特种加工技术

特种加工技术Non-TraditionalMachiningTechnology工程技术训练中心1

特种加工是指传统的切削加工以外的加工方法。国外称作非传统加工（NTM）或是非常规机械加工（NCM）。2特种加工与切削加工的区别主要依靠其他能量去除金属材料，而非依靠机械能工具硬度可以低于被加工材料硬度加工过程中刀具和材料之间几乎不产生机械切削力3认识特种加工的必要性

由于各种特种加工工艺的特点以及逐渐广泛的应用，引起了机械制造工艺技术领域内的许多变革，主要有以下几个方面：（1）提高了材料的可加工性（2）改变了零件的典型工艺路线（3）改变了试制新产品的模式（4）特种加工对产品零件的结构设计带来很大的影响（5）对传统的结构工艺性的好与坏，需要重新衡量（6）特种加工已经成为微细加工和纳米加工的主要手段1.特种加工概念概述683724333135电火花加工电火花线切割加工电化学加工激光加工电子束和离子束加工超声加工快速成形技术其它特种加工几种特种加工方法一、电火花加工基本原理：利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。工艺特点：适用于只要导电的软、硬、耐热、难加工等材料；只需修改加工电参数就能完成小孔、薄壁、窄槽、复杂截面的粗、半精、精加工，加工适应性强。主要形式：电火花穿孔、电火花型腔加工、磨、铣、镗、表面强化。电火花穿孔工件进给方向进给方向工作液工具电极工件工具电极工件电火花型腔加工其他形式电火花加工其他形式电火花加工电火花铣削外形电火花铣削内形电火花铣削螺旋槽多轴联动铣削电极铜电极铣削加工石墨电极铣削加工铜电极铣削加工石墨电极铣削加工工具电极的制造方法数控电火花成型机床二、电火花线切割主要类型：1.往复高速走丝(快走丝)电火花线切割机床(WEDM-HS)，走丝速度为8～l0m/min，这是我国独创生产和使用的主要机种。2.单向低速走丝(慢走丝)电火花线切割机床(WEDM-LS)，走丝速度低于0.2m/min，这是国外生产和使用的主要机种。基本原理：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。英文简称WEDM。工艺特点：（1）采用细金属丝作工具电极，不需要制造特定形状的电极。（2）电极丝损耗对加工精度影响较小（3）自动化程度高，柔性大，且操作方便。（4）切割缝隙小，故切割余料可以再利用。（5）加工表面粗糙度值小，但表面有硬化层。（6）热变形小。（1）主要适合直纹面零件加工。（2）用于高硬度、高熔点等难加工金属材料。（3）模具制造、电极制造和复杂零件加工线切割加工应用场合线切割加工应用线切割平面零件线切割立体零件线切割异形零件三、电化学加工

电化学加工简称ECM)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、电铸加工两大类。目前，电化学加工已经成为我国民用和国防工业中的一个不可或缺的加工手段。基于电化学原理的微细制造技术已成为国际特种加工领域的研究热点。电化学加工应用方面：电解：利用阳极溶解，通过电化学反应从工件表面去除金属。电镀：利用阴极上的沉积作用，在工件表面沉积金属实现材料表面装饰保护。电铸：利用阴极上的沉积作用，在阴极上沉积实现附着加工。1、电解加工★工件接阳极，工具接阴极，两极间加直流电压6～24V,极间保持0.1～1mm间隙。在间隙处通以6～60m/s高速流动的电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，其溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。

电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液与碱性溶液三大类。中性盐溶液的腐蚀性小，使用时较安全，故应用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3、NaClO3三种电解液。原理：阳极溶解：溶解速度与电流密度有关,工作液高速冲走电解腐蚀物。工艺特点1.适应性强：只要导电，无论软、硬、脆2.非接触加工，加工过程无机械作用力工具电极理论上无消耗（阴极）3.表面质量好于电火花加工4.加工效率高于电火花加工，约为电火花加工的5~10倍5.加工精度较低6.电解液有腐蚀和污染作用，需要妥善处理电解磨削的基本原理和特点

