浅谈特种加工及超精密加工Word下载.docx
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2．2超精密加工精度标准及档次………………………………………………19
2．3超精密加工应用……………………………………………………………20
2．4超精密加工主要研究内容…………………………………………………20
2.5超精密加工条件…………………………………………………………21
2．6超精密加工新方法及其特点…………………………………………23
2．6．1砂带磨削………………………………………………………23
2．6．2超精密切削……………………………………………………23
2．6．3超精密磨削……………………………………………………24
2．6．4珩磨……………………………………………………………25
2．6．5超精密研磨……………………………………………………25
2．6．6抛光……………………………………………………………26
2．6．7超声波抛光……………………………………………………27
2．6．8化学抛光………………………………………………………27
2．6．9电化学抛光……………………………………………………27
2．7超精密加工发展趋势…………………………………………………28
3结论………………………………………………………………………………30
致谢……………………………………………………………………………………32
参考文献………………………………………………………………………………31
摘要
特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等…………………………………………
超精密加工的精度比传统的精密加工提高了一个以上的数量级。
到20世纪80年代，加工尺寸精度可达10纳米（1×
10-8米），表面粗糙度达1纳米。
超精密加工对工件材质、加工设备、工具、测量和环境等条件都有特殊的要求，需要综合应用精密机械、精密测量、精密伺服系统、计算机控制以及其他先进技术…………………………………………
关键词特种加工超精密加工应用发展
前言
制造业是将制造资源（物料，能源，设备，工具，资金，技术，信息和人力等）通过制造过程转化为可供人们使用与利用的工业品和生活消费品的行业，是国民经济的基础，因此，从某种意义上说，制造技术水平的高低是衡量一个国家国民经济和综合国力的重要标志之一。
制造技术的发展已有几千年的历史，从石器时代，青铜器时代，铁器时代到现代的高分子塑料时代；
从手工制造，机器制造到现代的智能控制自动化制造；
从一般精度加工，精密加工到现代的超精密加工机纳米加工。
精密加工和特种加工是新世纪知识经济时代先进制造工艺技术的重要组成部分，代表了当前先进制造技术发展的重要方向，在制造业乃至社会发展进程中起着非常重要的作用。
由于现代科学技术的迅猛发展，机械、电子、航空和国防工业等各领域，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，以及要求在高温、高压、重负荷等极端条件下长期可靠的工作。
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，其形状越来越复杂，材料的强韧性越来越高，零件表面精度，粗糙度和某些特殊要求也越来越高，因此对机械制造技术提出了下列新的课题。
（1）解决各种难加工材料的加工问题。
如硬质合金，钛合金，耐热钢，不锈钢淬火钢，金刚石等各种高硬度，高强度，高韧性，高脆性的金属和非金属材料。
（2）解决各种特殊复杂型面的加工问题。
如各种热锻模，冲裁模，冷拔模和注射模的模腔和型孔，整体涡轮，炮管内膛线等。
（3）解决各种超精密，光整或需要特殊要求零件的加工问题，如精密光学透镜，航空航天陀螺仪，伺服阀，高灵敏的红外传感器部件，大规模集成电路，微型机械和机器人零件等对表面精度和质量要求比较高的零件的加工。
要解决上述一系列问题，仅依靠传统的机械切削加工（包括磨削加工）方法是难以实现的，人们相继研发和开发各种新的加工方法，因此，超精密和特种加工技术就是在这种那个前提条件下产生和发展起来的。
目前超精密和特种加工技术已成为零件制造的重要工艺技术手段，成为世界制造技术领域的制高点，是现代制造技术的前沿。
1特种加工及其新技术
1．1特种加工概述
特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。
特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。
特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。
直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。
特种加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。
特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。
20世纪40年代发明的电火花加工开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法。
50年代以后先后出现电子束加工、等离子弧加工和激光加工。
这些加工方法不用成型的工具，而是利用密度很高的能量束流进行加工。
对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力,在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。
特种加工的发展方向主要是：
提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。
1．2特种加工加工工艺
特种加工工艺是直接利用各种能量，如电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等进行加工的方法。
（1）“以柔克刚”，特种加工的工具与被加工零件基本不接触，加工时不受工件的强度和硬度的制约，故可加工超硬脆材料和精密微细零件，甚至工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。
（2）加工时主要用电、化学、电化学、声、光、热等能量去除多余材料，而不是主要靠机械能量切除多余材料。
（3）加工机理不同于一般金属切削加工，不产生宏观切屑，不产生强烈的弹、塑性变形，故可获得很低的表面粗糙度，其残余应力、冷作硬化、热影响度等也远比一般金属切削加工小。
（4）加工能量易于控制和转换，故加工范围广，适应性强。
1．3特种加工特点
1、不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工电火花线切割加工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。
2、非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。
3、微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。
4、不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。
5、两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。
6、特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响.
