特种加工工艺的应用

摘要：特种加工工艺在机加工领域占有重要的地位，解决了传统加工技术难以加工复杂工件、高硬度材料等的问题。本文介绍了超声波加工、激光加工和电火花线切割的基本原理、加工特点以及应用。

(资料图)

关键词：特种加工工艺；超声波加工；激光加工；电火花线切割

ABSTRACT：Special processing technology occupies an important position in the field of machining, which solves the problem that traditional processing technology is difficult to process complex workpiece and high hardness material. This paper introduces the basic principle, machining characteristic and application of ultrasonic machining, laser machining and EDM.

Key words：Special processing technology; Ultrasonic processing; Laser processing; Edm wire cutting

引言

传统加工技术具有悠久的历史，促进了人类社会地快速发展。自从蒸汽机开始使用直接引起了第一次工业革命的蓬勃发展，但一直到第二次世界大战之前，传统加工技术依旧占据全部的市场份额，没有产生发展特种加工的迫切需求和必要条件。但二次大战之后，随着航空航天、医疗器械、汽车等行业的的发展，出现了难加工材料、各种复杂型面的零部件以及有特殊要求的零件，这对机械制造提出了更高的要求。传统的切削加工技术是难以加工上述问题的，为解决上述问题，已经出现了多种加工方法，这些方法统称为特种加工工艺。

超声波加工

超声波加工的基本原理

超声波加工是利用振动频率超过16000 Hz的工具头， 通过磨料悬浮液对工件进行成型加工的一种方法。超声波加工原理示意图如图1.1所示，当工具以16000 Hz以上的振动频率作用于磨料悬浮液时，磨料便以极高的速度强力冲击加工表面；同时由于磨料悬浮液的搅动，使磨粒以高速度抛磨工件表面；此外，磨料悬浮液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象”。料悬浮液的循环流动，带走被粉碎下来的材料微颗粒，并使磨粒不断更新。随着加工的不断进行，工具的形状就逐渐“复制”在工件上。

超声波加工的特点

（1）主要适用于加工各种不导电的硬脆材料，如陶瓷、玻璃、石英、宝石、玛瑙、金刚石等。对于导电的硬质合金及淬火钢也能进行加工，但效率很低。

（2）由于加工过程中工具与工件之间相对运动较为简单，因此易于加工出各种复杂形状的内表面和成型表面等。采用中空形状工具，还可以实现各种形状的套料。

（3）加工过程中，工具对加工材料的宏观作用力小，切削热更小，不会产生变形和表面烧伤，所以特别适于加工某些不能承受较大机械应力的薄壁、窄缝、低刚度的零件。

（4）因为材料的去除是靠磨料的直接作用，故工具材料的硬度可以低于加工材料的硬度，而磨料硬度一般应比加工材料高^[1]。

超声波加工的应用

目前，在各工业部门中，超声波加工主要用于硬脆材料的孔加工、套料、切割、雕刻以及研磨金刚石拉丝模等。部分超声波加工应用示例如图1.2所示。但是超声波加工的面积较小，而且工具头的磨损较大，因此，生产效率低。一般超声波加工的孔径范围为0.1～90mm，深度可达100mm以上，加工孔的尺寸误差小于±（0.02～0.05）mm。

激光加工

激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到107～1011 W/cm²，温度可达10000℃以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。

激光加工原理示意图如图2.1所示，激光是由激光器转换电能产生的，经过棱镜调整传输方向和凸镜聚焦到达工件表面进行高温加工。

（1）几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。

（2） 激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。

（3） 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。

（4） 加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。

（5）无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小^[2]。

（1）激光打孔

在激光出现之前，只能采用较大硬度的物质在较小硬度的物质上打孔。但要在硬度最大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。激光出现后，这一类的操作既快又安全。随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务^[3]。

（2）激光切割

激光切割的原理与激光打孔相似，但工件与激光束要相对移动。大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

（3）激光焊接

激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。当激光的功率密度为105～107 W/cm²，照射时间约为1/100 s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可。激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。

（4）激光打标

激光打标是指通过激光在工件表面上刻出自己需要的清晰的文字或图案，作为永久的防伪标志。广泛应用于电子元器件、医疗器械、钟表、通讯器材和汽车配件等行业^[4]。

电火花线切割

电火花线切割的基本原理

电火花线切割是利用一根连续移动的电极丝作为一极，工件作为另一极，两极在特定的距离内放电，在击穿介质的同时释放出瞬间高温来融化金属进行“切割”。

电火花线切割的加工特点

（1）不需要制造复杂的成形电极。

（2）能够方便快捷地加工薄壁、窄槽、异形孔等复杂结构零件。

（3）一般采用精规准一次加工成形，在加工过程中大都不需要转换加工规准。

（4）电极丝的损耗较少，从而对加工精度的影响比较小。

（5）工作液多采用水基乳化液，不易引燃起火，安全。

（6）没有稳定的拉弧放电状态。

（7）切割加工脉冲电源的脉宽较窄（2～60μs），单个脉冲能量平均电流（1～5A）一般较小，属于中、精加工范畴。

（8）采用正极性加工方式^[5]。

电火花线切割的应用

（1）适用于各种形式的冲裁模及挤压模、粉末冶金模、塑压模等通常带锥度的模具加工。

（2）高硬度材料零件的加工。

（3）殊形状零件的加工。

（4）加工电火花成形加工用的铜、铜钨、银钨合金等材料电极

参考文献

[1]刘伟,李素丽.特种加工技术研究现状及发展趋势[J].广西轻工业,2010,26(08):52-53.

[2]江海河.激光加工技术应用的发展及展望[J].光电子技术与信息,2001(04):1-12.

[3]袁根福.激光加工技术的应用与发展现状[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2004(01):30-34.

[4]姚蔡翔.激光加工的原理、应用现状与展望[J].山东工业技术,2013(15):12-14.DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2013.15.001.

[5]王玉玲.浅谈电火花线切割加工[J].机械工程与自动化,2009(03):174-175.

好资料免费领

长按下码，关注化工设备人

【我有什么】中的子菜单【免费资料】进行了解

点击图片可看目录

关键词：