国外特种加工技术的最新进展.docx

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国外特种加工技术的最新进展

国外特种加工技术的最新进展

中国机械工程学会电加工分会　　赵万生　王振龙　郭东明　　　　　　　　　　　　　　　赵福令　朱　荻　黄因慧

　　摘　要　　就当前国际特种加工技术研究的最新进展情况,从激光加工、电解加工、超

声加工尤其是电火花加工等方面进行了较为详尽的阐述。

希望能从国外此方面的研究中,看出21世纪特种加工技术的走向,并为我国特种加工技术的研究提供借鉴。

Abstract　　Thispapersummariesandanalysesthelatestoverseas′advancementsofnontra2ditionalmachiningmethodssuchaselectro2dischargemachining,laserbeammachining,elec2trolyticmachining,aswellasultrasonicmachining.Thisreviewalsogivesaprospectonthede2velopmentofnon2traditionalmachiningtechnologytowardsthe21stcenturyandprovidesarefer2encetothedomesticresearch.

关键词　　特种加工　电火花加工　激光加工　超声加工　电解加工

1　引言

伴随着难加工材料及复杂曲面加工而逐步发展成熟起来的特种加工技术,在计算机技术、现代电力电子技术、网络技术及航天、航空、模具制造等高新技术的推动及市场牵引下,正朝着更深层次发展。

目前国际上对特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面:

（1微细化。

随着工程技术领域对微型机械的迫切需求,微细加工已不再是微电子机械技术的代名词,目前国际上对微细电火花加工、微细超声加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究正方兴未艾,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新型元器件在特种加工领域中得到了极为广泛的应用。

如大功率激光器、新型压电材料等;（3人工智能技术、网络化制造、绿色制造等新概念正逐渐渗透到特种加工领域中。

可以预言在即将到来的21世纪,与当代高新技术密切结合的特种加工技术将在制造领域发挥更大的作用;（4特种加工的应用领域正在拓宽。

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。

特种加工技术的工艺特点和技术进步已引起世界各国专家学者的高度重视。

相

收稿日期:

1999-09-20

对于70年代、80年代而言,90年代后,国际上对特种加工技术的研究更为广泛和深入。

这一点从不完全统计的EI数据库收录的有关特种加工技术的文献数量（通过主题词索引检索上可见一斑,如图1所示。

图1　EI收录的几种特种加工方法的文章数

2　电火花加工技术

211　微细电火花加工

微细电火花加工技术的研究大致可以1984年线电极电火花磨削（WEDG技术的出现为界而分为两个阶段。

此前的研究主要是针对电火花加工用于微细加工的可行性,如对电极材料、电极损耗、工作液、排屑方式及加工间隙等状况的基础性研究;WEDG技术的出现,圆满地解决了微细电

极的制作与安装问题,伴随着这一时期现代科技的飞速发展,使微细电火花加工技术进

入了实用化阶段。

WEDG技术的出现,使得微细轴孔的电火花加工成为可能,在这一方面,日本东京大学增泽隆久等人已加工出Φ215μm的微细轴和Φ5μm的微细孔,代表了当前这一领域的世界前沿。

随着微型机械的发展和WEDG技术的逐步成熟,微细电火花加工技术的研究已拓展到了三维微细型腔的加工中。

据统计,微细电火花加工在电火花加工中所占的比重正逐年增加,目前已接近10%。

在微细电火花加工中使用微小成形电极,利用传统的电火花成形加工方法进行微细三维轮廓加工显然是不现实的,这是因为复杂形状成形微小电极本身就极难甚至无法制作,而且由于加工过程中严重的电极损耗现象,将使成形电极的形状很快改变而无法进行高精度的三维曲面加工。

因此,使用简单形状的电极,借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电火花铣削加工,是当前微细电火花加工领域的研究热点。

1997年,日本东京大学余祖元博士、增泽隆久教授等提出了电极等损耗概念,并在实验中验证了这一规律。

由于在电极等损耗微细电火花加工过程中,电极的损耗只发生在电极底面,而且通过加工路径的合理规划,可使得电极端部处于等损耗状态,因此加工中电极损耗的补偿策略将变得极为简单,使得微三维轮廓的精密电火花加工成为可能。

