面向快速制造的特种加工技术进展

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欢迎访问e展厅 展厅 12 其它金属加工设备展厅 喷丸强化设备, 缩管机, 铆接机, 倒角机, 拉丝机, ... 摘要 特种加工是对传统机械加工方法的有力补充和延伸。在已有的特种加工工艺不断完善和定型的同时，新的特种加工技术也不断涌现出来，正在形成面向快速制造的特种加工技术新体系。本文分析总结了特种加工技术的构成及其最新的研究进展，并介绍了面向快速制造的特种加工技术新体系。 1 引言 传统的特种加工是指利用物理的或化学的能量，去除或添加材料以达到零件设计要求的各种加工方法的总称。其中大部分加工方法的加工机理是以溶解、熔化、气化、剥离为主，且多数为非接触加工，因此对于高硬度、高韧性材料和复杂型面、低刚度零件是无可替代的加工方法，也是对传统机械加工方法的有力补充和延伸，并已成为机械制造领域 不可缺少的技术内容。在已有的特种加工工艺不断完善和定型的同时，新的特种加工技术也不断涌现出来，如快速成型技术、等离子体熔射成型技术、在线电解修整砂轮（ELID）镜面磨削技术、时变场控制电化学机械加工技术、三维型腔简单电极数控电火花仿铣技术、电火花混粉大面积镜面加工技术、磁力研磨技术和选择性喷射电铸技术等。 新的特种加工技术是在传统的特种加工技术基础上，紧密结合材料、激光、控制和微电子技术而发展起来的。由于以往衡量制造技术的三大要素：质量、成本、生产率，已被新的衡量标准Time（最短的交货期），Quality（最好的质量），Cost（最低的成本），Service（最佳的服务）所取代，战略重点已从“质量”转向了“速度”，所以，把产品及是投放市场的能力已成为在市场竞争中取胜的一个首要因素。在产品开发应快速响应市场需求这一新的形势下，特种加工技术也正在形成面向快速制造的特种加工技术新体系。 2 特种加工技术的构成及其研究进展 2.1 特种加工技术的构成 近二、三十年来，特种加工技术发展迅速，其内涵已十分广泛而丰富，见表1。 表1 特种加工技术的构成 　　特种加工技术的构成 　　--------------------------------------------------------------- 　　1.溶解加工 　　 化学加工、化学抛光 　　 光化学加工 　　 电化学加工、电化学抛光 　　 电化学去毛刺 　　--------------------------------------------------------------- 　　2.熔化加工 　　 放电加工： 　　 电火花加工（EDM） 　　 电火花线切割加工（WEDM） 　　 --------------------------------------------------- 　　 高能束流加工： 　　 激光加工（LBM） 　　 电子束加工（EBM） 　　 离子束加工（IBM） 　　 等离子体加工（水射流加工） 　　--------------------------------------------------------------- 　　3.复合加工 　　 电化学机械加工： 　　 1电解磨削 　　 2电解珩磨 　　 3电化学研磨 　　 4电化学超精加工 　　 5电化学混合磨料加工 　　 6电化学砂带磨抛 　　 7电化学磁粒研磨 　　 化学机械加工 　　 磁场辅助电化学机械加工 　　 时变场控制电化学机械加工 　　 超声放电复合加工 　　---------------------------------------------------------------- 　　4.综合加工——激光综合加工技术等 　　---------------------------------------------------------------- 　　5.特种机械加工 　　 超声波加工 　　 磁粒加工 　　 ELID磨削 　　 电泳磨削加工 　　 粘弹性磨料流加工 　　 弹性喷射加工 　　---------------------------------------------------------------- 　　6.