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浅谈特种加工的技术

  特种加工技术是直接利用电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合能量以实现材料切除的机加工方法。其研究范围是电加工、高能束流(激光束、电子束、离子束、高压水束)加工、超声波加工及多能源复合加工。其特点是:①以柔克钢 因工具与工件不直接接触,加工时无明显的机械作用力,故机加工脆性和高硬度材料时工具硬度可低于被加工材料的硬度;②以简运动可加工复杂型面,许多特种加工技术只需简单运动即可加工出三维复杂型面;③不受材料硬度限制。因特种加工的技术的瞬时能量密度高,可直接有效地利用各种能量,造成瞬时或局部熔化,同时以强力、高速爆炸、冲击去除材料。其加工性能与工件材料的强度和硬度无关,故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料。④可以获得良好的表面质量。在特种加工过程中,工具表面不产生强烈的弹、塑性变形,故特种加工有些方法可以获得良好的表面质量和表面粗糙度。热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切削小。⑤各种加工方法可以任意复合,形成扬长避短的新型复合加工方法,可以扩大其应用范围。

国外概况:

    特种加工技术的发展可以追溯到20世纪50年代。20世纪以来,科学技术发展到了一个崭新阶段,特别是在新技术革命浪潮推动下,生产和科学技术的发展更为迅速。在许多工业部门特别是国防工业部门,高技术产品要求向高精度、高速度、高温、高压、大功率和小型化方向发展,对材料的要求越来越来高。相应地涌现出大量的具有高熔点、高强度、高硬度、高脆性和高纯度等特殊性能的材料。为了满足高技术产品的高性能要求,零件的结构形状愈来愈复杂,对精度、表面粗糙度和表面质量的特殊要求愈来愈高,特别是对表面完整性提出了更加严格的要求。50年代以来,航空航天技术迅猛发展,高性能的航空产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比,而且要求在高温、高压、高速、大载荷和强腐蚀等苛刻的条件下长期而可靠的工作。飞机、航空发动机、航空电子及仪表设备以及其他高技术武器装备的工作条件随着性能的提高而不断恶化。为此高性能的飞机、航空发动机等高新武器装备,必须不断发展和采用新结构和新材料。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 战斗机上钛合金用量已经达到30%以上如F-22战斗机钛合金用量已经达到36%、碳纤维增强树脂基复合材料用量达到25%,而且先进复合材料的用量在先进战斗机上有不断增加的趋势。预计到2000年的高性能航空发动机的结构材料中超级合金、粉末冶金和定向凝固合金的结构重量约占55%,复合材料用量约占20%,钛合金重量约占10%高强度结构钢用量占15%,陶瓷材料占2%。航空发动机的热端部件将继续发展高温高强高韧合金特别是各向异性的超级耐热合金、热障陶瓷涂层材料、陶瓷结构材料。涡轮叶片已广泛采用定向凝固、单晶合金、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复合材料的涡轮叶片。为了提高和确保现代飞机和航空发动机的性能、可靠性和严格的质量要求采用了大量的新型结构。如根据高性能航空发动机对结构效率的要求,发动机的结构发生了重大变化,大量采用整体结构、蜂窝结构、钣金焊接结构和复杂的冷却结构。推重比20发动机将采用整体鼓筒式全复合材料压气机转子结构,以减轻结构重量;

    上述新材料和新结构的大量采用使得高性能飞机、航空发动机等现代武器装备的可加工性和可生产性急剧恶化,对制造技术提出更加苛刻的要求。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。为此必须解决:①难加工材料的机加工;②复杂型面的加工;③高精密表面的加工(微米级、纳米级精度;表面粗糙度Ra≤0.01μm);④特殊要求零件的加工(壁厚≤0.1mm薄壁和弹性零件等)。20世纪50年代以来国外工业界通过各种渠道,借助各种能量形式,探寻新的加工途径,相继推出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、超声波加工以及高能束加工等。20世纪70年代以来,以激光、电子束、离子束等高能束流为能源的特种加工技术获得了迅速发展和广泛应用。目前以高能束流为能源的特种加工技术和数控精密电加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支。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中已成为关键制造技术。特种加工技术的发展和扩大应用大大促进了航空产品的发展,使一些先进的高性能飞机、发动机和机载设备的制造和生产得到可靠的保证。国内外经验表明,没有先进的特种加工技术,现代高性能航空产品难以制造和生产。因此先进的特种加工技术的开发和应用是与现代航空技术的发展息息相关,国外对此项技术的发展和应用给予了高度重视。

