1、第第1章概述章概述 1.1特种加工的产生原因特种加工的产生原因 1.2特种加工的定义及分类特种加工的定义及分类 1.3特种加工对制造业的影响特种加工对制造业的影响 1.4特种加工的发展趋势特种加工的发展趋势 1.1特种加工的产生原因特种加工的产生原因推动人类社会进步的两个工具是语言和劳动工具。劳动工具经历了石器时代、青铜器时代后进入了机器化时代，而机械加工则是伴随着时代的进步而发展的。传统的机械加工已有非常悠久的历史，它对人类的生产活动和物质文明起到了极大的推动作用。例如，18世纪70年代就发明了蒸汽机，但苦于制造不出高精度的蒸汽机汽缸而无法推广应用。直到后来有人创造出和改进了汽缸镗床，解决了
2、蒸汽机主要部件的加工工艺，才使得蒸汽机获得广泛应用，引起了世界性的第一次产业革命。这一事实充分说明了加工方法对新产品的研制、推广和社会经济的发展等起着重大的作用。 但是，从第一次产业革命直到第二次世界大战之前，在这段长达150多年靠机械切削加工的漫长年代里，并没有产生特种加工的迫切要求，也没有发展特种加工的充分条件，人们的思想一直局限在自古以来传统的用机械能量或热能所提供的切削力来除去多余的金属，以达到加工要求的方式。 随着社会生产的需要和科学技术的进步，20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、汽化而被
3、蚀除掉，从而开创和发明了变有害的电蚀为有用的电火花加工的方法。他们用铜杆在淬火钢上加工出小孔的实验验证了用软的工具可加工任何硬度的金属材料这一事实，首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能来去除金属，获得了“以柔克刚”的效果。 进入20世纪50年代以来，由于现代科学技术的迅猛发展，机械工业、电子工业、航空航天工业、化学工业、医药工业、国防工业等蓬勃发展，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型化方向发展，以及能在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠地工作。为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料越来越
4、强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制造面临着一系列严峻的任务：（1）解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、高温合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。 （2）解决各种特殊复杂型面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模和注塑模等的立体成型表面，各种冲模、冷拔模等特殊断面的型孔，炮管内膛线、喷油嘴、喷丝头上的小孔、异形孔、窄缝等的加工。（3）解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天用仪器、航空陀螺仪、精密光学透镜、激光核聚变用的
5、曲面镜、高灵敏度的红外传感器等的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0.1m以上，表面粗糙度要求在0.01m以上。 （4）特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、复印机和打印机的感光鼓、微型机械、微型医疗器械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的机械切削加工方法很难实现，有些根本无法实现。在生产的迫切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式，不断研究和探索新的加工方法。特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。目前，特种加工已经成为制造领域不可缺少的重要方面，在难切削材料、复杂型面、精细零件、低刚度零件、模具加工、快
6、速原形制造以及大规模集成电路等领域发挥着越来越重要的作用。 1.2特种加工的定义及分类特种加工的定义及分类传统切削加工的本质和特点：一是所用刀具材料比工件更硬；二是利用机械能把工件上多余的材料切除。借助于除机械能以外的其他能量形式去除工件多余材料的新加工方法，统称为“特种加工”，国外称为“非传统加工”或“非常规机械加工”。 特种加工是指利用光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也称为非传统加工方法(NTM，NonTraditionalMachining)。 特种加工的特点和与传统切削加工的区别主要有：(1)主要依靠机械能以外的其他能
