)品試制費(fèi)用，從而轉(zhuǎn)變新產(chǎn)品設(shè)計(jì)試制的形式[3]。

3.6 特種加工轉(zhuǎn)變了過去淬火工藝路線和零件不良品的可修復(fù)性

特種加工產(chǎn)生后，轉(zhuǎn)變了淬火熱處理工序必須設(shè)置在除磨削之外的其余切削成形加工以后的傳統(tǒng)工藝標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樘胤N加工不被工件硬度所束縛，因此有時(shí)為了免除成型加工后淬火熱處理引發(fā)的應(yīng)力變形，可以先進(jìn)行淬火，再進(jìn)行加工。而以往認(rèn)為無法修復(fù)的不良品，如今也均能夠通過特種加工進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)束語

總而言之，特種加工技術(shù)對機(jī)械制造工藝技術(shù)而言具有深遠(yuǎn)的意義，已經(jīng)變成當(dāng)前制造技術(shù)中關(guān)鍵的構(gòu)成部分。由于科技與工業(yè)的不斷發(fā)展，使特種加工必須不斷完善和發(fā)展，才能使其不斷加快科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，從而展現(xiàn)出自身的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]劉偉，李素麗.特種加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].廣西輕工業(yè)，2010，（8）：244-245.

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[3]羅達(dá)，黃飛騰.特種加工與機(jī)械制造工藝技術(shù)變革研究[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2012，（8）：226.

Analysis of Technological Change of Special Machining and Manufacturing Process

GAO Qiankun WU Longfei
(Lishui University college of Engineering and Design, Lishui 323000)

Abstract:special machining technology in the m echanical manufacturing process plays a ver y important position, special processing method through the electric, magnetic, chemical, sound, light and other energy or combination of the workpiece in the process of being processed, in order to reflect the material deformation, eliminate, performance changes, plating and other processing methods.

Key words:special machining, mechanical manufacturing, process, Technology