堆积加工 　　 原子沉积加工： 　　 电度 　　 化学镀 　　 电刷度 　　 电铸 　　 PVD 　　 CVD 　　 ---------------------------------------------------- 　　 颗粒沉积加工：　 　　 热喷涂： 　　 1等离子喷涂 　　 2火焰喷涂 　　 3电弧喷涂 　　 4爆炸喷涂 　　 ------------------------------------- 　　 静电喷涂 　　 ---------------------------------------------------- 　　 快速原型制造： 　　 光敏树脂聚合成形（SLA） 　　 熔融沉积成形（FDM） 　　 分层实体制造（LOM） 　　 选择性激光烧结（SLS） 　　 三维打印成形（3DP） 　　---------------------------------------------------------------- 2.2 人工智能技术的发展为特种加工工艺规律建模奠定了基础 特种加工的微观物理过程非常复杂，往往涉及电磁场、热力学、流体力学、粘弹性力学、电化学等诸多领域，其加工机理的理论研究极其困难，通常很难用简单的解析式来表达。近年来，虽然各国学者采用各种理论对不同的特种加工技术进行了深入的研究，并取得了卓越的理论成就，但离定量的实际应用还有一定距离。目前特种加工的工艺参数只能凭经验选取，还难以实现最优化和自动化，但随着模糊数学、神经元网络及专家系统等多种人工智能技术的发展，人们开始尝试利用这一技术来建立加工效果和加工条件之间的定量化的精度、效率、经济性等实验模型，并取得了初步的成果。因此，通过实验建模，将典型加工实例和加工经验用为知识存储起来，建立描述特种加工工艺规律的可扩展性开放系统的条件已经成熟，并为进一步开展特种加工工艺过程的计算机模拟，应用人工智能选择零件的工艺规程和虚拟加工奠定了基础。 2.3 智能控制将成为特种加工领域主要的控制策略 多数特种加工方法采用“以柔克刚”的非接触式加工机制，加工伴随着化学过程进行，其加工的微观过程非常复杂，迄今为止仍不能用一个确定的数学模型来描述，而且随着加工过程的进行，加工条件有时还会发生较大的变化，引起加工特性随时间而变化。因此在控制理论中属于典型的模型不确定非线形时变系统，很难用经典的和现代的控制理论方法获得理想的结果。多年来人们尝试过很多种自适应控制策略，取得了很大的进展，但在加工条件大幅度变化的情况下仍难以达到满意的性能。 近年来，人们把更多的注意力转移到模糊控制、神经控制等智能控制的研究和应来上来，并在电火花成型加工和电火花线切割加工的过程控制方面取得了突破，已成功用于国外的高档机床上，它可自动选取最优参数，自动监测加工过程，实现自动化、最优化控制。同时尚可对模糊控制器引入自适应控制功能或与人工神经网络技术相结合，使其具有自学习功能，从而达到提高加工速度，稳定加工过程，减少对操作者技术依赖的目的。由于这种控制策略采用模拟人类智能活动的方法，可以在很大程度上允许系统存在不确定性、非线形和时变性，可以预见，它将是未来几年特种加工领域首选的控制策略。 2.4 新兴的特种加工技术将对制造业的生产模式产生深刻的影响 80年代末，产生了一批新型的高效特种加工技术，目前对这些加工技术的机理及应用的研究工作方兴未艾。这些新兴的特种加工技术已对整个制造业的生产模式产生了深刻的影响，尤其是下列技术，其广泛应用将显著地提高零件和模具快速制造的能力。 1）快速成型技术 采用了材料堆积成型的原理，突破了传统的去材法和变形法机械加工的许多限制，在不需要工具和模具的情况下，能迅速制造出任何复杂形状又有一定功能的三维实体模型或零件。目前已有多种快速成型工艺实现商品化，如激光选择性光敏树脂固化（SLA）、熔融沉积制造（FDM）、分层实体制造（LOM）、激光选择性烧结（SLS）、三维打印（3DP）等。将快速成型技术与电铸、电弧喷涂、等离子喷涂、等离子熔射成型和电火花等特种加工技术相结合，已开发出多种基于快速成型的后续组合工艺技术，为金属零件、非金属零件和金属模具的快速制造提供了崭新的技术手段。 2）等离子体熔射成型工艺技术 它是以等离子体射流为热源，在各种特定的工艺条件下使材料集结成型的零件制造方法。由于等离子体射流具有温度高，能熔化所有材料；喷射速度快，可赋予熔粒以高的动能；工艺参数调整方便，能获得较高的沉积速度；可加惰性保护气体以保证制件内部无杂质等一系列优点，尤其适用于陶瓷、复合材料、高硬度高熔点合金等材料的复杂形状薄壁件的快速制造，应用前景十分广阔。但目前对这一技术的研究还处于起步阶段。 3）在线电解修整砂轮（ELID）镜面磨削技术 它是得用弱电解过程中的阳极溶解现象，对铸铁等金属结合剂金刚石砂轮进行在线电解修整。经修整的砂轮，不仅表面被整平，而且还形成一定厚度的氧化膜层。在砂轮高速旋转时，该膜层摩擦或刮削被加工面，实现硬脆材料光滑表面的磨削，或定常加工压力的ELID研磨抛光，其中电解修锐参数是影响加工质量的关键。该技术在硬脆材料及金属零件实现高效的精密及镜面一体化加工具有十分广阔的应用前景。目前在大量实验的基础上，通过工艺技术规准的建立、磨削压力的控制和研制出砂轮电解修锐智能控制电源等，已可以实现对各类超硬材料的高效镜面磨削。 