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  特種加工  
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淺談特種加工的技術

  特種加工技術是直接利用電能、熱能、聲能、光能、電化學能、化學能及特殊機械能等多種能量或其復合能量以實現材料切除的機加工方法。其研究范圍是電加工、高能束流(激光束、電子束、離子束、高壓水束)加工、超聲波加工及多能源復合加工。其特點是:①以柔克鋼 因工具與工件不直接接觸,加工時無明顯的機械作用力,故機加工脆性和高硬度材料時工具硬度可低于被加工材料的硬度;②以簡運動可加工復雜型面,許多特種加工技術只需簡單運動即可加工出三維復雜型面;③不受材料硬度限制。因特種加工的技術的瞬時能量密度高,可直接有效地利用各種能量,造成瞬時或局部熔化,同時以強力、高速爆炸、沖擊去除材料。其加工性能與工件材料的強度和硬度無關,故可以加工各種超硬超強材料、高脆性和熱敏材料以及特殊的金屬和非金屬材料。④可以獲得良好的表面質量。在特種加工過程中,工具表面不產生強烈的彈、塑性變形,故特種加工有些方法可以獲得良好的表面質量和表面粗糙度。熱應力、殘余應力、冷作硬化、熱影響區及毛刺等表面缺陷均比機械切削小。⑤各種加工方法可以任意復合,形成揚長避短的新型復合加工方法,可以擴大其應用范圍。

國外概況:

    特種加工技術的發展可以追溯到20世紀50年代。20世紀以來,科學技術發展到了一個嶄新階段,特別是在新技術革命浪潮推動下,生產和科學技術的發展更為迅速。在許多工業部門特別是國防工業部門,高技術產品要求向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率和小型化方向發展,對材料的要求越來越來高。相應地涌現出大量的具有高熔點、高強度、高硬度、高脆性和高純度等特殊性能的材料。為了滿足高技術產品的高性能要求,零件的結構形狀愈來愈復雜,對精度、表面粗糙度和表面質量的特殊要求愈來愈高,特別是對表面完整性提出了更加嚴格的要求。50年代以來,航空航天技術迅猛發展,高性能的航空產品要求具有很高的強度重量比和性能價格比,而且要求在高溫、高壓、高速、大載荷和強腐蝕等苛刻的條件下長期而可靠的工作。飛機、航空發動機、航空電子及儀表設備以及其他高技術武器裝備的工作條件隨著性能的提高而不斷惡化。為此高性能的飛機、航空發動機等高新武器裝備,必須不斷發展和采用新結構和新材料。現代高性能的飛機和航空發動機上大量采用了鈦合金、復合材料、粉末冶金和定向凝固高溫合金材料。在高性能 戰斗機上鈦合金用量已經達到30%以上如F-22戰斗機鈦合金用量已經達到36%、碳纖維增強樹脂基復合材料用量達到25%,而且先進復合材料的用量在先進戰斗機上有不斷增加的趨勢。預計到2000年的高性能航空發動機的結構材料中超級合金、粉末冶金和定向凝固合金的結構重量約占55%,復合材料用量約占20%,鈦合金重量約占10%高強度結構鋼用量占15%,陶瓷材料占2%。航空發動機的熱端部件將繼續發展高溫高強高韌合金特別是各向異性的超級耐熱合金、熱障陶瓷涂層材料、陶瓷結構材料。渦輪葉片已廣泛采用定向凝固、單晶合金、快速凝固合金、粉末冶金合金和陶瓷材料;正在研制陶瓷和陶瓷基復合材料的渦輪葉片。為了提高和確保現代飛機和航空發動機的性能、可靠性和嚴格的質量要求采用了大量的新型結構。如根據高性能航空發動機對結構效率的要求,發動機的結構發生了重大變化,大量采用整體結構、蜂窩結構、鈑金焊接結構和復雜的冷卻結構。推重比20發動機將采用整體鼓筒式全復合材料壓氣機轉子結構,以減輕結構重量;

