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特種加工與機械製造工藝技（jì）術的變革

2017-2-17 來源：麗水學院工（gōng）程與設計（jì）學院作者：高乾坤　吳龍飛

摘要：特種加工在機械製（zhì）造工藝技術占有非常重要的地位。特種加工方法通過電、磁、化學、聲、光等能（néng）量或組合體現在工件中被加工的位置，以此體現出材料變形（xíng）、消除（chú）、性能變（biàn）化、鍍覆等加工的方式。

關鍵詞：特種加工機械製造工藝技術

特種加工加大了可加工材料的範疇，轉變了產品的加工方式及設計理念。加工存在較大難度的新型材料，供需方麵過於繁瑣的（de）細（xì）微構件等，均能夠通過特種加工（gōng）的形式加（jiā）工。特種加工方式處理了眾多工藝中的問題，對機械製造工藝技術具有較大的影（yǐng）響。

1.特種加工技（jì）術的（de）構成以及研究進程

1.1　特種加工技術的構成

近三（sān）四十年來，特種加工技術發展較快，內涵尤為豐（fēng）富，如圖1 所示。

1.2　人工智能技術發展為特種加工工藝規律建模打下根基（jī）

特（tè）種加工的微觀（guān）物理過程尤為繁瑣，加工機理理（lǐ）論研究十（shí）分（fèn）艱難，大多較難通過簡易的解析式給予（yǔ）表述。近年來，雖然學者通過各類理論對各種特種加工技術深入分析，並獲得（dé）了良好（hǎo）的（de）理論成績，可離定量的（de）實際運用尚有一定距離。當前，特種加（jiā）工的工藝參數僅可通過經驗獲得，並不能完成最優化及自動（dòng）化。隨著（zhe）模糊數學、神經元網絡乃至（zhì）專家係統等不同人工智能技術的進步（bù），人們逐漸試著通過這些技術打造加工效果與加工因素相互間的定量化效率、精度、經濟性等（děng）實驗模型，並獲取了初（chū）步成果。所以，透過實驗建模，把典型加工（gōng）實例及加工經驗當做知識進（jìn）行保存，促使創建描繪特種加工工藝（yì）規律（lǜ）的可擴展性開放係統的環境愈（yù）發醇熟，並為不斷進行特種（zhǒng）加（jiā）工工藝過程的計算機模擬、應用人工智能選用零（líng）件的工藝流程乃至虛擬加工打下了根基。

1.3　智能（néng）控製會變成特種加工範疇重要的控製方式

大部分方式運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（guò）程十分繁瑣。到目前為止，依舊無法通過一個準確的數學模型進行概括，且（qiě）由於加工過程的進行，加工（gōng）環境（jìng）有時還（hái）會產生龐大的變化（huà），令加（jiā）工特性由於時間的（de）變化而產生變（biàn）化。所以，對控製輿論內典型模型不確定非線（xiàn）形時變係統而言，較難通過經典及現代的（de）控製理論方式獲取滿意的結論。長期以來（lái），人們通過不同自適應控製方式進行運作，可（kě）是麵對加工環境（jìng）大麵積（jī）改變的狀況，依舊無法達到滿意的性能。

這些（xiē）年來，人們將大多數精力移至模糊控製、神經控製等（děng）一些智能控製的分析（xī）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，並成功用在（zài）國外高檔（dàng）機（jī）床中。它能夠自動選擇最佳參數，自（zì）動監測加工，實現（xiàn）自動化、

圖1　特種加工（gōng）技術的構成

最優化控製。此外，還可以對模糊控製器引進自適應控製功能或與人工（gōng）神（shén）經網絡技術相融合（hé），令其具備自學習能力，以此提升加工效率，穩定加工過程，降低對操控者（zhě）技術依（yī）賴等方麵的問題。

1.4　全新特（tè）種加工技術會對製造業生產模式引發（fā）深遠影（yǐng）響

1.4.1　迅速成型技術

通過材料堆積（jī）成型的方法，轉變傳統（tǒng）去材法以及變形法機（jī）械加工的眾多阻礙，在無需（xū）工具及模具的前提下，快速（sù）打造（zào）出任何（hé）反鎖形狀（zhuàng），且又具（jù）備（bèi）相應（yīng）功能的三維實體模型或零件。