7、量(如电能、热能、光能、声能以及化学能或其组合等)来去除工件材料。（2）工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，在某些情况下，如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具。（3）在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。 （4）特种加工技术不仅可以采取单独的加工方法，更可以采用复合的加工方法。近年来，复合特种加工方法发展迅速，应用十分广泛。由于具有上述特点，因此总体而言，特种加工技术可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属材料、非金属材料或复合材料，而且特别适合于加工复杂、微细表面和低刚度的零件，同时，有
8、些方法还可以用于进行超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米级(原子级)的加工。 表11常用特种加工方法分类表 加 工 方 法 主要能量形式 作用形式 符号 电火花成型加工 电能、 热能 熔化、 气化 EDM 电火花加工 电火花线切割加工 电能、 热能 熔化、 气化 WEDM 电解加工 电化学能 金属离子阳极溶解 ECM(ELM) 电解磨削 电化学能、 机械能 阳极溶解、 磨削 EGM(ECG) 电解研磨 电化学能、 机械能 阳极溶解、 研磨 ECH 电铸 电化学能 金属离子阴极沉积 EFM 电化学加工 涂镀 电化学能 金属离子阴极沉积 EPM 激光束加工 光能、 热能 熔化、 气化 LBM 电
9、子束加工 光能、 热能 熔化、 气化 EBM 离子束加工 电能、 机械能 切蚀 IBM 高能束加工 等离子弧加工 电能、 热能 熔化、 气化 PAM 超声加工 声能、 机械能 切蚀 USM 磨料流加工 机械能 切蚀 AFM 物料切蚀 加工 液体喷射加工 机械能 切蚀 HDM 化学铣削 化学能 腐蚀 CHM 化学抛光 化学能 腐蚀 CHP 化学加工 光刻 光能、 化学能 光化学腐蚀 PCM 电化学电弧加工 电化学能 熔化、 气化腐蚀 ECAM 复合加工 电解电化学机械磨削 电能、 热能 离子溶解、 熔化、 切割 MEEC 尽管特种加工优点突出，应用日益广泛，但是各种特种加工的能量来源、作用形式、
10、工艺特点不尽相同，其加工特点与应用范围自然也不一样，而且各自还具有一定的局限性，因此为了更好地应用和发挥各种特种加工的最佳功能及效果，必须依据工件材料、尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分析，区别对待，合理选择特种加工方法。几种常见的特种加工方法性能和效果综合比较如表12所示。 表表12几种常用特种加工方法的综合比较几种常用特种加工方法的综合比较 加工方法 可加工材料 工具损耗率/% (最低/平均) 材料去除率/ (mm3/min) (平均/最高) 可达到尺寸 精度/mm (平均/最高) 可达到表 面粗糙度 Ra/m (平均/最高) 主要适用范围 电火花 成型加工 0.1/10 30
11、/3000 0.03/0.003 10/0.04 从数微米的孔、 槽到数米的超大型模具、 工件等， 如各种类型的孔、 各种类型的模具， 还可刻字、 表面强化等加工 电火花线 切割加工 较小(可补偿) 20/500 (mm2/min) 0.02/0.002 5/0.04 切割各种 二维及三维直纹面组成的模具及零件， 可直接切割样板等， 也常用于钼、 钨、 半导体材料或贵重金属切削 电解加工 不损耗 100/10000 0.1/0.01 1.25/0.16 从微小零件到超大型工件、 模具的加工， 如型孔、 型腔、 抛光、 去毛刺等 电解磨削 任何导电金属材料， 如硬质合金钢 、 耐热钢 、 不锈钢
12、 、 淬火钢、 钛合金等 1/50 1/100 0.02/0.001 1.25/0.04 硬质合金 钢等难加工材料的磨削， 如硬质合金刀具、 量具、 轧辊、 小孔研磨、 珩磨等 表表12几种常用特种加工方法的综合比较几种常用特种加工方法的综合比较 超声波 加 工 任何脆性 材料 0.1/10 1/50 0.03/0.005 0.63/0.16 加工、 切割脆硬材料， 如玻璃、 石英、 宝石、 金刚石、 硅等， 可加工型孔、 型腔、 小孔等 激光加工 10/1.25 精密加工小孔、 窄缝及成型切割、 蚀刻， 如金刚石拉丝模、 钟表宝石轴承等 电子束 加 工 瞬时 去 除率很高， 受功 率限制 ，
13、 平 均去除 率不高 0.01/0.001 1.25/0.2 在各种难 加工材料上打微小孔、 切缝、 蚀刻、 焊接等， 常用于制造大、 中规模集成电路微电子器件 离子束 加 工 任何材料 不 损 耗 ( 三种加工没有成型用的工具) 很低 /0.01 m /0.01 对零件表 面进行超精密、 超微量加工、 抛光、 刻蚀、 掺杂、 镀覆等 水射流切割 钢铁、 石材 无损耗 300 0.2/0.1 20/5 下料、 成形切割、 剪裁 快速成形 增加材料方法加工， 无可比性 0.3/0.1 10/5 快速制作样件、 模具 1.3特种加工对制造业的影响特种加工对制造业的影响（1）提高了材料的可加工性。一
