由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,機(jī)械、電子、航空和國防工業(yè)等各領(lǐng)域,要求尖端科學(xué)技術(shù)產(chǎn)品向高精度、高速度、大功率、小型化方向發(fā)展,以及要求在高溫、高壓、重負(fù)荷等極端條件下長期可靠的工作。為了適應(yīng)這些要求,各種新結(jié)構(gòu),新材料和復(fù)雜形狀的精密零件大量出現(xiàn),其形狀越來越復(fù)雜,材料的強(qiáng)韌性越來越高,零件表面精度,粗糙度和某些特殊要求也越來越高,因此對機(jī)械制造技術(shù)提出了下列新的課題。
(1)解決各種難加工材料的加工問題。如硬質(zhì)合金,鈦合金,耐熱鋼,不銹鋼淬火鋼,金剛石等各種高硬度,高強(qiáng)度,高韌性,高脆性的金屬和非金屬材料。
(2)解決各種特殊復(fù)雜型面的加工問題。如各種熱鍛模,沖裁模,冷拔模和注射模的模腔和型孔,整體渦輪,炮管內(nèi)膛線等。
(3)解決各種超精密,光整或需要特殊要求零件的加工問題,如精密光學(xué)透鏡,航空航天陀螺儀,伺服閥,高靈敏的紅外傳感器部件,大規(guī)模集成電路,微型機(jī)械和機(jī)器人零件等對表面精度和質(zhì)量要求比較高的零件的加工。
要解決上述一系列問題,僅依靠傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工(包括磨削加工)方法是難以實現(xiàn)的,人們相繼研發(fā)和開發(fā)各種新的加工方法,因此,超精密和特種加工技術(shù)就是在這種那個前提條件下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。目前超精密和特種加工技術(shù)已成為零件制造的重要工藝技術(shù)手段,成為世界制造技術(shù)領(lǐng)域的制高點,是現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿。
特種加工及其新技術(shù)
特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”或“現(xiàn)代加工方法”,泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法,從而實現(xiàn)材料被去除、變形 、改變性能或被鍍覆等。
特種加工是指那些不屬于傳統(tǒng)加工工藝范疇的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用機(jī)械能切除多余材料的傳統(tǒng)加工方法。特種加工是近幾十年發(fā)展起來的新工藝,是對傳統(tǒng)加工工藝方法的重要補(bǔ)充與發(fā)展,目前仍在繼續(xù)研究開發(fā)和改進(jìn)。直接利用電能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能和電化學(xué)能,有時也結(jié)合機(jī)械能對工件進(jìn)行的加工。特種加工中以采用電能為主的電火花加工和電解加工應(yīng)用較廣,泛稱電加工。 特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”或“現(xiàn)代加工方法”,泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法,從而實現(xiàn)材料被去除、變形 、改變性能或被鍍覆等。
20世紀(jì)40年代發(fā)明的電火花加工開創(chuàng)了用軟工具、不靠機(jī)械力來加工硬工件的方法。50年代以后先后出現(xiàn)電子束加工、等離子弧加工和激光加工。這些加工方法不用成型的工具,而是利用密度很高的能量束流進(jìn)行加工。對于高硬度材料和復(fù)雜形狀、精密微細(xì)的特殊零件,特種加工有很大的適用性和發(fā)展?jié)摿?在模具、量具、刀具、儀器儀表、飛機(jī)、航天器和微電子元器件等制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
特種加工的發(fā)展方向主要是:提高加工精度和表面質(zhì)量,提高生產(chǎn)率和自動化程度,發(fā)展幾種方法聯(lián)合使用的復(fù)合加工,發(fā)展納米級的超精密加工等。
特種加工工藝是直接利用各種能量,如電能、光能、化學(xué)能、電化學(xué)能、聲能、熱能及機(jī)械能等進(jìn)行加工的方法。
(1)“以柔克剛”,特種加工的工具與被加工零件基本不接觸,加工時不受工件的強(qiáng)度和硬度的制約,故可加工超硬脆材料和精密微細(xì)零件,甚至工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。
(2)加工時主要用電、化學(xué)、電化學(xué)、聲、光、熱等能量去除多余材料,而不是主要靠機(jī)械能量切除多余材料。