    特种加工技术的发展趋势:随着现代航空技术的发展,特种加工技术在现代航空武器装备的发展中起着愈来愈重要的作用,已经成为现代航空武器装备的关键制造技术.工业发达国家国防工业部门和国防军事部门高度重视先进特种加工技术的发展。70年代以后,先进特种加工技术有了长足的发展,到了80年代已经成为先进飞行器制造中定型的制造技术,从而解决了先进飞行器制造中难加工材料和复杂结构稳定的高质量加工问题。目前为了加速先进技术战斗机和高性能民用客机的发展,对特种加工技术的技术水平、经济性和自动化程度(降低成本、提高质量)提出了更高的要求,从而促进了先进特种加工技术的发展。先进加工技术的总体发展趋势是:①广泛采用自动化技术,实现计算机数控化。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,建立综合参数自适应控制装置和数据库等,进而建立特种戛的CAD/CAM和FMS系统,这是当前特种加工技术的主要发展趋势;②开发应用复合工艺和新工艺方法。现代高性能航空器的发展新型结构材料和高精密复杂结构的大量采用,进一步加剧了结构工艺性的恶化,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。目前由二种能源复合的特种加工技术,如电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM)、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外国防工业和机械工业着力发展的特种加工技术。由于复合工艺可以扬长避短, 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。高技术的发展促使高技术产品在向小型化和精密化方向发展,对产品零件的精度和表面粗糙度提出更高更严格的要求。如飞机惯性仪表中关键零件的制造要求达到微米级以上。气浮陀螺和静电陀螺的内外支承面的球度达到0.5--0.05μm,尺寸精度为0.6μm,表面粗糙度为0.025-0.012μm;激光陀螺的平面反射镜平面度为0.03-0.06μm,表面粗糙度小于0.012μm。飞机控制系统的23%零件精度达到微米级以上。随着高新技术的发展,超精密加工技术有了很大的发展,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。

    主要特种加工技术的发展趋势:

    1、电解加工技术

   ·应用范围不断扩大:计算机数控阴极作复杂运动的电解加工技术,在加工三维复杂型面和型孔等方面的应用将得到进一步扩大应用;

   ·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产,电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:提高设备自动化程度实现计算机数控化,减少手工劳动,降低工具阴极的制造费用;

   ·提高生产率:2000年前单机生产率提高80%,可望推出自适应控制的全自动电解加工机床,电源单位功率将增大1.2倍,电流密度增加1倍;

   ·建立柔性电解加工系统(FMS):电解加工实现计算机数控后也可以进入柔性制造系统,实现柔性自动化。罗·罗公司已经建立叶片柔性制造系统。它是由电火花加工机床(用于下料)、电解加工机床(用于叶片型面加工)、去毛刺机床、型面检测机、电火化去除工艺凸台机床以及榫头加工机床、传输小车和机器人等设备构成,实现了从方料直接加工成叶片的柔性自动化生产。该柔性制造系统的成功投入生产标志着电解加工开创了新纪元,电解加工技术达到了新的水平,取得了突破性进展。

   ·大力开发与应用计算机仿形电解加工技术:在这方面,波兰华沙大学研究的滚动电解仿形加工已成功地应用于直升机旋翼支架的型面加工;前苏联研制了柔性电解仿形加工机床的加工精度可以达到0.02mm/表面粗糙度可达到0.2-0.6μm。

   ·开展理论研究建立电解加工过程数学模型:预计2000年可推出成熟的理论,建立描述电介质流动状态对加工间隙尺寸影响的过程模型,利用过程模型通过计算即可确定最佳加工间隙值,可以取代用经验和试验方法确定间隙值的方法;利用数学模型确定电解加工规范,可以进一步提高电解加工精度和质量。

    2、电火花加工

   ·大力开发应用CNC电火花加工技术:美国、西欧、日本已开发出可以实现四、五坐标联动CNC电火花加工机床和加工中心和CAD/CAM系统软件。加工过程实现计算机数控后,电火花加工精度可提高至1μm表面粗糙度达到Ra0.1μm以下。为了提高加工精度,在CNC电火花加工机床上可加装加工精度自动补偿装置。

   ·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。

   ·大力发展微细电火花加工技术:高技术产品趋于微小型化和集成化,微小型零件的尺寸精度、表面粗糙度等均已达到常规工艺无法适应的地步。因此微细电火花技术的发展受到国外高度重视。日本已经用微细电火花加工技术加工出10μm的电极,并用此电极加工出15μm的微小孔,深径比可达10:1,圆柱度和表面粗糙度均可达到很高的水平;微细电火花模腔蚀刻技术与电火花抛光技术组合应用表面粗糙度可达到镜面质量要求。