图2是东京大学生产技术研究所利用简单形状的微细电极,通过微细电火花铣削加工而制作出的微汽车模具及用其翻制出的

微汽车模型,其长、宽、高分别为500

μm、300

μm、200μm。

为利用简单形状的电极进行复杂形状尤其是具有尖角锐边的微孔加工,日本冈山大学冈田晃等人提出了用三角形截面电极进行复杂形状微孔加工的方法。

这种方法使用经过拉拔成形的三角形截面银电极,利用精密数控技术,较好地解决了成形加工中复杂成

形微细电极制作困难及线切割加工中尖角变钝等技术难题,成功地加工出了五边形及六边形等具有尖角的微孔,如图3所示。

虽从原理上讲这种方法本身并没有太大的想象空间,但这至少从另一个侧面告诉我们,用电火花加工技术实现微细加工的途径可能还有很多

。

图

2　微细电火花加工实例照片

图3　用三角形截面电极加工出的多边孔

212　电火花加工新方法的研究21211　气中放电加工技术

一般认为,液体绝缘性工作液（如煤

油或去离子水等在电火花加工中是不可替代的,其在加工中所起的冷却、排屑和压缩放电通道等作用,使得电火花加工得以稳定、可靠地进行。

但液中放电加工也同样带来了加工设备庞大复杂、电极损耗较大等显而易见的缺点。

如果能实现真正意义上的气中放电加工,将无疑对电火花加工工艺和设备本身产生革命性的变化。

日本东京农工大学国枝正典等人对此种加工方式进行了较为深入的研究,并取得了令人振奋的实验结果。

气中放电加工的原理如图4所示。

加工过程中,管状电极作回转和轴向伺服运动,高压气体从管中高速喷出以避免加工屑反粘凝固在电极和工件表面上,同时加速了熔融和汽化金属的抛出过程,并起到冷却电极的作用。

国枝正典的研究发现,气中放电加工的最大优越性在于其加工过程中的电极损耗率极低,图5是得出的实验曲线。

可以看出,其电极损耗几乎与脉冲宽度无关,这暗示了用气中放电进行窄脉宽精微电火花加工的可能性。

利用逐层扫描铣削加工方式,国枝正典等人还利用Φ013mm的管状电极进行了气中放电三维型面的加工实验,图6是其加工实例照片

。

图4　

气中放电加工原理

图5　电极损耗率比较　图6　三维型面加工实例

21212　混粉工作液电火花镜面加工技术

电火花加工后的工件表面一般较为粗

糙,且表层有一层厚度不均、具有微裂纹和残余拉应力的“白层”,这对零件的使用性能和寿命都是不利的,无法满足精度和表面质量要求较高零件的设计和使用要求。

为此通常需要对电火花加工后的表面进行抛光,这不但增加了产品的制造周期和制造费用,而且由于对复杂型面的抛光常常是采用手工操作,抛光后工件型面的精度难于保证。

为此,如果能通过适当的手段,改善电火花加工后的表面质量,进而省去抛光工序将具有非常重要的实际意义。

由电火花加工机理可知,要改善电火花加工后的表面粗糙度,只需减小电火花加工中的单脉冲放电能量即可。

对小面积电火花加工而言,这样做是非常有效的。

但对于大面积电火花加工,由于工件和电极间形成的极间电容相应变大,对放电能量的储能作用加强,当单个小能量脉冲到来时,工件和电极间并不发生放电;只有当多个脉冲到来,极间电容中储存了足够的能量,使极间电压达到击穿值,才能发生脉冲放电。

但此时的放电能量已远大于单个脉冲能量,因此单纯通过减小单脉冲放电能量并不能完成低粗糙度值的大面积电火花加工。

80年代末日本学者毛利尚武等人在研究中发现,在工作液中添加一定数量的硅、铝等微细粉末,会显著改善电火花加工后的表面粗糙度,达到类似镜面

的效果,从而提出了混粉电火花镜面加工技术。

此后诸多学者从机理与工艺等方面对混粉电火花镜面加工技术展开了大量的实验研究。

研究表明,在工作液中添加适量的Si、Al、Ni等粉末时,导致加工表面粗糙度降低的原因可能有:

加工中放电间隙将明显增大,使放电对工件表面产生的冲击压力减小,从而使放电熔池中的熔融

金属抛出量减小,形成较浅的放电蚀坑;金属及半导体粉末与工件加工表面之间将产生微放电,使放电电流分散于整个加工表面,形成放电分散,有效地防止了放电蚀坑的多次重叠;混粉工作液还将分散极间电容,从而使极间电容减小,有效地减小了放电脉冲能量;工作液中的硬脆性粉末,对电极和工件表面可能还具有研磨、

