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1、精选优质文档-倾情为你奉上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 This paper summaries and analyses the latest overseas advancements of nontra 2ditional machining methods such as electro 2disch
2、arge machining ,laser beam machining ,elec 2trolytic machining ,as well as ultrasonic machining.This review also gives a prospect on the de 2velopment of non 2traditional machining technology towards the 21st century and provides a refer 2ence to the domestic research.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
3、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
4、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1EI 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19
5、84年线电极电火花磨削(WED G 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;WED G 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。WED G 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215m 的微细轴和5m 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WED G 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
6、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
7、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500m 、300m 、200m 。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
8、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
9、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013mm 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、,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ZrO 2和非氧化物陶瓷(如Si 3N 4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
15、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WC 2Co 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J 1
16、Siman 及Spark Tech 公司的EI 2Menshawy 等人就冷轧辊表面的电火花毛化(ED T 技术进行了一系列卓有成效的研究。研究表明,ED T工艺的R a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R a的大小。其毛化表面的粗糙度选定范围较宽,可达R a01510m;而且由于ED T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
17、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MAR K21电源系统,瑞士阿奇公司的电火花机床A GIETRON C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
18、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A GIETRON U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。
19、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
20、。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
21、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 Hans Kurt T ; 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
22、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 Takeo TAMU RA 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 1021
23、5 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 2 216m 。输
24、出功率的稳定度好于 2 % , 能 量峰值密度约为 115 107 W/ 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 YA G 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 M
25、EMS 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 ,
26、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 WED G 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 璃上加工出了直径为 15 m 的微孔 , 1998 年又成功地加工出了直径为 5 m 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
27、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 M EMS 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
28、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
29、 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
30、 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 专心-专注-专业