14、般情况下，认为金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的，但是现在已经广泛采用的利用金刚石、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等制造的刀具、工具、拉丝模具等都可以采用电火花、电解、激光等多种方法来加工，也即工件材料的可加工性不再与其硬度、强度、韧性、脆性等有直接的关系。对于电火花、线切割等加工技术而言，淬火钢比未淬火钢更容易加工。特种加工方法使材料的可加工范围从普通材料发展到硬质合金、超硬材料和特殊材料。（2）改变了零件的典型工艺路线。在传统的加工领域，除磨削加工以外，其他的切削加工、成型加工等都必须安排在淬火热处理工序之前，这是工艺人员不可违反的工艺准则。特种加工技术的出现，改变了这种
15、一成不变的程序格式。由于特种加工基本上不受工件材料硬度的影响，而且为了免除加工后再淬火引起热处理变形，一般都是先淬火处理而后加工。最为典型的是，电火花线切割加工、电火花成型加工、电解加工等都必须先进行淬火处理后再加工。 特种加工的出现还对以往工艺路线的“工序分散”和“工序集中”产生了影响。以加工齿轮、连杆等型腔锻模为例，由于特种加工过程中没有显著的机械作用力，因此机床、夹具、工具的强度、刚度不是主要矛盾，即使是较大的、复杂的加工表面，往往使用一个复杂工具、简单的运动轨迹，经过一次安装、一道工序就可以加工出来，工序比较集中。 （3）大大缩短了新产品的试制周期。以往试制新产品的关键零部件时，必须先
16、设计、制造相应的刀、夹、量具和模具以及二次工装，现在试制新产品时，采用精密与特种加工技术就可以直接加工出各种标准和非标准直齿轮，微型电动机定子、转子硅钢片，各种变压器铁芯，各种特殊及复杂的二次曲面体零件，可以不用设计和制造相应的刀具、夹具、量具、模具以及二次工装，大大缩短了新产品的试制周期。而快速成型技术更是试制新产品的必要手段，改变了过去传统的产品试制模式。 （4）对产品零件的结构设计产生了很大的影响。 例如，为了减少应力集中，花键孔、轴以及枪炮膛线的齿根部分最好做成小圆角，但拉削加工时刀齿做成圆角对排屑不利，容易磨损，因此刀齿只能设计与制造成无棱角的齿根，而采用电解加工技术时，由于存在尖角
17、变圆的现象，因此必须采用小圆角的齿根。各种复杂冲模，如山形硅钢片冲模，以往由于难以制造，经常采用镶拼式结构，现在采用电火花、线切割加工技术后，即使是硬质合金的模具或刀具，也可以制成整体式结构。喷气发动机涡轮也由于电解加工技术的出现而可以采用整体式结构。 （5）对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生了重要影响。以往普遍认为方孔、小孔、弯孔、窄缝等是工艺性差的典型，是设计人员和工艺人员非常“忌讳”的，有的甚至是机械结构的“禁区”。而对于电火花穿孔加工、电火花线切割加工来说，加工方孔和加工圆孔的难易程度是一样的。喷油嘴小孔，喷丝头小异形孔，涡轮叶片上大量的小冷却深孔、窄缝，静压轴承和静压导轨的内油囊
18、型腔等的加工，在采用电火花加工技术以后都变难为易了。过去，若淬火处理以前忘了钻定位销孔、铣槽等工艺，那么淬火处理后这种工件只能报废，现在则可以用电火花打孔、切槽等进行补救。相反，现在有时为了避免淬火处理产生开裂、变形等缺陷，故意把钻孔、开槽等工艺安排在淬火处理之后，使工艺路线安排更为灵活。 （6）特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段。近年来出现并快速发展的微细加工和纳米加工技术，主要是电子束、离子束、激光、电火花、电化学等电物理、电化学特种加工技术，学习和掌握这种加工技术后，可以使设计和工艺技术人员采用更小的结构，甚至微细结构。 1.4特种加工的发展趋势特种加工的发展趋势目前，国际上对
19、特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面：（1）微细化。目前，国际上对微细电火花加工、微细超声波加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究方兴未艾，特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术。（2）特种加工的应用领域正在拓宽。例如，非导电材料的电火花加工，电火花、激光、电子束表面改性等。 （3）广泛采用自动化技术。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控制装置、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。（4）用简单工具电极加工复杂的三维曲面是电解加工和电火花加工的发展方向。目前已实现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。随着设备自动化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标。