抛光等作用。

当然对混粉工作液镜面电火花加工技术的研究目前还远未完善,有许多内容尚需进一步深入研究,但毕竟人们已经看到了实现大面积镜面电火花加工的可能性。

图7是用混粉工作液电火花加工出的三维曲面照片

。

图7　镜面电火花加工实例

21213　非导电材料的电火花加工

近年来随着非导电工程陶瓷材料应用

范围的日趋扩大,对其表面的加工性能要求也越来越高。

但这些材料大多是典型的难加工材料,用传统的接触式加工方法一般很难满足其加工性能要求。

长期以来,人们一直认为电火花加工的原理本身决定了其无法胜任对非导电材料的加工。

但由于电火花加工是一个非接触的热物理作用过程,因此对电火花加工过程进行重新认识,探索其对非导电材料的适应性问题成为目前电火花加工领域的又一研究热点。

在此方面的研究中,日本长冈技术科学大学福泽康与丰田工业大学的毛利尚武的研究具有相当的代表性。

国外许多学者还针对非导电陶瓷材料的复合电火花加工技术进行了广泛的研究。

福泽康等人的研究是基于工作液（如煤油在火花放电时的碳化导电现象而进行的。

其加工原理如图8所示。

在非导电陶瓷（工件端装有导电的辅助电极,这样在工具电极与辅助电极间就会产生通常的火花放电,并进而使非导电陶瓷材料得以蚀除。

福泽康、毛利尚武等人还就辅助

电极的安装方式及材料进行了较为深入的研究,并对氧化物陶瓷（如ZrO2和非氧化物陶瓷（如Si3N4进行了加工实验研究,取得了令人振奋的实验结果。

图9是其在陶瓷材料上加工出的星型孔照片

。

图8　非导电材料EDM

原理

图9　赛隆陶瓷电火花加工实例

21214　电火花表面处理技术

通常认为电火花加工是一个热物理作

用过程,加工过程中其放电点附近可形成接近20000℃的局部高温。

因此适当控制加工条件,并对工作液和电极材料进行适当处理,应能在被加工表面上形成抗磨损和抗氧化性能良好的表层。

日本丰田工业大学毛利尚武等人对此进行了较为深入的研究。

在小脉宽正极性精加工条件下,用Si电极对Crl3和SUS304不锈钢及用WC2Co粉末或Ti基粉末压缩成形电极对碳钢进行表面电火花强化处理,均取得了令人满意的结果,其表面的抗腐蚀性和耐磨损性均大为提高。

其他专家的研究也证实了电火花表面强化技术的良好应用前景。

英国伯明翰大学的J1Siman及SparkTech公司的EI2Menshawy等人就冷轧辊表面的电火花毛化（EDT技术进行了一系

列卓有成效的研究。

研究表明,EDT工艺的Ra均匀,再现性好,可通过调节脉冲放电参数（如脉宽、脉间、峰值电流及电压等来控制Ra的大小。

其毛化表面的粗糙度选定范围较宽,可达Ra015~10μm;而且由于EDT工艺不受被加工材料硬度的限制,因此允许轧辊选用硬度高和耐磨性好的材料;此外,由于火花放电所产生的局部高温,加上绝缘工作液的作用,使EDT对轧辊表面具有淬火作用,大大提高了轧辊的表面硬度及使用寿命;由于火花放电过程的随机性,因而电火花毛化表面不具有单一的层面,使得喷漆效果好,没有方向性。

利用电火花加工时的物理现象进行加工表面的强化和毛化处理已在实际生产中得到应用,并取得了良好的经济效益。

213　电火花加工数控系统与控制方法21311　电火花加工数控系统

80年代后,电火花加工设备及工艺已经实现了数控化和适应控制化,极大地推进了电火花加工技术的发展与应用。

目前较有影响的电火花加工数控系统有瑞士夏米尔公司的电火花机床ROBOFORM1000系列,日本沙迪克公司的MARK21电源系统,瑞士阿奇公司的电火花机床AGIETRONC系列等。

在数控系统硬件方面,先进的电火花CNC系统都采用了高速度的32位微处理器或多CPU技术。

日本沙迪克公司的A5002E型数控电火花机床,装有32位CPU,大大提高了计算的速度,可同时控制五轴。

瑞士阿奇公司的AGIETRONU型机床的CNC控制器有12个微处理器,可以对不同的任务进行并行处理。

国外的电加工数控系统还具有较高的自动化程度及系统的集成功能,如夏米尔公司的ROBOFORM1000系列电火花成形机,配有自动交换电极和自动装卸工件的电极库和机械手,可全自动地工作。