1.4.2　等離子體熔射成型工藝技術

等離子體熔射成型工藝技術是（shì）將等離子體射流作（zuò）為熱源，在（zài）各類特殊工藝環（huán）境中令材料集結（jié）成型的零件製造方式。因（yīn）為等離子體（tǐ）射（shè）流溫度較高，會溶解所（suǒ）有材料；噴射速度（dù）迅猛，會賦予熔粒以高的動能；工（gōng）藝參數協（xié）調便利，可以獲取（qǔ）較高的沉積（jī）速度。此（cǐ）外，可（kě）以通過惰性保（bǎo）護（hù）氣體（tǐ），確保製件中沒有雜（zá）質（zhì），特別適（shì）合應用於複合材料、陶瓷、高硬度高熔（róng）點合金等形狀繁瑣、薄壁件的快速製作中，運用前景較廣（guǎng）。目前，對這個技術的（de）分析尚處在初級階（jiē）段。

1.4.3　在線電解修整砂輪鏡麵磨削技（jì）術

通過弱電解中陽極溶解現象，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（xiū）整的砂輪（lún），不但表麵平整，還形成了一定厚（hòu）度的氧化膜層。砂輪處於（yú）高速旋轉時，此膜層摩（mó）擦或刮削（xuē）被（bèi）加工麵，完成硬脆材料光滑表麵的打磨及拋光，而電解修（xiū）銳參數成為對加工品質具有（yǒu）影響的主要因素。目前，此技術在硬脆材料及金屬零件完成高效的精密及鏡麵一體化技工中，具（jù）備較大的市（shì）場。

1.4.4　時變場控製、電化學機（jī）械複合加工技術

通過電化（huà）學機械加工，電化學溶解電場較易完成實時（shí）計算機控製的特征，完成加工過程內金屬零件表麵各個（gè）方麵有選（xuǎn）擇去除，以便實現高幾何精度、低表麵粗糙度的複合加工形式。其最大的特點是能夠完成金屬零（líng）件的尺寸、形狀精密加工以及光整加工一（yī）體化，明（míng）顯提升（shēng）生產率。

1.4.5　三維型腔簡易電極數控（kòng）電火（huǒ）花（huā）仿銑（xǐ）

作（zuò）為長期備受電加工行業關注的技術，人們曾對三維型腔（qiāng）簡易電極數控電火花仿銑進行了大量的研究（jiū）工作。可是，由於（yú）電極損耗和補償的繁瑣性，尤其對尖角方麵損耗嚴重（chóng）等問題，該技術（shù）長期以來（lái）一直未獲得良好的進步（bù）。直至東京（jīng）大學生產技（jì）術研究所對微小型腔加工（gōng）技術以及等損（sǔn）耗（hào）理（lǐ）論獲取佳績，才令這（zhè）一（yī）技術的（de）實際運用變（biàn）為可能，並獲取初步的實驗論證。

1.4.6　電火花混粉大麵（miàn）積鏡麵（miàn）加工（gōng）技術

電火花混粉大麵積鏡麵加工技術通過在電火花工作液內添加相應導電粉末，用於加大（dà）放電間隙，令放電點分散的（de）方式得以完成。該技術（shù）可以加工出粗糙度低於Rmax0.8μm的表層。

通過大量實驗（yàn），我（wǒ）國已經獲得（dé）了混粉（fěn）電火花鏡麵加工的根本工藝規律。在大範圍加工狀況下，運（yùn）用此技術表麵粗糙度能夠實現Ra0.107μm 的水準。因此，不論理論方麵還（hái）是工程應用方（fāng）麵，該技術均獲得了（le）實質性的轉變，且所獲取的成果在國際（jì）中處在先進水平，在國內（nèi）處（chù）於領先水平。