4）时变场控制、电化学机械复合加工技术 它是利用电化学机械加工中，电化学溶解电场容易实现实时计算机控制的特点，实现加工过程中金属零件表面各处有选择地去除，以达到高几何精度、低表面粗糙度的复合加工方法。其最大特点是可以实现金属零件的尺寸、形状精密加工和光整加工的一体化，能显著地提高生产率。这一技术在硬齿面大齿轮、修形轧辊等零件的精密加工中，具有极为广阔的应用前景。国内大连理工大学研究了磁场辅助的电化学及时变控场制的电化学机械复合加工技术，揭示了运动电场条件下，电化学机械加工的动态去除规律，发现了电化学溶解金属在溶解过程中的“通延段止”现象。可以实现复杂回转曲面的光整（Ra＜0.02μm＝和尺寸（μm级）加工。 5）三维型腔简单极数控电火花仿铣 它是一直受到电加工界普遍关注的技术，曾开展了很多研究工作。但受电极损耗及其补偿的复杂性，特别是尖角部分损耗严重等问题的限制，十多年来始终没有有效进展。直到近期东京大学生产技术研究所在微小型腔加工技术和等损耗理论方面取得了重大突破，才使这一技术的实际应用成为可能，并得到了初步的实验验证。 国内哈尔滨工业大学对利用简单形状电极的基于分层制造思想的电火花铣削工艺规律进行了大量的实验研究，系统地研究了分层厚度、电极运动轨迹、加工曲面的平滑处理、电极损耗率以及放电参数等对加工过程的影响，初步掌握了这种加工模式的工艺规律，在Windows平台上研制了相应的CAD/CAM软件。并提出了超声振动辅助分层的电火花铣削加工方式，有利于加工过程的稳定。目前应用该技术已加工出了具有40管脚的IC芯片模具，亚毫米级的三维型面等。 6）电火花混粉大面积镜面加工技术 它是采用在电火花工作液中加入一定的导电粉末以增大放电间隙，使放电点分散的策略来实现的。它能方便地加工出粗糙度不大于Rmax0.8μm的表面。目前沙迪克公司，三菱电机公司已开发出利用这一技术的电加工机床，但尚缺乏工艺技术规准，且要严格控制混粉加工蚀除量，否则会影响表面平整度。通常模具表面粗糙度改善一级，其使用寿命可以提高50%，但由于模具三维型腔本身形状复杂，抛光过程难以实现自动化，目前仍以手工作业为主。因此，这一技术的成熟必将大大提高模具型腔加工的效率。 在我国大连理工大学和哈尔滨工业大学经过大量的工艺实验，已是出混粉电火花镜面加工的基本工艺规律，在大面积（100mm×100mm）加工情况下，应用该技术表面粗糙度目前已可达到Ra0.107μm的水平，完成了三维模具型腔曲面的镜面加工，目前该技术已在部分生产厂家得到了实际应用。国内该项技术的研究无论在理论还是工程应用方面均取得了实质性的突破，所取得的研究成果处于国际先进、国内领先的水平。 7）磁粒研磨技术 它是得用磁场超距作用于高磁导率的散粒体磨料来实现复杂曲面研磨抛光的，其突出的优点是不必严格控制磨头与被抛光表面间的相对位置，易于实现抛光自动化，且抛光工具结构简单，设备成本低。尤其适合于薄壁、细小、内凹零件的抛光。目前在对磁力研磨加工机理研究的基础上，详细研究了磁场强度、磨料粒度、形状等对去除量及表面粗糙度的影响规律，并通过有限元法对旋转磁场进行模拟计算，能了解到旋转磁场的动态过程。 综上所述，特种加工技术的地位越来越重要，已成为现代制造技术不可分割的重要组成部分。因此，其发展和完善对整个快速制造体系的形成起着关键的作用。但由于长期以来对这一领域的研究过于分散，缺乏系统性，使得现有的很多种特种加工方法远不能适应制造过程信息化的要求，很难纳入到快速制造系统中。因此，有必要深入研究那些新型的特种加工工艺方法，探索高精度、高效率的复合及组合工艺技术，并选择应用广泛和具有代表性的特种加工方法，开展面向快速制造的特种加工技术的研究。 3 面向快速制造的特种加工技术新体系 面向快速制造的特种加工技术新体系，是在传统的特种加工技术与材料技术、激光技术、控制技术、微电子技术和计算机技术紧密结合，并随着快速响应市场需求而发展起来的，其体系构成如表2所示。 表2 面向快速制造的特种加工技术新体系 4 结论 各种特种加工方法的加工机理不同，它们的优势和应用范围也不同。在快速制造环境下，如何正确地选择和运用不同的特种加工方法取决于对它们的了解程度。由于面向快速制造的特种。加工技术新体系的研究，借助了模糊数学、神经元网络及专家系统等多种人工智能工具，建立起各种特种加工工艺方法的数据库和知识库，能实现典型工艺的计算机模拟，因此能帮助我们深入地了解各种特种加工技术的精密特性、表面质量特性及加工效率等工艺适用性，从而实现真正意义上的基于特种加工工艺的快速制造。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/23/2004)