第二节　特种加工

第二节　特种加工

特种加工是指利用电能、化学能、光能、声能、热能及机械能等能量对工程材料进行加工的工艺方法。在特种加工过程中，刀具与工件基本不接触，不存在切削力和工件材料性能对加工的影响，因此又称为无切削力加工。

特种加工能解决普通机械加工方法无法解决或难以解决的问题，如各种难加工材料的加工和各种特殊、复杂表面的加工等，已成为机械制造科学中一个新的重要领域，在现代制造技术中占有越来越重要的地位，同时已在现代制造、科学研究和国防工业中获得了日益广泛的应用。

特种加工按能量形式和加工机理可分为电火花加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）、电解加工（ECM）、激光加工（LBM）、超声波加工（USM）、电子束加工（EBM）、离子束加工（IM）和等离子体加工（PAM）等。

一、电火花加工

电火花加工（又称电腐蚀加工）是利用工具电极和工件电极之间脉冲性的火花放电，产生瞬间高温将金属蚀除而将工件逐步加工成形的方法（如图11-1所示）。加工时，工具电极（石墨或紫铜制成）和工件电极均浸泡在工作液（煤油及很少量机油）中，脉冲电源发出一连串脉冲电压，加到工具电极和工件电极上， 自动调节进给装置使工具电极缓缓下降，并保持与工件电极的放电间隙，经过每秒成千上万次的放电，工具的轮廓和截面形状即复映到工件表面上。

电火花加工机床主要是由脉冲电源、间隙自动调节器、机床本体和工作液过滤系统组成的（如图11-2所示）。根据工具电极的形式、相对运动的方式等，电火花加工可分为电火花成形加工、电火花线切割、电火花磨削、电火花同步回转加工和电火花表面强化。

电火花线切割加工是用连续移动的导电金属丝（钨丝、钼丝、铜丝等）作阴极，工件为阳极，两极通以直流高频脉冲电源，机床工作台带动工件在水平面两个坐标方向作进给运动，就可以切割出二维图形（如图11-3所示）。电极丝是一次性使用。根据线电极的移动速度可分为快速走丝（10 m/s）和慢速走丝（8 m/s）两类机床，慢速走丝机床加工精度高，是发展方向。

目前电火花线切割加工广泛用于各种冲裁模、样板以及各种形状复杂的型孔、型面和窄缝等的加工。绝大多数电火花线切割机床已实现了数控，数控电火花线切割机床有多维切割、重复切割、丝径补偿、图形缩放、移位、偏转、镜像、显示和加工跟踪、仿真等功能。

电火花加工的工艺特点是：　（1）可加工任何硬、脆、韧、高熔点的导电材料和热敏材料及在一定条件下加工半导体、非导电材料；　（2）可进行精密微细加工以及小孔、薄壁、窄槽和各种复杂形状的型孔、型腔等零件的加工；　（3）可在同一台电火花加工机床上连续进行粗加工、半精加工和精加工。精加工后表面粗糙度Ra值为1.6～0.8μm。

电火花加工的主要应用为：　（1）穿孔加工。主要用于各种型孔（圆孔、方孔、多边孔异形孔等）、小孔（直径为0.1～1mm）和微孔（直径小于0.1mm）等的加工；（2）型腔及曲面加工。主要用于锻模、挤压模、压铸模、塑料模等型腔以及叶轮、叶片等各种曲面的加工。

二、电解加工

电解加工是利用金属工件在电解液中所产生的阳极溶解作用而进行加工的方法（如图11-4所示）。加工时，工件作阳极接电源正极，成形的工具作阴极接电源负极。工具向工件缓慢进给，两极间保持较小的间隙（0.1～1 mm），具有一定压力（0.5～2MPa）的电解液（NaCL或NaNO3）从间隙中流过，工件金属就逐渐被溶解腐蚀，电解产物被高速流动的电解液带走，最终在工件上留下工具的形状。

电解加工的工艺特点是：　（1）可加工高硬度、高强度和高韧性的难切削金属材料；（2）表面加工质量好。表面粗糙度Ra值为0.8～0.2μm，比电火花加工好，但尺寸精度不如电火花加工；　（3）腐蚀作用强，机床维护费用高，对环境有污染。

电解加工主要用于各种型孔、深孔、套料、膛线、型腔模具和复杂型面的加工以及电解抛光、去毛刺、切割和刻印等。

电解加工比电火花加工的生产效率高，但加工精度较低，机床费用高，故适用于成批和大量生产，多用于粗加工和半精加工，而电火花加工则适用于单件小批量生产。

三、激光加工

激光加工是利用大功率的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬间熔化或蒸发，并在冲击波的作用下，将熔融物质喷射出去，从而对工件进行穿孔、蚀刻、切割及焊接的方法（如图11-5所示）。激光是由处于激发状态的原子、离子或分子受激辐射而发出的得到加强的光，是一种能量密度高、方向性强、单色性好的相干光。加工时，利用透镜将激光聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，可产生几万摄氏度的高温，使任何金属或非金属材料立即气化蒸发，并产生很强烈的冲击波，使熔化物呈爆炸式喷射去除。