    上述新材料和新結構的大量采用使得高性能飛機、航空發動機等現代武器裝備的可加工性和可生產性急劇惡化,對制造技術提出更加苛刻的要求。許多新型材料和新型結構采用常規加工方法是難以加工甚至是根本無法加工的。為此必須解決:①難加工材料的機加工;②復雜型面的加工;③高精密表面的加工(微米級、納米級精度;表面粗糙度Ra≤0.01μm);④特殊要求零件的加工(壁厚≤0.1mm薄壁和彈性零件等)。20世紀50年代以來國外工業界通過各種渠道,借助各種能量形式,探尋新的加工途徑,相繼推出了多種與傳統加工方法截然不同的新型的特種加工方法,如電火花加工、電解加工、化學加工、超聲波加工以及高能束加工等。20世紀70年代以來,以激光、電子束、離子束等高能束流為能源的特種加工技術獲得了迅速發展和廣泛應用。目前以高能束流為能源的特種加工技術和數控精密電加工技術已成為航空產品制造技術群中不可缺少的分支。在難加工材料、復雜型面、精密表面、低剛度零件及模具加工等領域中已成為關鍵制造技術。特種加工技術的發展和擴大應用大大促進了航空產品的發展,使一些先進的高性能飛機、發動機和機載設備的制造和生產得到可靠的保證。國內外經驗表明,沒有先進的特種加工技術,現代高性能航空產品難以制造和生產。因此先進的特種加工技術的開發和應用是與現代航空技術的發展息息相關,國外對此項技術的發展和應用給予了高度重視。

    特種加工技術的發展趨勢:隨著現代航空技術的發展,特種加工技術在現代航空武器裝備的發展中起著愈來愈重要的作用,已經成為現代航空武器裝備的關鍵制造技術.工業發達國家國防工業部門和國防軍事部門高度重視先進特種加工技術的發展。70年代以后,先進特種加工技術有了長足的發展,到了80年代已經成為先進飛行器制造中定型的制造技術,從而解決了先進飛行器制造中難加工材料和復雜結構穩定的高質量加工問題。目前為了加速先進技術戰斗機和高性能民用客機的發展,對特種加工技術的技術水平、經濟性和自動化程度(降低成本、提高質量)提出了更高的要求,從而促進了先進特種加工技術的發展。先進加工技術的總體發展趨勢是:①廣泛采用自動化技術,實現計算機數控化。充分利用計算機數控技術對特種加工設備的控制系統、電源系統進行優化,建立綜合參數自適應控制裝置和數據庫等,進而建立特種戛的CAD/CAM和FMS系統,這是當前特種加工技術的主要發展趨勢;②開發應用復合工藝和新工藝方法。現代高性能航空器的發展新型結構材料和高精密復雜結構的大量采用,進一步加劇了結構工藝性的惡化,單一的特種加工方法難以達到高精度、高質量、高效率和低成本綜合技術與經濟指標要求,因而進一步加速開發和應用新型特種加工技術和由多種能源組成的復合工藝。目前由二種能源復合的特種加工技術,如電解電火花加工(ECDM)、電解電弧加工(ECAM)、電火花機械復合加工、機械超聲波復合加工等復合工藝已成為國外國防工業和機械工業著力發展的特種加工技術。由于復合工藝可以揚長避短, 經濟高效,可取得明顯的技術經濟效果,因此受到先進工業國家的工業部門的普遍關注。③大力開展精密化研究。高技術的發展促使高技術產品在向小型化和精密化方向發展,對產品零件的精度和表面粗糙度提出更高更嚴格的要求。如飛機慣性儀表中關鍵零件的制造要求達到微米級以上。氣浮陀螺和靜電陀螺的內外支承面的球度達到0.5--0.05μm,尺寸精度為0.6μm,表面粗糙度為0.025-0.012μm;激光陀螺的平面反射鏡平面度為0.03-0.06μm,表面粗糙度小于0.012μm。飛機控制系統的23%零件精度達到微米級以上。隨著高新技術的發展,超精密加工技術有了很大的發展,正從亞微米級向毫微米(10-9m)和納米級(10-15m)發展。為適應這一發展趨勢的需要,以高能束流加工技術為代表的先進特種加工技術的精密化研究引起工業界的高度重視。因此大力發展超精加工的特種加工技術是今后相當長的時期內的重要發展方向。

