1、机械制造业中的现代加工技术摘要：现阶段，国际上产业结构的调整使得各个行业不断融合和协调发展。机械加工技术作为制造业的根本和基础其发展水平对于制造业的发展有着直接的决定性影响。对精密加工、特种加工、超精密加工、纳米加上等作为现代机械加工中的先进技术的研究，可以有效的提高现代机械技工技术的水平。关键字：机械加上技术：精密加工；特种加工；超精密加工近 20 年来，在现代机械加 T 技术领域超精密加工和特种加工技术以前所未有的速度发展着，已经成为了现代微纳制造技术的蕈要组成部分。其中基于去除材料的超精密机械加工技术，已经成为了现代制造技术的一个重要组成部分，其产品涉及到光学工程、通讯上程、国防、航空航
2、天、计量检测、生物医学等多个领域，而且正向纳米精度级加工技术发展。超精密光整加工技术，已被公认为 21 世纪的前沿技术。1精密加工及特种加工制造业是将制造资源通过制造过程转化为可供人们使用与利用的工业品和生活消费品的行业，是国民经济的摹础。精密加工和特种加工技术是新世纪知识经济时代先进制造工艺技术的重要组成部分，代表了现阶段先进制造技术发展的重要方向。精密加工是加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，通常情况下包括精密切削加工和精密磨削加工，而且其最高技术指标不是固定不变的，而足随着时代技术的不断发展，精度不断提高1。加工精度的不断提高对提高机电产品的性能、质量和可靠性，改善零件的互换性，提
3、高装配效率等都具有极其重要的作用。特种加工技术是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也可以成为非传统加工技术。自从电火花加工新型方法发明以后，已经相继出现了数十种特种加工新方法2。特种加工技术在难加工材料加工、模具及复杂型面加工、零件精细加工等领域已成为重要的加工方法或仅有的加工方法。虽然精密加工与特种加工的加工方法很多，但是按照其加工成型原理和特点，可以将其分为去除材料加工、结合加 T 和变形加工三大类。这三大类涵盖了利用刀具进行的切削加工和磨削加工等传统加工方法，还涵盖了非传统加工方法中的利用机、光
4、、电、热、化学、磁等能源来进行加工的特种加工方法，同时还有利用多种加工方法的复合作用形成的复合加工。2超精密加工技术2.1 非确定性(Nondeterministic) 超精密加工技术早期的非球面光学零件制造由于受到技术发展阶段条件的限制，只能加工低非球度的简单形状回转非球面零件。现在通常称当时应于这类零件加工所采用的非确定性加工技术为传统的非球面光学零件制造技术。2.1.1 技术特点（1）对加工机床设备的精度要求不高；（2）产品精度通过耗时的大量研、抛加工逐步逼近实现；（3）由于每次研抛加工去除量很小并且不确定，需反反复复的研、抛加工和测量工序来迭代完成加工过程：（4）加工的精度取决与测量精
5、度、加工工艺及环境等条件的控制：（5）适合玻璃、陶瓷、碳化硅等硬脆材料，无避水等特殊加工条件要求的单件或少量、简单形状、精度要求高的零件加工场合；（6）制造成本高、周期长。在测量条件和精度的范围内。能逐步趋近或达到极高的加工精度(如面形精度达应用光波长入的几十分之一。2.1.2 应用由于非确定性非球面光学零件加工技术具有加工周期长(尺寸较大、精度要求高的产品需耗时数月至数年)、成本高，适合硬脆等材质，简单形状、较大尺寸、以及可实现极高精度的非球面光学零件加工特点，因此。该技术比较适合地基大型光学望远镜主镜(10m)、太空望远镜主镜(2.4m) 、卫星对地照相光学相机主镜( 台湾华卫 0.3m)
6、、以及地基高能激光武器主镜的制造3。2.1.3 技术发展随着现代计算机控制技术的发展，通过对传统的非确定性非球面光学零件制造技术加以改进，如在加工过程中对研、抛工具形状、工件支撑状态、以及加工参数等进行实时自适应控制。从而提高了加工效率。近年来，离子束等新型去除加工技术的开发为进一步提高零件面形精度提供了技术手段4。上述技术的发展，使传统的非确定性非球面光学零件制造技术朝被称之为准确定性非球面光学零件制造方向发展。2.2 确定性(Deterministic)超精密加工技术现代科技的迅猛发展不断涌现出对各种新的先进制造技术的需求。面对现代航空、航天对载荷轻量化、高抗过载等性能要求。地基超大型光学