   ·开展行星式电火花加工技术应用研究:工具电极以几十--几百μm为半径作有轨道运动可提高加工效率、改善工件底部表面加工的表面粗糙度、提高加工表面与工具形状的一致性、消除电极端角腐蚀。

   ·开发应用多头多电极高速电火花打孔技术:美国GE公司制造CFM56发动机短环燃烧室7000余个气膜冷却孔(直径Ф0.75--2.5mm, 孔深1--6.25mm) 采用组合式多工作头多电极(6个工作头,每个工作头36个电极)计算机数控电火花加工机床,提高了自动化程度和加工效率。

    3、激光加工技术

    主要发展趋势是:向系统化、多功能化、系列化、通用化、小型化和柔性化方向发展。由光导纤维引导激光束,机器人操纵导光系统、装卸工件,计算机多坐标数控,多功能柔性化激光加工系统的开发和应用是适应高技术航空产品发展的重要发展方向。

    4、电子束加工技术

    电子束加工技术的应用改变了原有的设计思想。可将原有的高精度型面复杂难加工或无法加工的大型整体零件分成若干个易加工的单元,精加工和热处理以后,用电子束将其焊接成整体零件。由于电子束焊接实现了常规加工技术难以达到的特殊要求,故已成为现代航空产品制造中广泛应用的关键制造技术,各个飞机和发动机制造公司的生产线上均配套配置有大中小型电子束焊机用于关键零件的焊接。电子束加工设备的最新发展动向是,提高输出功率,输出功率范围可达100W--100kW;提高加速电压,加速电压范围可达60--180kV;控制系统实现计算机数控化、电子束旋转高速化、电子束功率脉冲化。

    5、离子束加工技术

    它是一种微细加工技术,成为航空电子设备和精密机载设备的关键制造技术之一。它是应用离子蚀刻技术、离子溅射技术、离子镀膜技术和离子注入技术完成精密零件的精密成形加工和特殊表面层的制备。离子束加工技术在航空电子设备和高精密机载设备的微细加工和超精密加工中具有至关重要的作用,工业发达国家的航空工业界高度重视此项技术的发展与应用。离子束加工技术主要发展方向是实现计算机数控自动化、超精密化、经济与高效化。

关键技术:

    我国高能束流加工技术缺乏基础研究和应用研究,因而造成高能束加工过程质量不稳定,自动化程度低。如何提高高能束加工质量,提高工艺过程的稳定性和加工过程的自动化程度是当前我国在加速发展和扩大应用高能束加工技术必须解决的技术难点。今后的研究重点是:加强高能束流的基础和应用研究,提高高能束流的性能即提高能束源的功率、束流品质及工作的稳定性、可靠性;实现高能束流加工过程计算机模拟、优化控制以及计算机自动监控、自动检测、自动显示、自动修复缺陷、自动反馈修正加工参数的计算机自适应控制。研究新型材料及难加工材料的高能束流加工方法、工艺参数优化以及高能束流加工对材料性能和使用寿命与可靠性的影响。

应用与影响:

    60年代后期,电解加工首先用于加工航空发动机涡轮叶片型面,一次成形,实现高效率生产取得良好的技术与经济效益;电解加工技术已经成为航空发动机大而簿、刚性差的钛合金风扇叶片、机匣等壳体件和整体涡轮的叶片复杂型面的重要加工方法。采用电解加工成功地解决了高效率、高经济性、低成本的加工问题,从而改善了航空发动机、火箭发动机等零件的结构工艺性。高能束流加工技术以及在我国新型高性能航空发动机的研制和生产中取得良好的技术与经济效益。如采用激光打孔技术解决了当前高性能航空发动机上数以万计的冷却孔的加工,使涡轮前的工作温度提高300~3500c,提高发动机推力20%~30%;先进电子束焊接解决了正在研制的新型航空发动机压气机整体转子焊接结构的制造和生产问题,省去了大量机械连接件,减轻结构重量10%~20%,提高了结构刚性和完整性;采用等离子喷涂技术获得高温热障涂层,提高航空发动机热端部件耐高温性能达100~2000c;高温封严涂层使航空发动机的总推力提高1%~2%;高温耐蚀涂层使零件工作寿命提高1~2倍。目前,国内外在现代航空武器装备研制和生产中,以高能束流为代表的特种加工技术已经成为不可缺少的重大关键制造技术,在国民经济和国防武器发展中起着至关重要的作用,受到高度重视。为了加速高能束流加工技术的发展,我国建成了高能束流加工技术国防重点实验室。

 

发表时间:2010-12-03 09:47:47        文章访问次数:2552
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