    主要特種加工技術的發展趨勢:

    1、電解加工技術

   ·應用范圍不斷擴大:計算機數控陰極作復雜運動的電解加工技術,在加工三維復雜型面和型孔等方面的應用將得到進一步擴大應用;

   ·提高加工精度:型腔和型孔加工精度可提高到≤0.04mm,小尺寸高精度的零件大批量生產,電解加工精度可提高到10μm或更高;其他仿形加工精度可提高到≤0.1mm。

   ·降低成本:提高設備自動化程度實現計算機數控化,減少手工勞動,降低工具陰極的制造費用;

   ·提高生產率:2000年前單機生產率提高80%,可望推出自適應控制的全自動電解加工機床,電源單位功率將增大1.2倍,電流密度增加1倍;

   ·建立柔性電解加工系統(FMS):電解加工實現計算機數控后也可以進入柔性制造系統,實現柔性自動化。羅·羅公司已經建立葉片柔性制造系統。它是由電火花加工機床(用于下料)、電解加工機床(用于葉片型面加工)、去毛刺機床、型面檢測機、電火化去除工藝凸臺機床以及榫頭加工機床、傳輸小車和機器人等設備構成,實現了從方料直接加工成葉片的柔性自動化生產。該柔性制造系統的成功投入生產標志著電解加工開創了新紀元,電解加工技術達到了新的水平,取得了突破性進展。

   ·大力開發與應用計算機仿形電解加工技術:在這方面,波蘭華沙大學研究的滾動電解仿形加工已成功地應用于直升機旋翼支架的型面加工;前蘇聯研制了柔性電解仿形加工機床的加工精度可以達到0.02mm/表面粗糙度可達到0.2-0.6μm。

   ·開展理論研究建立電解加工過程數學模型:預計2000年可推出成熟的理論,建立描述電介質流動狀態對加工間隙尺寸影響的過程模型,利用過程模型通過計算即可確定最佳加工間隙值,可以取代用經驗和試驗方法確定間隙值的方法;利用數學模型確定電解加工規范,可以進一步提高電解加工精度和質量。

    2、電火花加工

   ·大力開發應用CNC電火花加工技術:美國、西歐、日本已開發出可以實現四、五坐標聯動CNC電火花加工機床和加工中心和CAD/CAM系統軟件。加工過程實現計算機數控后,電火花加工精度可提高至1μm表面粗糙度達到Ra0.1μm以下。為了提高加工精度,在CNC電火花加工機床上可加裝加工精度自動補償裝置。

   ·開發應用自適應控制和加工過程最佳化技術:實現無人化加工,提高加工效率和加工精度。

   ·大力發展微細電火花加工技術:高技術產品趨于微小型化和集成化,微小型零件的尺寸精度、表面粗糙度等均已達到常規工藝無法適應的地步。因此微細電火花技術的發展受到國外高度重視。日本已經用微細電火花加工技術加工出10μm的電極,并用此電極加工出15μm的微小孔,深徑比可達10:1,圓柱度和表面粗糙度均可達到很高的水平;微細電火花模腔蝕刻技術與電火花拋光技術組合應用表面粗糙度可達到鏡面質量要求。

   ·開展行星式電火花加工技術應用研究:工具電極以幾十--幾百μm為半徑作有軌道運動可提高加工效率、改善工件底部表面加工的表面粗糙度、提高加工表面與工具形狀的一致性、消除電極端角腐蝕。

   ·開發應用多頭多電極高速電火花打孔技術:美國GE公司制造CFM56發動機短環燃燒室7000余個氣膜冷卻孔(直徑Ф0.75--2.5mm, 孔深1--6.25mm) 采用組合式多工作頭多電極(6個工作頭,每個工作頭36個電極)計算機數控電火花加工機床,提高了自動化程度和加工效率。