电解磨削属于电化学机械加工范畴。电解磨削是由电解作用和机械磨削作用相结合而进行加工的，比电解加工的加工精度高，表面粗糙度小，比机械磨削的生产率高。与电解磨削相近似的还有电解珩磨和电解研磨。导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜2、电解磨削

工艺特点1.加工范围广2.各种硬、韧金属材料3.工件表面粗糙度与砂轮磨粒粗细无关4.切削温度低，不易变形、裂纹5.切削力很小，可加工刚度差的零件6.加工效率高于普通磨削5～10倍7.加工精度略低于普通磨削

电铸、表面局部涂镀和复合镀加工在原理和本质都属于电镀工艺的范畴，都是和电解相反，利用电镀液中金属正离子在电场的作用下，镀覆沉积到阴极上去的过程。电铸、涂镀及复合镀加工电镀和电刷镀产品电镀和电刷镀产品各种电化学方法的比较工艺名称电解加工电解磨削电铸加工电镀与电刷度加工原理电化学去除加工电化学去除加工电化学附着加工电化学附着加工阳极溶解机械磨削作用5％电解作用95％阴极沉积剥取沉积层阴极沉积附着在表面四、激光加工加工特点：

加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1μ以下，实际上可实现φ0.01mm的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。

激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：

◎强度高，亮度大

◎波长频率确定，单色性好

◎相干性好，相干长度长

◎方向性好，几乎是一束平行光

工作原理当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器工件工作台激光加工原理图光阑反射镜聚焦镜电源激光加工方法1.激光切割：可对铝、铜、镍、陶瓷等材料进行切割加工出各种图形，切割深度<2.5mm。加工后切缝窄，工件变形小，属于非接触加工与计算机配合实现高速加工，切割非金属材料是其它方法不可比的。激光加工方法有：激光切割、激光打孔、激光标记、激光焊接、激光雕刻、激光其他应用方法。2.激光打孔：实现最小孔径Ø0.03mm，实现大深径比，传统不大于1：10，在碳钢上加工Ø0.25mm的小孔深径比达65：1，也可对其他金属如：铝、铜、非金属金刚石、硬质合金、陶瓷、塑料上打孔。激光打孔的特色速度快，效率高，尤其高密度群孔加工,可加工硬脆软材料,可在难加工材料上加工斜孔。3.激光标记：能在多种金属材料上做简单的文字、数字标记，便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类；还可标记条形码、数字符号图案。4.激光焊接：可对铝、铜、金、银、镍等金属材料进行点焊、对焊或密封焊，焊接熔深<2.5mm。焊接速度快，效率高，深度大，变形小，大深宽比5：1，最大10：1，可焊接难熔材料，并实现微型焊接。3.激光雕刻：适用于多种金属/非金属材料和复杂平面艺术图形。4.三维激光内雕刻：在计算机控制下利用激光作为加工手段，在各种形状的透明水晶玻璃中雕刻出各种立体图案、文字、人物肖像等。激光内雕技术主要用于水晶工艺品的激光内雕刻（如玻璃隔墙、玻璃屏风等）、玻璃制品行业（如玻璃杯、酒杯等）、艺术品行业（如将人像、风景等照片刻入玻璃内）、玻璃家具行业（如玻璃台桌、家具玻璃门等）、防伪（如酒瓶、调味瓶等）激光雕刻的水晶作品激光雕刻的水晶作品激光的其它应用激光淬火

激光淬火是激光快速表面局部淬火工艺的一种高新技术加工，特点是高速加热，高速自冷，硬度高，比常规高5-20%，淬火应力与变形小。激光快速成型加工医学应用：眼科手术等军事应用：对抗演习、雷达、高能束武器信息技术：激光存储（光盘）、光纤通讯真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径5～10μm斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。

电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工工作原理五、电子束和离子束加工技术

电子束束径小（最小直径可达0.01～0.05mm），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形。加工速度高，切割1mm厚钢板，速度可达240mm/min。在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。