1.4.7　磁粒研磨技術

磁粒研磨技術運用磁場超距作用在高磁（cí）導率的散（sàn）粒體磨料來完成繁瑣曲麵研磨拋光，其優勢為（wéi）無需嚴（yán）謹掌控磨頭和被（bèi）拋光表麵相互（hù）間的相（xiàng）對（duì）位置，較易完成拋光自（zì）動（dòng）化，且拋光工具構造簡易，設施成本較低，適合於薄壁、內凹（āo）、細小的零件拋光。當前，在對磁粒研磨加工機理分析中，仔細分析磁場強度、磨料（liào）粒度、形（xíng）狀等影響方（fāng）麵，且（qiě）透過有限元法對旋轉磁場采（cǎi）取模擬計算，可以掌（zhǎng）握旋（xuán）轉磁場的動態過程。

2.特種（zhǒng）加工（gōng）的類別、運用方式及應用範疇

2.1　電火花穿孔（kǒng）加工

這一方式能夠加工所有導電材質。通過火（huǒ）花放電腐蝕金屬的道理，運用工具電極複製以及加工工件的一個工藝方法，能夠對型腔模及型腔零件進行加工。此外，還可加工衝模、擠壓模、粉末冶（yě）金模乃至型孔（kǒng）零件、小深孔零件。

2.2　激光加工（gōng）

激光加（jiā）工是經過透鏡聚焦能量密度中（zhōng）較高的激光焦點，令工件素材被融化或蒸發的一個加工形式。對激光（guāng）參數給予有效運用，能夠執行（háng）焊接、激光表麵處理、打孔、激光切（qiē）割等，且（qiě）還可以應用於封裝電（diàn）子元器件方（fāng）麵。激光加工規格（gé）精度（dù）可以限製在0.01mm 至0.001mm 的範圍中，無需通過（guò）工具（jù）便能夠用於各類材質方麵。激光（guāng）表麵處理是將功率較高的激光技術與粉（fěn）末冶金技術相互（hù）融合，對工件（jiàn）的表麵進行處理及加工，如此轉變工件的組織結構、特點乃（nǎi）至成分，以提升物理性質，並成為製作（zuò）納米材質的主要形（xíng）式[1]。

2.3　超聲波加工（gōng）方式

此加（jiā）工方式是利用加工（gōng）工具的超聲頻振（zhèn）動，通過磨（mó）料懸浮液加工硬脆材質的一個（gè）形式。超聲波加工的尺度精度範圍處（chù）於（yú）0.05 至0.01 區間，能夠運用在各（gè）類硬脆（cuì）材（cái）質（zhì）當中（zhōng），能夠加（jiā）工所有孔型及型腔，還能夠進行（háng）開槽、切割、套料、雕刻。雖然超聲波（bō）加工的生產效率不高，可是由於其（qí）加工精度及表麵粗糙度較好，所以時常用於拋磨（mó）和光（guāng）整加工工件。

2.4　電子束加工方式

此加工方式是（shì）通過高速電子衝擊動能加工金屬，依照真空原理，采取電流加熱（rè）陰極的形式發射電子束（shù），之後通過靜電加速電子束（shù）。由於受到（dào）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麵積。如此，電子（zǐ）束的能量大多（duō）都轉變成熱能，能量的密度也較高，被轟擊表層將會即刻熔（róng）化或（huò）氣化，將一些材（cái）料（liào）去除，以此順利完成加（jiā）工。電子束加工可以用（yòng）於（yú）所有材料中。而對電子束的（de）能（néng）量密度以及能量（liàng）注入時間進行掌控，則能夠執行打孔和（hé）切（qiē）割的加工。

2.5　電化學加工方式

這（zhè）一方式能夠分為兩種類別，即工（gōng）件去除金屬的陽極電解蝕除加（jiā）工和向工件中沉積（jī）金屬的陰極電鍍沉（chén）積。此加工方式能夠（gòu）對汽車的所有型腔鍛模進行加工，乃至航空、航天發動（dòng）機等彎曲的葉片等相對繁瑣的模具及零件。此外，電鍍與電（diàn）鑄能夠對相對細致繁瑣的表層進行克隆，刷（shuā）鍍則還能夠修複（fù）已經磨損的零件，而轉變物（wù）件表層的（de）物理性質。

2.6　電火花線切（qiē）割加工方（fāng）式

此加工方式利（lì）用細（xì）金屬絲做電極，對工件采取脈衝火（huǒ）花放（fàng）電腐蝕，實現切割成型（xíng）的一個加（jiā）工（gōng）形式。它能夠對所有導電材質以及形狀不同（tóng）的衝模、電極乃至切割零件進行加工。