7、望远镜采用大量的拼接离轴非球面结构。惯性约束核聚变 KDP 光学零件加工特殊工艺要求，现代军事侦察、火控、精确制导武器装备中对非球面及保形等复杂曲面光学零件的量产需求5。以及民用光电子系统产品的相关大量需求，非确定性超精密加工技术无论是在加工时问效率、成本、材料适应性、或是复杂曲面的实现上都远远不能满足需求。在上述各种需求的牵引和相关技术发展的推动下，可实现高效、低成本、适合加工复杂曲面的确定性超精密加工技术应运快速发展起来了。确定性超精密加工技术系统地综合利用了的超精密坐标测量技术、精密机械制造技术、超精密伺服驱动运动控制技术、高性能计算机 CNC 数控技术、精确环境控制技术等一系列当代尖端
8、技术的发展成果6。该技术核心超精密加工机床能控制加工工具实现具有极高分辨率和精度的空间轨迹运动，能直接加工出非球面及其他复杂面形。达到光学级表面质量的零件。确定性超精密加工技术不仅能实现多种不同类型材料和面型的非球面光学零件高效、低成本大量生产(如精确制导武器中的各种红外材料非球面光学零件等)，特别是还能加工传统的非确定性加工技术所不能加工的材料和自由曲面类等复杂形状的光学零件。“今后制造技术的基础将在于超精密加工技术的完成” ，这是美国军方人士的说法，同时也说明了超精密加工技术的重要性7。从精密超精密加工的现状来分析，应加强超精密加工技术的研究力度，工厂、高校和研究所应密切合作，针对工业发展
9、过程中的实际需求，一方面大力推广多年来我们在超精密加工技术研究方面取得的成果，另一方面还要加强创新性研究，推动这项技术的蓬勃发展。具体工作中应重视以下儿个方面的工作：(1)重视世界先进科技的发展，积极引进和跟踪高新技术；(2)重视全行业组织，以廉价化策略为目标，进行整体规划；(3)支持以创新为特色的基础研究。精密加工技术的发展需要精密测量的发展与之匹配。市场对测量准确度不断提升的需求，也是鞭策研究人员加快开发高端产品去适应市场的动力。目前，我国在机械测量技术和仪器方面的自主开发能力还不强，制造技术也相对落后。近年来，国外著名仪器制造企业分别寻求国内市场，形成了国内市场上面对面的竞争趋势，低技术
10、含量，低价微利的产品难以应对市场冲击。3.特种加工3.1 电火花加工电火花加工又称放电加工(EDM)，在特种加工中是比较成熟的加工工艺，它是模具制造的主要手段，主要解决难切削加工以及复杂形状工件的加工问题。3.1.1 电火花加工的基本原理电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极(常用石墨或纯铜制成)，另一极接工件电极8 。当两极在绝缘体介质(煤油及矿物油)靠近时，极问电压将两极间最近点处的液体介质击穿，形成脉冲放电。放电区域产生的瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化，形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，液体介质恢复绝缘，第 2 个脉冲又在两极问另一最近点处击穿放电。如此周而复始高频率地放电，工具电极逐渐
11、向工件电极进给，就可将工具的形状复制到工件上，形成所需的加工表面。3.1.2 电火花加工的特点(1)适合各种难切削材料的加工，如淬火钢和硬质合金等。(2)可以加工特殊和复杂形状的表面和零件，如形状复杂的型腔和型孔等。(3)加工过程中无明显的机械力，因此可以加工低刚度的工件及各种细微结构。(4)可根据需要调节脉冲参数，在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工。(5)主要用于导电材料的加工。(6)加工速度比较慢。(7)存在电极损耗。放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致工具电极损耗，影响工件的形状精度。3.2 电解加工3.2.1 电解加工的原理电解加工时，工件始终接直流电源(1020 V)的正
12、 (阳)极，工具始终接负(阴)极，两极间保持较小的(0.11 mm)间隙，间隙内通以高速(550m/s)流动的电解液。当工具电极不断向工件电极进给时，工件表面的金属逐渐被电解腐蚀，电解产物由电解液带走9 。工具阴极不断地向工件阳极恒速进给，工件表面的金属不断被溶解，从而将工具阴极的型面复制在工件上，得到所需要的零件形状。3.2.2 电解加工的特点(1)加工范围广，凡是导电材料都可进行加工，与被加工材料的硬度、强度、韧性等无关。如用于加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等材料的零件。(2)靠电流通过电解液时的电化学阳极溶解作用来蚀除金属，生产过程中不存在机械力，工件不承受力和热的作用，不会引起