功能强大的数控系统简化了加工前的准备工作,并可以连接在柔性制造系统中。

21312　电火花加工智能控制技术

加工过程控制始终是电火花加工的一项关键技术,这是因为在电火花加工中加工过程稳定性的维持、加工效率的提高和电极损耗率的降低都直接依赖于加工过程的控制性能。

伴随着控制理论的发展,电火花加工控制技术走过了一条从简单的放电间隙伺服跟踪控制到自适应控制、智能控制的发展之路。

从70年代开始,自适应控制开始应用于电火花加工的过程控制和脉冲电源控制中,并成为这一时期的研究热点。

进入90年代后,智能控制理论开始应用于电火花加工的过程控制中,尤其是模糊控制技术和专家系统的应用获得了前所未有的成功。

目前,日本的三菱电机、沙迪克,瑞士的阿奇、夏米尔等国外知名的电加工机床制造公司都在其数控电火花成形机上不同程度地应用了模糊控制技术,并且都大幅度提高了加工效率和加工稳定性,极大地简化了操作过程,拓宽了加工的适用范围。

特别是在加工深窄槽、尖角、深型腔等方面更显示出其优异性。

3　激光加工技术

　　激光独特的光学性能使之在现代制造领域占有一席之地,解决了生产实际中的加工难题,在打孔、切割、表面处理等方面得到了广泛的应用。

随着现代电子、计算机和控制技术的发展,激光加工技术已经成为集光、机、电、计算机、控制、物理、化学和材料于一体的多学科交叉的高新技术。

311　微细激光加工

近年来,由于激光源性能的提高,微细激光加工技术得到了迅速发展,在各种金属、陶瓷、玻璃和半导体等不同材料的具有微米尺寸的微小零件或装置的加工中得到了充分的应用。

面对21世纪制造技术的挑战,微细激光加工技术的一系列优点已经引起了科技人员的高度重视。

激光加工技术具有如

下特点:

加工时间短,工件热应力小,并且可控性能好;由于是非接触无刀具加工,不存在刀具的损耗和折断等问题;在加工过程中,不需要润滑和工作液介质（如电火花加工中的煤油;由于激光器和工件可有一定的距离,故此激光加工可以在其它加工方法不易达到的狭小空间实现;由于激光高的能量密度,几乎所有的材料都可以进行加工,而不必考虑这些材料的机械性能。

尽管如此,传统的激光加工技术在生产实际中也存在着大的热影响区和不可避免的融化材料以及需要进一步精加工等不足。

针对这些问题,德国的HansKurtT;NSHOFF利用超短脉冲激光加工机加工出了高质量的微孔和图10　微细加工加工实例而且可以改善轧制条件,从而提高轧制钢板的表面质量。

我们知道,在电火花加工中,零件的表面会产生热影响层和微细裂纹。

为了提高电火花加工后零件的使用寿命,日本的TakeoTAMURA利用CO2激光器对电火花加工后的零件表面进行了处理,使热影响层和微细裂纹消失。

313　大功率和新型激光器的应用大功率和新型激光器在激光加工尤其是在激光切割中的应用已经引起人们极大的关注。

图11是德国制造的、在工业中得到应用的20kWCO2激光器样品。

图11　20kW激光器样品微小零件。

这种激光加工机的脉冲宽度为10215秒数量级,能够快速去除材料,并且没有卷边。

图10分别是在铜、钛、不锈钢和形状记忆合金上进行的微细激光加工实例。

处理的前提条件。

经过激光表面处理的材料到很大的提高。

在强度、耐磨性和使用寿命等方面上都会得表面毛化的冷轧钢板具有易于成形、改善成形时的润滑条件和增强吸附油漆的能力等特点。

而激光毛化技术是一种主要的表面毛化处理方法。

它不仅可以使轧辊表面材料《电加工》1999年第5期显微硬度提高,从而提高轧辊的使用寿命,312　材料表面的激光处理大功率的激光器的出现是材料表面激光　　该激光器的外形尺寸为3m×125m×2216m。

输出功率的稳定度好于±2%,能量峰值密度约为115×107W/cm2。

该装置在不锈钢板上的可切割厚度达到20mm,并且具有良好的切割质量;同样对于铝合金和铜的加工,也获得了良好的加工速度和加工质量。

除CO2激光器外,半导体激光器叠堆直接用于加工、焊接;半导体二极管激励的YAG激光器,其输出功率已可达1kW以上,如图12所示。

相对于传统激光器而言,新型激光器具有体积小、重量轻,对环境要求较为宽松,转换效率高和免维护等特点,应密切关注国际上在此方面的研究与发展。

—17—

MEMS技术的有力补充。

超声加工本身的效率较低,因此其单独用于加工的场合并不多,但是超声振动带来的一系列力学效应却是不容忽视的。

利用超声振动所带来的均化和空化作用以及加速度大的特点,超声电火花复合加工、超声电解加工、超声切削、超声研磨等复合加工技术受到了广泛的关注。

图12　1kW二极管激励固体激光器4　超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等特种加工技术相比,超声加工时既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用,这决定了超声加工技术在硬脆材料尤其是在非金属硬脆陶瓷材料加工方面的广泛应用。