(3)加工機(jī)理不同于一般金屬切削加工,不產(chǎn)生宏觀切屑,不產(chǎn)生強(qiáng)烈的彈、塑性變形,故可獲得很低的表面粗糙度,其殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響度等也遠(yuǎn)比一般金屬切削加工小。
(4)加工能量易于控制和轉(zhuǎn)換,故加工范圍廣,適應(yīng)性強(qiáng)。
特種加工技術(shù)在國際上被稱為21世紀(jì)的技術(shù),對新型武器裝備的研制和生產(chǎn),起到舉足輕重的作用。隨著新型武器裝備的發(fā)展,國內(nèi)外對特種加工技術(shù)的需求日益迫切。不論 飛機(jī)、導(dǎo)彈,還是其它作戰(zhàn)平臺都要求降低結(jié)構(gòu)重量,提高飛行速度,增大航程,降低燃油消耗,達(dá)到戰(zhàn)技性能高、結(jié)構(gòu)壽命長、經(jīng)濟(jì)可承受性好。為此,上述武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺都要求采用整體結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu),以及鈦合金、復(fù)合材料、粉末材料、金屬間化合物等新材料。
為此,需要采用特種加工技術(shù),以解決武器裝備制造中用常規(guī)加工方法無法實現(xiàn)的加工難題,所以特種加工技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是:
難加工材料,如鈦合金、耐熱不銹鋼、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷、金剛石、紅寶石、硬化玻璃等高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、高熔點材料。
難加工零件,如復(fù)雜零件三維型腔、型孔、群孔和窄縫等的加工。
低剛度零件,如薄壁零件、彈性元件等零件的加工。
以高能量密度束流實現(xiàn)焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細(xì)加工
電火花加工
利用電火花加工原理加工導(dǎo)電材料的特種加工。又稱電蝕加工。電火花加工主要用于加工各種高硬度的材料(如硬質(zhì)合金和淬火鋼等)和復(fù)雜形狀的模具、零件,以及切割、開槽和去除折斷在工件孔內(nèi)的工具(如鉆頭和絲錐)等。
激光加工技術(shù)
國外激光加工設(shè)備和工藝發(fā)展迅速,現(xiàn)已擁有100kW的大功率CO?2激光器、kW級高光束質(zhì)量的Nd:YAG固體激光器,有的可配上光導(dǎo)纖維進(jìn)行多工位、遠(yuǎn)距離工作。激光加工設(shè)備功率大、自動化程度高,已普遍采用CNC控制、多坐標(biāo)聯(lián)動,并裝有激光功率監(jiān)控、自動聚焦、工業(yè)電視顯示等輔助系統(tǒng)。
電子束加工技術(shù)
電子束加工技術(shù)在國際上日趨成熟,應(yīng)用范圍廣。國外定型生產(chǎn)的40kV~300kV的電子槍(以60kV、150kV為主),已普遍采用CNC控制,多坐標(biāo)聯(lián)動,自動化程度高。電子束焊接已成功地應(yīng)用在特種材料、異種材料、空間復(fù)雜曲線、變截面焊接等方面。目前正在研究焊縫自動跟蹤、填絲焊接、非真空焊接等,最大焊接熔深可達(dá)300mm,焊縫深寬比20:1。
離子束及等離子體加工技術(shù)
表面功能涂層具有高硬度、耐磨、抗蝕功能,可顯著提高零件的壽命,在工業(yè)上具有廣泛用途。美國及歐洲國家目前多數(shù)用微波ECR等離子體源來制備各種功能涂層。等離子體熱噴涂技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工程化應(yīng)用,已廣泛應(yīng)用在航空、航天、船舶等領(lǐng)域的產(chǎn)品關(guān)鍵零部件耐磨涂層、封嚴(yán)涂層、熱障涂層和高溫防護(hù)層等方面。
電加工技術(shù)
國外電解加工應(yīng)用較廣,除葉片和整體葉輪外已擴(kuò)大到機(jī)匣、盤環(huán)零 激光雕刻加工件和深小孔加工,用電解加工可加工出高精度金屬反射鏡面。目前電解加工機(jī)床最大容量已達(dá)到5萬安培,并已實現(xiàn)CNC控制和多參數(shù)自適應(yīng)控制。電火花加工氣膜孔采用多通道、納秒級超高頻脈沖電源和多電極同時加工的專用設(shè)備,加工效率2~3秒/孔,表面粗糙度Ra0.4μm,通用高檔電火花成型及線切割已能提供微米級加工精度,可加工3μm的微細(xì)軸和5μm的孔。精密脈沖電解技術(shù)已達(dá)10μm左右。電解與電火花復(fù)合加工,電解磨削、電火花磨削已用于生產(chǎn)。
超聲波加工技術(shù)