1．4特种加工的应用
特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术，对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。
随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。
不论飞机、导弹，还是其它作战平台都要求降低结构重量，提高飞行速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。
为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。
为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用领域是：
难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。
难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。
低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。
以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工
1．7特种加工新技术及其特点
1．7．1电火花加工
利用电火花加工原理加工导电材料的特种加工。
又称电蚀加工。
电火花加工主要用于加工各种高硬度的材料（如硬质合金和淬火钢等）和复杂形状的模具、零件，以及切割、开槽和去除折断在工件孔内的工具（如钻头和丝锥）等。
电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水）中。
工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01～0.05mm）。
当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。
由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（10～107W／mm），放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。
第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。
如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。
与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。
图1-1电火花加工原理
1．7．1．4电火花加工工艺
（1）电火花加工机床加工工艺单电极法：
用单个电极加工工件，一般用于形状简单、精度要求不高的工件。
单电极加工也可用平动头摇动实现工件的粗、中、精加工。
（2）电火花加工机床加工工艺多电极法：
同一个工件加工用多个电极，一般分为粗、中、细三次依次进行加工，用于精密型加工。
（3）电火花加工机床加工工艺分解电极法：
根据工件的几何形状，把电极分解成若干个，用主型腔电极加工型腔主要部分，再用副型腔电极加工出尖角、窄缝型腔等部位。
（4）电火花加工机床加工规准：
粗加工，一般采用较大的电流，较大的ontime。
中加工，一般采用中等的电流，中等ontime。
精加工，一般采用较小的电流、高频及较小的ontime。
电火花加工是直接利用电能对零件进行加工的一种方法。
电火花加工设备应由以下部分组成：
脉冲电源、间隙自动调节器、机床本体、工作液及其循环过滤系统。
间隙自动调节器自动调节极间距离，使工具电极的进给速度与电蚀速度相适应。
火花放电必须在绝缘液体介质中进行。
1．7．1．1电火花成型加工
该方法是通过工具电极相对于工件作进给运动，将工件电极的形状和尺寸复制在工件上，从而加工出所需要的零件。
它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。
电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。
电火花穿孔加工主要用于型孔（圆孔、方孔、多边形孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。
近年来，为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题，在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工，取得良好的社会经济效益
1．7．1．2电火花线切割加工
电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，它用一根移动着的导线（电极丝）作为工具电极对工件进行切割，故称线切割加工。
线切割加工中，工件和电极丝的相对运动是由数字控制实现的，故又称为数控电火花线切割加工，简称线切割加工。
（1）按走丝速度分：
可分为慢速走丝方式和高速走丝方式线切割机床。
（2）按加工特点分：
可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型线切割机床。
（3）按脉冲电源形式分：
可分为ＲＣ电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源线切割机床。
图1-2线切割加工
1.7．2激光加工技术
国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO?