随着压电材料及电力电子技术的发展,微细超声加工技术、旋转超声铣削技术、超声辅助特种加工技术及超声辅助机械加工技术等成为当前超声加工研究领域的热点。

在硬脆陶瓷材料的微细超声加工方面,目前的研究主要是针对微细孔和微三维结构的加工上。

1996年,日本东京大学生产技术研究所增泽隆久教授等人在超声加工机床上,利用WEDG在线加工出微细工具,并成功地利用超声加工技术在石英玻μ璃上加工出了直径为Φ15m的微孔,1998μ年又成功地加工出了直径为Φ5m的微孔,如图13所示,这是目前微细孔超声加工的最高水平。

由于超声加工中的工具及加工原理相对简单,因此配以适当的数控系统,借鉴数控铣削的方法,国外许多学者正在开展三维轮廓微细旋转超声加工的研究。

由于半导体硬脆材料（如Si等在MEMS中的成功应用,加之超声加工对此类材料的适应性,微细超声加工技术有望成为—18—图13　在石英玻璃上超声加工的微孔5　电解加工电解加工是国防工业以及其它工业的关键制造技术之一,广泛应用于发动机叶片、炮管、模具、电子零件、医疗器械等制造中。

近年来国外在电解加工方面进行了一些新的研究和尝试,并获得了很好的结果。

在经典课题———阴极设计方面取得了进展。

据了解,基于有限元等数值方法的计算机辅助阴极设计已经在美、英等国得到实际应用。

它缩短了阴极制造周期和降低了复制误差。

不过,目前这些方法还仅能对阴极形状进行近似,起着减少阴极修整次数的作用,一步到位还存在着很多困难。

脉冲电流电解加工在应用中的比重已逐渐增大。

近些年生产的中小型商业机床已较多地采用了脉冲电源。

在许多应用中,脉冲电流电解加工表现出更高的加工精度和更好的表面质量。

采取与数控铣工作方式相仿的数控电《电加工》1999年第5期

解加工（图14,集成了电解加工的优点和数控加工的柔性、自动化。

由于不需要针对每一种新零件制造专用电极,因此缩短了生产准备时间。

另外,它的实际加工面积较小,因此降低了对电源容量的要求。

当然,这些优点是以降低加工速度为代价的。

数控电解加工在过程控制、编程、减少杂散腐蚀等方面还需要进行大量的研究工作。

件表面裸露出新鲜表面,随之发生电解蚀除。

这样选择性地去除工件材料进行零件成形容。

图16　摇动电解刮削技术　　激光辅助电解液流加工的可行性已经被证实（图17。

在试验系统中,激光束与电解液流同轴射向工件。

照射在加工区的激光束起到加速电化学反应的作用。

对图14　数控电解加工示意图碳钢和非钝化电解液的试验结果表明,激光辅助可以提高加工速度和减小杂散腐蚀。

　　　　　　电解复合加工方面的研究一直比较活跃。

近年来受到广为瞩目的是电化学辅助精密磨削（图15,与常规磨削不同之处在于采用了金属基磨轮和靠近磨轮处设有一辅助电极。

在磨削过程中,充满了电解液的辅助电极和磨轮之间产生电解作用,去除了附着在磨粒上的金属和磨轮基体金属,避免了砂轮堵塞和保持了磨轮的自锐,从而提高磨削效率。

图17　激光辅助电液流加工图15　电化学辅助磨削原理图　　尚在进行中的一项研究是三维摇动电解刮削技术（图16。

这项技术采用强钝化电解液,使被加工表面产生致密钝化膜。

在加工中,表面附有磨料的三维形状电极进行摇动和振动组合运动。

被刮削到的工《电加工》1999年第5期　　与电火花成形加工和电火花线切割加工相比,电解加工的发展缓慢而曲折,这与该工艺本身的特点、工业的需求程度、相关学科的发展以及人们对它的了解密切相关。

电解加工在很多方面尚需要进一步提高,例如:

过程监测和控制、缩短生产准备周期、电解液处理、加工精度的改善等。

电解加工被期待成为一个高度自动化和柔性、高制造精度、环境友善的制造工艺。

参考文献（略—19—