超聲波加工基本原理:在工件和工具間加入磨料懸浮液, 由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振蕩波, 經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動, 使懸浮液中的磨粒不斷地撞擊加工表面, 把硬而脆的被加工材料局部破壞而撞擊下來。在工件表面瞬間正負(fù)交替的正壓沖擊波和負(fù)壓空化作用下強(qiáng)化了加工過程。因此,超聲波加工實質(zhì)上是磨料的機(jī)械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合結(jié)果。在傳統(tǒng)超聲波加工的基礎(chǔ)上發(fā)展了旋轉(zhuǎn)超聲波加工, 即工具在不斷振動的同時還以一定的速度旋轉(zhuǎn), 這將迫使工具中的磨粒不斷地沖擊和劃擦工件表面, 把工件材料粉碎成很小的微粒去除, 以提高加工效率。
特種加工發(fā)展方向及研究
今后特種加工技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)是:
(1)不斷改進(jìn)、提高高能束源品質(zhì),并向大功率、高可靠性方向發(fā)展。
(2)高能束流加工設(shè)備向多功能、精密化和智能化方向發(fā)展,力求達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化的目的。擴(kuò)大應(yīng)用范圍,向復(fù)合加工方向發(fā)展。
(3)不斷推進(jìn)高能束流加工新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的工程化和產(chǎn)業(yè)化工作。
超精密加工及其新技術(shù)
20世紀(jì)60年代為了適應(yīng)核能、大規(guī)模集成電路、激光和航天等尖端技術(shù)的需要而發(fā)展起來的精度極高的加工技術(shù)。
超精密加工的精度比傳統(tǒng)的精密加工提高了一個以上的數(shù)量級。到20世紀(jì)80年代,加工尺寸精度可達(dá)10納米(1×10-8米),表面粗糙度達(dá)1納米。超精密加工對工件材質(zhì)、加工設(shè)備、工具、測量和環(huán)境等條件都有特殊的要求,需要綜合應(yīng)用精密機(jī)械、精密測量、精密伺服系統(tǒng)、計算機(jī)控制以及其他先進(jìn)技術(shù)。
超精密加工的精度比傳統(tǒng)的精密加工提高了一個以上的數(shù)量級,除需要采用新的加工方法或新的加工機(jī)理之外,對工件材質(zhì),加工設(shè)備、工具、測量和環(huán)境條件等都有特殊的要求。工件材質(zhì)必須極為細(xì)致均勻,并經(jīng)適當(dāng)處理以消除內(nèi)部殘余應(yīng)力,保證高度的尺寸穩(wěn)定性,防止加工后發(fā)生變形。加工設(shè)備要有極高的運動精度,導(dǎo)軌直線性和主軸回轉(zhuǎn)精度要達(dá)到0.1微米級,微量進(jìn)給和定位精度要達(dá)到0.01微米級。對環(huán)境條件要求嚴(yán)格,須保持恒溫、恒濕和空氣潔凈,并采取有效的防振措施。加工系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都應(yīng)控制在 0.1微米級或更小。這些條件是靠綜合應(yīng)用精密機(jī)械、精密測量、精密伺服系統(tǒng)和計算機(jī)控制等各種先進(jìn)技術(shù)獲得的。
超精密加工條件
精密加工技術(shù)是一項涉及內(nèi)容廣泛的綜合性技術(shù),實現(xiàn)精密加工,不僅需要精密的機(jī)床設(shè)備和工具、也需要穩(wěn)定的環(huán)境條件,還需運用計算技術(shù)進(jìn)行實時檢測和反饋補(bǔ)償,只有將各個領(lǐng)域的技術(shù)成果集應(yīng)起來.才有可能實現(xiàn)和發(fā)展精密加工。 面對這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。
(1) 精密加工機(jī)床 精密加工機(jī)床娃實現(xiàn)精密加工的首要條件,
(2) 金剛石刀具 精密切削加工必須能夠均勻地切極薄的金屬層,微量切除是精密加工的重要特征之一。金剛石刀具是精密切削中的重要手段。
(3) 精密切削機(jī)理 精密切削是微量切削,微量切削過程中許多機(jī)理方面的問題部有其特殊性,必須對這些切削機(jī)理方面的問題進(jìn)行深入研究,掌握變化規(guī)律.以便更好地利用精密加工技術(shù)提高零件的加工精度和表面質(zhì)量。
(4) 穩(wěn)定的加工環(huán)境 精密加工必須在穩(wěn)定的加工環(huán)境下進(jìn)行,主要包括恒溫、防振和寧氣凈化3個方 面的條件。