特点及应用电子束加工的应用

控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理;使材料局部熔化就可进行电子束焊接;提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行电子束打孔、切割等加工;利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。离子束加工离子束加工的原理和物理基础离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能。它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工的特点

1)

离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础。离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米(0.001μm)级的加工精度。

2)由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。

3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。它是一种微观作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。

4)离子束加工设备费用贵，成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定限制。镀膜加工

离子镀技术已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。如在表壳或表带上镀氮化钛膜，这种氮化钛膜呈金黄色，它的反射率与18K金镀膜相近，其耐磨性和耐腐蚀性大大优于镀金膜和不锈钢，其价格仅为黄金的1/60。离子镀装饰膜还用于工艺美术品的首饰、景泰蓝等，以及金笔套、餐具等的修饰上，其膜厚仅1.5～2μm。离子镀膜代替镀硬铬，可减少镀铬公害。2～3μm厚的氮化钛膜可代替20～25μm的硬铬镀层。航空工业中可采用离子镀铝代替飞机部件镀镉。用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具寿命。一些试验表明，在高速钢刀具上用离子镀镀氮化钛，刀具寿命可提高1一2倍，也可用于处理齿轮滚刀、铣刀等复杂刀具。离子注入加工

离子注入在半导体方面的应用，在国内外都很普遍，它是用硼、磷等“杂质”离子注人半导体，用以改变导电形式，成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。离子注入改善金属表面性能方面的应用正在形成一个新兴的领域。利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制得新的合金，从而改善金属表面的抗蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能和耐磨性能等。六、超声加工超声波发生器冷却水换能器变幅杆工具头泵液体磨料工件超声加工工作原理超声加工是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工超声加工的工艺特点适合加工各种硬脆材料玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料淬火钢、硬质合金、不锈钢、钛合金等硬质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。加工质量较好由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤表面粗糙度较低，可达Ra0.63—0.08um尺寸精度可达±0.03mm适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。工具材料工具可用较软的材料、做成较复杂的形状不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面超声加工机床结构比较简单，操作、维修也比较方便。生产率较低超声加工的面积不够大，而且工具头磨损较大，故生产率较低。成形孔加工异形孔加工型腔加工雕刻切割外螺纹内螺纹表面研磨和抛光应用实例超声波加工机床超声波加工样件水刀加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d工作原理：利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件进行切割（或打孔），又称高压水切割，或“水刀”。七、水射流加工-水刀水射流加工机水刀切割机器零件铣削型腔切割非金属零件切割金属零件

加砂切割可切割任何材料，而不产生热效应或机械应力，加砂切割可完成精密切割。水刀切割机器零件

水刀切割玻璃、木材、汽车地毯水刀切割：航天工业应用

五轴复合材料切割使用超高压水刀清洗的飞机发动机燃烧罐水刀切割：石材及陶瓷业应用

加砂水刀在世界各地被运用来切割石材及磁砖。水刀切割：造纸业应用

纸尿片切割超高压水以3倍音速的速度从喷嘴射出，因此并无水份被切割材料吸收纵切器使用超高压水切割每分钟7000英尺运转速度的卷筒纸水刀切割：食品业应用八、RP技术

RP技术：快速原型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术）。

RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。

自美国3DSystems公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SL、SLS、LOM、FDM和3DP等方法。

（1）SL（StereoLithography）光固化成型、光敏树脂液相固化成型、立体印刷、立体光刻（2）SLS（SelectedLaserSintering）选择性激光烧结、选区激光烧结（3）LOM（LaminatedObjectManufacturing）叠层实体制造、分层实体制造、薄片分层叠加成形（4）FDM（FusedDepositionModeling）熔融沉积制造、熔丝堆积成形（5）3DP（3-DimensionalPrinting）三维印刷、三维打印光固化成形由CharlesHul发明并于1984年获美国专利。1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。

SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和功率的紫外激光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，