3種加工引發的機械製造工藝技（jì）術變革

在機械加工中，製造工藝技術的主要內容如圖2 所（suǒ）示。

圖2　製（zhì）造工藝（yì）技術的主要內（nèi）容

通過（guò）製造工藝技術的主要（yào）內（nèi）容，進行的技術（shù）變革有以下幾點。

3.1　特種加工引發產品設計思路變革

特種加工處理了各類特（tè）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（jiā）工問題，令所有材料的加工（gōng）變成（chéng）可能。而迅速（sù）成型技術（shù）則令產品的迅速試製變成可能。因此，特種加工令產品設計內選擇的零件（jiàn）材質、製造工藝方式擁有更加寬泛的選擇餘地，還可以（yǐ）迅速（sù）將設計（jì）理念變成具備相應功能的（de）原型，以（yǐ）此令產品的設計思路處在創意及製造相結合的局麵。

3.2　特種加工加大了可（kě）加工材質（zhì）的範疇

特種加工方式令（lìng）機製工藝中可加工的材料範疇由普通材料發展（zhǎn）為超硬材料及特殊材料，使所有材料的加工變成可能（néng）。材質的可加工（gōng）型不再和韌度、硬度、脆度、強度等（děng）構成正比或反比。過去（qù）較難（nán）加工的硬質合金、石英、金剛石、淬（cuì）火鋼等材（cái）質，都能夠通過電火花、電解、超（chāo）聲波、激（jī）光等特種（zhǒng）加工形式（shì）進行加工。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）已經變成微細（xì）加工、納米加工的主要方式

當前，製造技術逐步朝細微、微米、納米乃至亞微米的級（jí）別發展，成為製造業融入高技術的切割點。而激光、電火花（huā）、電子束、離子束等特種加工（gōng）技術，則屬於當前高速發（fā）展（zhǎn）中的微細以（yǐ）及納米加工的重要方式（shì）。

3.4　特種加工轉變了傳統結構工藝性的好與壞

傳統加工方式將（jiāng）方孔、小（xiǎo）孔、彎孔、深孔（kǒng）、窄縫等歸類為結構工藝性較差，有的狀況（kuàng）中則被歸類為（wéi）工藝性較壞（huài），甚至還會被設定（dìng）為結（jié）構設計（jì）禁區（qū）。特（tè）種加工則令這個壞變為了可能，並將其變身為好（hǎo）。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麵相同。

3.5　特種加工將轉（zhuǎn）變新產品試製的（de）傳統模式

新產品的傳統模式通常為模具、道具、量具，乃至工裝夾具設計製造等方麵（miàn）。當（dāng）前，運用數控電（diàn）火花線切割，能夠直接製作花鍵孔、鈑金異型孔、非標直（zhí）齒輪，且可加工繁瑣的二次曲麵（miàn）零件。所以（yǐ），特種（zhǒng）加（jiā）工方式的運用不但能夠加快產品的試製速度，還能夠節省龐（páng）大的新產品試製（zhì）費用，從而轉變（biàn）新產品設計試製的形式[3]。

3.6　特種加工（gōng）轉變了過去淬火工藝（yì）路線和零件不良品的可修複性

特種加工（gōng）產生後，轉變（biàn）了淬火熱處理工序必須設置在除磨削（xuē）之外的其餘切（qiē）削成形加工以後的傳統工藝（yì）標準。因為特種加工不被（bèi）工件硬度（dù）所束縛，因此有時為了免除成型加工後淬火熱處理引發的（de）應力變形，可以先（xiān）進行淬火，再進行加工。而以往認為無法修複的不良品，如今也均能夠通過特種加工（gōng）進行修複。

4.結（jié）束語

總而言之，特（tè）種加工技術對機械製造工藝技術而言具有深遠的意義，已經變成當前製造技術中關鍵的構成部分。由於科技與工業的不斷發展，使特種加工必須不斷完（wán）善和發展，才能使其不斷加快科學（xué）技術與現代工業的發展，從而展（zhǎn）現出自身的價值。

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