(5) 誤差補(bǔ)償 當(dāng)加工精度高于一定程度后,若仍然采用提高機(jī)床的制造精度,保讓加工環(huán)境的穩(wěn)定性等誤差預(yù)防措施提高加工精度,這將會使所花費的成本大幅度增加。這時應(yīng)采取另一種所謂的談趁補(bǔ)償措施,即是通過消除或抵消誤差本身的影響.達(dá)到提高加工精度的日的。國外的一些著名精密機(jī)床,采用 了誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ〉昧撕芎玫男Ч?nbsp;
(6)精密測量技術(shù) 精密加工技術(shù)離不開精密測量技術(shù),精密加工要求測量精度比加工精度度高1個數(shù)量級。超精密切削加工對機(jī)床設(shè)備,金剛石刀具使用技術(shù),在綏檢測與誤差補(bǔ)償技術(shù),以及加工環(huán)境擰制技術(shù)等關(guān)鍍技術(shù)方面比稻密加工要求更高。實現(xiàn)超精密加工基本條件
為了能實現(xiàn)超精密加工并獲得預(yù)期的加工效果,必須具備下述基本條件:
(1) 被加工工件的材質(zhì)要密實;各向的同一性要好(最好為單晶);表層硬度和彈性模量要恒定一致;可加工性要好;材料的化學(xué)成份與機(jī)械物理性能對標(biāo)準(zhǔn)值的偏差不應(yīng)超過0.1%。
(2) 選用的超精密加工工藝方法要與被加工材料相匹配。例如,有色金屬材料(如銅、鋁合金)宜用單點金剛石刀具進(jìn)行車削或銑削加工;黑色金屬材料(如鋼等)則宜選磨削與研、拋等工藝,否則得不到預(yù)期的加工效果等。
(3)加工環(huán)境要嚴(yán)格恒溫、隔振和凈化。恒溫室(第一分隔區(qū))中的溫度波動不得大于±0.1°C;加工區(qū)(第二分隔區(qū))中則不應(yīng)超過±0.01°C;環(huán)境的相對濕度要保持在40%±10%以內(nèi);大氣壓力(如用激光測量儀時)應(yīng)保持1MPa±0.1%;機(jī)床地基的隔振系統(tǒng)固有頻率<2Hz;加工區(qū)的凈化度應(yīng)為每立方英尺中大于0.1μm的微粒含量應(yīng)不多于10顆。
(4)具有能實現(xiàn)納米級(1nm ~10nm)增量進(jìn)給的機(jī)床和分辨力優(yōu)于0.1nm的測量設(shè)備,如激光干涉儀,掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。
超精密加工應(yīng)用
目前,精密、超精密技術(shù)在我國的應(yīng)用已不再局限于國防尖端和航空航天等少數(shù)部門,它已擴(kuò)展到了國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域,應(yīng)用規(guī)模也有較大增長。計算機(jī)、現(xiàn)代通信、影視傳播等行業(yè),現(xiàn)都需要精密、超精密加工設(shè)備,作為其迅速發(fā)展的支撐條件。計算機(jī)磁盤、錄像機(jī)磁頭、激光打印機(jī)的多面棱鏡、復(fù)印機(jī)的感光筒等零部件的精密、超精密加工,采用的都是高效的大批量自動化生產(chǎn)方式。
美國、英國、日本、德國、荷蘭等發(fā)達(dá)國家的精密、超精密加工技術(shù)居世界前列。這方面的技術(shù)不僅用于軍事部門,也大量用于民品的生產(chǎn)。 今后一段時期,我國將以高效、超精密加工車床、CNC超精密復(fù)合加工機(jī)床、超精密平面和外圓磨床為重點,開發(fā)超精密加工技術(shù)及應(yīng)用工程,帶動一批精密、超精密的基礎(chǔ)功能元器件,如超精密主軸軸系、超精密伺服進(jìn)給系統(tǒng)、超精密測量系統(tǒng)和誤差自動補(bǔ)償系統(tǒng)的開發(fā),以滿足航天、航空及計算機(jī)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。
精密、超精密加工,可采用 二次加工機(jī)床;銑扁機(jī)機(jī)床;剖槽機(jī)機(jī)床;鉆孔機(jī)機(jī)床;銑邊機(jī)機(jī)床;銑十字槽機(jī);銑槽機(jī)機(jī)床;倒角機(jī)機(jī)床;縮口機(jī);攻牙機(jī);剖溝機(jī)機(jī)床;銑槽機(jī);銑面機(jī)機(jī)床;銑方機(jī)機(jī)床;銑平面機(jī)機(jī)床;銑臺階機(jī);多功能加工機(jī);組合加工機(jī)床;分度銑槽機(jī);軸類加工機(jī)床; 扁位與槽位平行垂直,孔位與扁位槽位平行垂直成角度的均可加工,不同的產(chǎn)品可以根據(jù)需要設(shè)計相關(guān)的機(jī)器,而有的機(jī)器可以加工多種產(chǎn)品。效率高,精度可達(dá)+/-0.015MM。主要適用于各種類項的軸心(直徑2-25MM),電位器,散熱器,插頭,燈飾配件等領(lǐng)域,銅,鐵,鋁,不銹鋼,非金屬類材質(zhì)均可,形狀可圓可方,依據(jù)要求量身定做