2激光器、kW级高光束质量的Nd:
YAG固体激光器，有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。
激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。
激光制孔的最小孔径已达0.002mm，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果。
激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。
目前薄材切割速度可达15m/min，切缝窄，一般在0.1～1mm之间，热影响区只有切缝宽的10%～20%，最大切割厚度可达45mm，已广泛应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。
激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。
激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段。
激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。
激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。
图1-3激光加工原理
国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。
在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。
目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。
完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。
激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝（含铝锂、铝镁）合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。
实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；
以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；
实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。
1．7．3电子束加工技术
电子束加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。
国外定型生产的40kV～300kV的电子枪（以60kV、150kV为主），已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。
电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。
目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：
1。
图1-4电子束加工原理
电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。
如：
F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量，提高了整机的性能；
“苏-27”及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。
国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。
因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，对电子束焊接设备的需求量也越来越大。
国外的电子束焊机，以德国、美国、法国、乌克兰等为代表，已达到了工程化生产。
其特点是采用变频电源，设备的体积、噪声、高压性能等方面都有很大提高；
在控制系统方面，运用了先进的计算机技术，采用了先进的CNC及PLC技术，使设备的控制更可靠，操作更简便、直观。
国外真空电子束物理气相沉积技术，已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层，提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。
电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。
电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。
1．7．4离子束及等离子体加工技术
表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。
美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。
等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。
图1-5离子束加工原理
等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。
配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。
微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。
我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。
真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。
等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。
离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。
1．7．5电加工技术
国外电解加工应用较广，除叶片和整体叶轮外已扩大到机匣、盘环零激光雕刻加工件和深小孔加工，用电解加工可加工出高精度金属反射镜面。
目前电解加工机床最大容量已达到5万安培，并已实现CNC控制和多参数自适应控制。
电火花加工气膜孔采用多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极同时加工的专用设备，加工效率2～3秒/孔，表面粗糙度Ra0.4μm，通用高档电火花成型及线切割已能提供微米级加工精度，可加工3μm的微细轴和5μm的孔。
精密脉冲电解技术已达10μm左右。
电解与电火花复合加工，电解磨削、电火花磨削已用于生产。
图1-6电解加工原理
1．7．6超声波加工技术
超声波加工基本原理：
在工件和工具间加入磨料悬浮液,由超声波发生器产生超声振荡波,经换能器转换成超声机械振动,使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面,把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。
在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。
因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合结果。
在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波加工,即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转,这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面,把工件材料粉碎成很小的微粒去除,以提高加工效率。
图1-7超声波加工原理
超声波加工精度高,速度快,加工材料适应范围广,可加工出复杂型腔及型面,加工时工具和工件接触轻,切削力小,不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷,而且超声加工机床的结构简单,易于维护
1．8特种加工发展方向及研究
根据上述现状，今后特种加工技术的发展方向应是：
（1）不断改进、提高高能束源品质，并向大功率、高可靠性方向发展。
（2）高能束流加工设备向多功能、精密化和智能化方向发展，力求达到标准化、系列化和模块化的目的。
扩大应用范围，向复合加工方向发展。
（3）不断推进高能束流加工新技术、新工艺、新设备的工程化和产业化工作。
为实现以上发展目标，必须开展下列加工工艺的技术研究：
1．8．1激光加工技术
无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究；
铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究；
三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究；
提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究；
激光快速成型技术研究；
大功率激光熔覆陶瓷涂层的工艺以及涂层组织结构和性能的研究。
1．8．2电子束加工技术
150kV、15kW高压电子枪及高压电源的技术研究；
电子束物理气相沉积技术的研究；
大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定；
典型复合材料飞机构件的电子束固化工艺研究及其工程化研究；
多功能电子束加工技术研究。
1．8．3离子束和等离子体加工技术
复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究；
空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究；
等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究；
层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究；
层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。
1．8．4电加工技术
高品质深小孔电液束加工技术研究；
高效、优质照相电解加工群孔技术研究；
多轴、多通道电火花加工群孔、异形孔技术研究；
大容量（5000A及以上）精密电解加工技术研究；
电解—电火花复合加工技术研究。
研究上述技术的关键在于：
提高高能束流的品质；
开展特种加工过程的自动控制及计算机建模、仿真技术的研究；
新材料加工特性研究；
特种加工设备的研究等。
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