1.1特种加工在现代制造工业中的作用和发展趋势

1.1　特种加工在现代制造工业中的作用和发展趋势

特种加工技术(non-traditional machining，NTM)的发展可追溯到20世纪40年代初。1943年，苏联科学家拉扎连柯夫妇研究了电器开关在闭合与断开时经常发生电火花烧蚀现象，能否变有害作用为可用的加工方法呢?考虑到金属在电火花放电的高温中可被瞬间熔化腐蚀，从而进行了电火花放电加工金属材料的研究，经过反复的试验研究，终于发明了电火花加工技术，并发表了世界第一篇关于电火花放电加工的学术论文。电火花加工是工具和工件的非接触加工，可使用软的工具加工高硬度、高强度的工件材料，是一种不靠机械切削力来去除材料的加工方法。

20世纪50年代以来，在新技术革命浪潮推动下，生产和科学技术的发展非常迅速，许多工业部门特别是国防工业部门，高技术产品要求精度越来越高、形状越来越复杂、对材料的要求越来越高，向着高温、高压、大功率和小型化方向发展。这样就出现大量的具有高熔点、高强度、高硬度、高脆性等特殊性能的材料。为了满足高技术产品的高性能要求，零件的结构形状更复杂，对精度、表面粗糙度和表面质量的要求更加的高，特别是对表面完整性提出了更加严格的要求。现代高性能的飞机和航空发动机上大量采用了钛合金、复合材料、粉末冶金和定向凝固高温合金材料。在高性能的战斗机上钛合金用量反映出飞机的性能，一般使用钛合金越多飞机性能越好，如F-22战斗机钛合金用量已经创纪录地达到36%。航空发动机的热端部件将持续发展高温、高强度、高韧性的合金。因此，新材料和新结构的大量采用使得现代化工业装备的可加工性和可生产性成为亟待解决的问题，对制造技术提出更高的要求。许多新型材料和新型结构采用常规加工方法是难以加工甚至是根本无法加工的。为此必须使用新的工艺方法来解决:

①难加工材料的加工问题(如钛合金、耐热合金、金刚石、宝石等)。

②特殊复杂型面的加工问题(如涡轮叶片、锻压注塑模具成型面、炮管内膛线、喷丝板等)。

③高精密表面的加工(微米级、纳米级精度的航空陀螺仪、伺服阀等)。

④特殊要求零件的加工(如壁厚不超过0.1 mm薄壁和弹性零件，高精度低刚度细长轴等)。

20世纪50年代以来国内外工业界通过各种渠道，依靠不同的能量形式，探寻不同的加工途径，相继采用了多种与传统加工方法截然不同的新型的特种加工方法，如电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工以及激光、电子束、离子束等高能束加工等。目前，以数控精密电加工技术和高能束流为能源的特种加工技术已成为许多精密工业产品制造技术中不可缺少的加工方法。在难加工材料、复杂型面、精密表面、低刚度零件及模具加工等领域起着重要的作用。

20世纪50年代后期我国先后研制了电火花穿孔机床和线切割机床。一些先进工业国，如瑞士、日本也加入电火花加工技术研究行列，使电火花加工工艺在世界范围取得巨大的发展，应用范围日益广泛。我国电火花成型机床经历了电液伺服主轴头，力矩电机或步进电机主轴头，直流伺服电机主轴头，交流伺服电机主轴头，到直线电机主轴头的发展历程；控制系统也由单轴简易数控逐步发展到双轴、三轴联动乃至更多轴的联动控制；脉冲电源也以最初的RC弛张式电源和脉冲发电机，逐步推出电子管电源，闸流管电源，晶体管电源，晶闸管电源及RC，RLC电源复合的脉冲电源。成型机床的机械部分也以滑动导轨、滑动丝杠副逐步发展为滑动贴塑导轨、滚珠导轨、直线滚动导轨及滚珠丝杠副，机床的机械精度达到了微米级，最佳加工表面粗糙度R_a已由最初的3.2 μm提高到目前的0.1 μm以下，从而使电火花成型加工步入镜面、精密加工技术领域，与国际先进水平的差距逐步缩小。

线切割加工机床的控制也经历了靠模仿形、光电跟踪、简易数控等发展阶段，特别是我国发明了世界独创的快速走丝线切割技术后，出现了众多形式的数控线切割机床，线切割加工技术突飞猛进，为我国国民经济，特别是模具工业的发展作出了巨大的贡献。随着精密模具需求的增加，对线切割加工的精度要求越来越高，快速走丝线切割机床目前的结构与其配置已无法满足生产的精密要求，为了提高加工精度已经研发出了中走丝线切割机床，在大量引进国外慢走丝精密线切割机床的同时，国产慢走丝机床的研制工作也同步进行，至今已有多种国产慢走丝线切割机床问世。我国的线切割加工技术的发展要高于电火花成型加工技术，大厚度(＞300 mm)及超大厚度(＞600 mm)线切割机床使大型模具与工件的线切割加工得以实现，拓宽了线切割工艺的应用范围。由于各种直接用能量(声、光、电等)的加工设备不断问世，“电加工”这一概念已不能覆盖这一新工艺领域的诸多方面，于是采用“特种加工”替代“电加工”。特种加工领域除了传统的电火花成型加工、电火花线切割加工、电解加工外，还包括电铸加工、激光加工(激光焊接、打孔、快速成型等)、电子束加工、离子束加工、超声波加工(清洗、打孔等)以及一些工艺技术的复合加工等诸多方面。

特种加工技术的发展趋势:随着现代航空和模具技术的发展，特种加工技术起着越来越重要的作用，已经成为现代工业的关键制造技术，工业发达国家各个工业部门都高度重视先进特种加工技术的发展。20世纪70年代以后，先进特种加工技术有了长足的进步，到了80年代已经成为制造业中难加工材料和复杂结构稳定的高质量加工方法。目前为了加速国防、航空航天和电子等高新技术工业的发展，对特种加工技术的技术水平、经济性和自动化程度提出了更高的要求，从而促进特种加工技术的发展。

特种加工技术的总体发展趋势:

①广泛采用自动化技术，实现计算机数控化。开发应用自适应控制和加工过程最佳化技术，实现无人化加工，提高加工效率和加工精度。充分利用计算机数控技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。

②特种加工技术不仅可采取单独的加工方法，更可采用复合加工的方法。近年来复合加工的方法发展迅速，应用十分广泛。新型结构材料和高精密复杂结构的大量采用，使传统的结构工艺性面临挑战，但单一的特种加工方法难以达到高精度、高质量、高效率和低成本综合技术与经济指标要求，因而进一步加速开发和应用新型特种加工技术和由多种能源组成的复合工艺。目前由两种能源复合的特种加工技术，如电解电火花复合加工、电火花机械复合加工、机械超声波复合加工等复合工艺已成为国内外工业和机械工业着力发展的特种加工技术。由于复合工艺可扬长避短，经济高效，可取得明显的技术经济效果，因此受到先进工业国家的工业部门的普遍关注。

③大力开展精密化研究。随着高新技术的发展，对零件的精度要求更高，超精密加工技术的发展，正从亚微米级向毫微米(10^－9m)和纳米级(10^－15m)发展。为适应这一发展趋势的需要，以高能束流加工技术为代表的先进特种加工技术的精密化研究引起工业界的高度重视。因此，大力发展超精加工的特种加工技术是今后相当长的时期内的重要发展方向。