激光加工不使用加工工具，可以通过空气、惰性气体或光学透明介质进行加工，几乎可加工所有金属或非金属材料（包括石英、陶瓷、金刚石等硬脆材料）。激光光斑大小可聚焦到微米级，可用以精密微细加工，加工深而小的微孔（最小孔径可达0.001mm）和窄缝。激光加工速度快、效率高，打一个孔只需0.001s，易于实现自动化生产和流水作业，且无机械加工变形，热影响区也很小。 目前，激光加工主要用于打孔、切割和焊接。

四、超声波加工

超声波加工是利用工具作超声振动，带动工件和工具间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件的被加工部位，使其局部材料破碎成粉末，来进行穿孔、切割和研磨等的加工方法（如图11-6所示）。加工时，工件、磨料、工具紧密相靠，由于工具的超声振动使悬浮磨料液以很大的速度、加速度和超声频打击工件，使工件局部材料变形，受击处产生破碎、裂纹，成微粒而脱离工件，这是磨粒撞击和抛磨作用。同时磨料悬浮液在超声波振动作用下产生液压冲击和空化现象，促使液体渗入被加工材料的裂纹处，加强了机械破坏作用，液压冲击也使工件表面损坏而蚀除，逐步使工件形成与工具端面形状相似的型腔而达到加工目的。

超声波加工不仅能加工硬质合金、淬火钢等脆硬材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料。超声波加工可加工脆硬材料上的圆孔、型孔、套料微细孔等，也可用于切割、雕刻、研磨、清洗和焊接加工。

超声波加工的生产率虽比电火花、电解加工低，但加工精度较高，加工后的表面粗糙度值较小，Ra值可达1.0～0.1μm，常作为提高质量的进一步加工。

五、电子束加工

电子束加工是在真空状态下利用高速电子的冲击动能来加工工件的（如图11-7所示）。加工时，利用电能将阴极加热到2700℃以上，发射电子并形成电子云，向阳极方向加速运动，经聚焦后得到能量密度极高（可达109 W/cm2 ）、直径仅为几微米的电子束。它以极高的速度作用到被加工表面上，而使局部材料瞬时熔融、气化蒸发而被蚀除，达到加工目的。

电子束加工是通过热效应实现加工的，可用于各种脆硬、韧性、导体、非导体、热敏性、易氧化材料，金属或非金属的加工，加工速度快、生产效率高，加工中工件产生的应力和变形很小、不易氧化，加工过程易实现自动化。

电子束加工常用于精微深孔和窄缝的加工，也可用于焊接、切割、热处理、蚀刻等。

六、离子束加工

离子束加工是在真空状态下将离子源产生的离子束流经加速、聚焦后，撞击到工件表面上，引起材料变形、破坏和分离而实现加工的方法（如图11-8所示）。离子束比电子束具有更大的能量。

离子束加工是通过力效应实现加工的，其主要用于精密、微细以及光整加工，特别是对亚微米至纳米级精度的加工。通过对离子束流密度和能量的精确控制，可以对工件进行离子溅射、离子铣削、离子蚀刻、离子抛光和离子注入等纳米级加工。如利用离子溅射，加工非球面透镜；利用离子掺光，可加工出没有缺陷的光整表面；利用离子注入加工，可实现半导体材料掺杂、高速钢或硬质合金刀具材料切削刃表面改性等。

离子束加工被认为是未来最有前途的超精密加工和微细加工方法。

七、复合加工

复合加工是将机械加工和特种加工叠加或两种及两种以上的特种加工合理地组合在一起的加工方法。它能成倍地提高加工效率和进一步改善加工质量，是特种加工发展的重要方向。

电解磨削是利用电解作用与机械磨削相结合的一种复合加工方法（如图11-9所示）。加工时，导电砂轮接阴极，工件接阳极，且两者之间保持一定的接触压力，加工区域送入电解液，在电解和机械磨削的双重作用下，工件很快达到加工要求。在电解磨削中，电解作用是主要的，金属主要靠电化学作用腐蚀下来，砂轮起着磨去电解产物阳极钝化物和平整工件表面的作用。

电解磨削在加工时几乎不产生磨削力和磨削热，工件不会出现裂纹、烧伤和变形等缺陷，可以高效、高质地磨削各类硬质合金、高速钢等切削刀具以及各种强度高、韧性与脆性大、热敏感材料所制成的工件。但设备费用较高。