13、变形和残余应力，适用于加王易变形零件或薄擘件。(3)生产效率高，能以简单的直线进给运动，一次加工出复杂的型腔、型面和型孔，加工速度比电火花加工高 510 倍，直线进给加工速度可达 0.315 mm/min，用于大批量生产。(4)加工表面的质量好。加工后表面无刀痕、飞边、毛刺、表面无残余应力，可以获得比较小的表面粗糙度值。(5)工具阴极无损耗，可以重复使用。(6)工艺装备简单、操作方便、对工人操作技术要求不高。3.3 激光加工激光加工是利用能量密度很高的激光束照射工件的被加工部位，使工件材料瞬问融化或蒸发，并在冲击波作用下，将熔融的物质喷射出去，从而对工件进行去除加工或采用能量密度较小的激光束，
14、使加工部位材料熔融黏合，对工件进行焊接的方法10 。3.3.1 激光加工的基本原理激光是一种经受激辐射产生的加强光，具有强度高，方向性、相干性和单色性好的特点。利用这些特点，将激光束通过光学系统聚焦成直径小到几微米、能量密度(10810m W cm2)极高的、能产生温度高达 10000 以上的光斑11。当激光照射到工件表面上时，能在极短的时间内使光斑区域中任何可熔化、不可分解的材料熔化、蒸发、汽化而达到加工目的。3.3.2 激光加工的特点(1)激光加工属高能束加工，其功率密度高，几乎能加工所有的金属和非金属材料。例如高熔点材料、高温合金、钛合金等各种金属材料以及陶瓷、石英、金刚石、橡胶等非金属
15、材料。(2)激光加土属非接触加工，不需要刀具，几乎没有机械力，无机械加工变形和工具损耗问题。(3)激光加工速度极高，生产效率高。打一个孔只需 000 1 s ，切割 20 mm厚的不锈钢板切割速度可达 1.27 m/min(4)热影响区域小，热变形小。(5)可在工件移动中加工，易于控制，便于与机器人、自动检测、计算机数字控制等先进技术相结合，易于实现加工过程的自动化加工。(6)激光可以通过玻璃等透明材料对工件进行加工。(7)激光经过聚焦，可以形成微米级的光斑，输出功率的大小可以调节，凶此可以用于精密微细加工。(8)可以达到很高的加工精度和较小的表面粗糙度。4.总结特种加工技术集成了机械、电子、
16、信息、材料技术和计算机等技术，发展异常迅速。加工尺度的微细化，加工方法的复合化和加工过程的自动化，已成为特种加工技术研究发展的热点。可以预见，随着科学技术的飞速发展，特种加工必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代制造工业的发展，并发挥愈来愈重要的作用。现代特种加工技术主要是伴随着高硬度、高强度、高韧性、高脆性等难切削材料的出现，以及制造精密细小、形状复杂和结构特殊的零件的需要而产生的，具有其他常规加工技术无法比拟的优点，已成为航空航天、汽车、仪器仪表、微型机械、轻工、模具等行业的支撑技术和关键技术。其未来发展趋势是广泛采用自动化技术，开发应用复合加工工艺、新工艺方法，着重开展精
17、密化研究。今后重点开展的工作是对各种特种加工设备及工艺的基础研究和应用研究，掌握各种加工技术的机制及加工规律，建立特种加工的质量标准，提供完善的检测手段。参考文献1刘晋春，赵家齐，赵万生特种加工M北京：机械工业出版社。20012王先逵精密加工技术实用手册M北京：机械工业出版社，20013黄春蜂，赖传兴，陈树全现代特种加工技术的发展J航空精密制造技术，2001，37(6)：14-204牛二武，邸英皓，曹晓明高能束技术的发展及应用J天津冶金。2004(2)： 35-365管琪明，郭锐，赵万生特种加工技术的最新进展和研究热点C电加工与模具，2005(3) ：14-186周桂莲，张惠敏特种加工技术新应用J山东轻工业学院学报，2003，17(3) ：21-237刘伟，李素丽特种加工技术研究现状及发展趋势J陕西国防工业职业技术学院，2010,26(8) ：27-318张广文，曾庆良，陈玉良绿色切削加工技术的研究J轻工机械2004，(2)：55579荣烈润现代特种加工技术的进展机电一体化J2007(4)：37-4110韩淑敏特种加工的几种方法介绍煤矿机械J2009,30(6)：29-3511 康运江浅谈几种特种加工J机械制造，1998(7)