    3、激光加工技術

    主要發展趨勢是:向系統化、多功能化、系列化、通用化、小型化和柔性化方向發展。由光導纖維引導激光束,機器人操縱導光系統、裝卸工件,計算機多坐標數控,多功能柔性化激光加工系統的開發和應用是適應高技術航空產品發展的重要發展方向。

    4、電子束加工技術

    電子束加工技術的應用改變了原有的設計思想。可將原有的高精度型面復雜難加工或無法加工的大型整體零件分成若干個易加工的單元,精加工和熱處理以后,用電子束將其焊接成整體零件。由于電子束焊接實現了常規加工技術難以達到的特殊要求,故已成為現代航空產品制造中廣泛應用的關鍵制造技術,各個飛機和發動機制造公司的生產線上均配套配置有大中小型電子束焊機用于關鍵零件的焊接。電子束加工設備的最新發展動向是,提高輸出功率,輸出功率范圍可達100W--100kW;提高加速電壓,加速電壓范圍可達60--180kV;控制系統實現計算機數控化、電子束旋轉高速化、電子束功率脈沖化。

    5、離子束加工技術

    它是一種微細加工技術,成為航空電子設備和精密機載設備的關鍵制造技術之一。它是應用離子蝕刻技術、離子濺射技術、離子鍍膜技術和離子注入技術完成精密零件的精密成形加工和特殊表面層的制備。離子束加工技術在航空電子設備和高精密機載設備的微細加工和超精密加工中具有至關重要的作用,工業發達國家的航空工業界高度重視此項技術的發展與應用。離子束加工技術主要發展方向是實現計算機數控自動化、超精密化、經濟與高效化。

關鍵技術:

    我國高能束流加工技術缺乏基礎研究和應用研究,因而造成高能束加工過程質量不穩定,自動化程度低。如何提高高能束加工質量,提高工藝過程的穩定性和加工過程的自動化程度是當前我國在加速發展和擴大應用高能束加工技術必須解決的技術難點。今后的研究重點是:加強高能束流的基礎和應用研究,提高高能束流的性能即提高能束源的功率、束流品質及工作的穩定性、可靠性;實現高能束流加工過程計算機模擬、優化控制以及計算機自動監控、自動檢測、自動顯示、自動修復缺陷、自動反饋修正加工參數的計算機自適應控制。研究新型材料及難加工材料的高能束流加工方法、工藝參數優化以及高能束流加工對材料性能和使用壽命與可靠性的影響。

應用與影響:

    60年代后期,電解加工首先用于加工航空發動機渦輪葉片型面,一次成形,實現高效率生產取得良好的技術與經濟效益;電解加工技術已經成為航空發動機大而簿、剛性差的鈦合金風扇葉片、機匣等殼體件和整體渦輪的葉片復雜型面的重要加工方法。采用電解加工成功地解決了高效率、高經濟性、低成本的加工問題,從而改善了航空發動機、火箭發動機等零件的結構工藝性。高能束流加工技術以及在我國新型高性能航空發動機的研制和生產中取得良好的技術與經濟效益。如采用激光打孔技術解決了當前高性能航空發動機上數以萬計的冷卻孔的加工,使渦輪前的工作溫度提高300~3500c,提高發動機推力20%~30%;先進電子束焊接解決了正在研制的新型航空發動機壓氣機整體轉子焊接結構的制造和生產問題,省去了大量機械連接件,減輕結構重量10%~20%,提高了結構剛性和完整性;采用等離子噴涂技術獲得高溫熱障涂層,提高航空發動機熱端部件耐高溫性能達100~2000c;高溫封嚴涂層使航空發動機的總推力提高1%~2%;高溫耐蝕涂層使零件工作壽命提高1~2倍。目前,國內外在現代航空武器裝備研制和生產中,以高能束流為代表的特種加工技術已經成為不可缺少的重大關鍵制造技術,在國民經濟和國防武器發展中起著至關重要的作用,受到高度重視。為了加速高能束流加工技術的發展,我國建成了高能束流加工技術國防重點實驗室。

 

發表時間:2010-12-03 09:47:47        文章訪問次數:2531
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