现代先进加工技术1.docx

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现代先进加工技术1

现代先进加工技术

摘要

现代加工技术是指直接利用机械能、电能、热能、光能、声能、化学能、机电化学能等进行加工的总称且又称特种加工。

与传统的切削的区别在于：

不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量去除工件上的多余材料；

工具硬度可以低于被加工材料的硬度；加工过程中工具与工件之间一般不存在显著的切削力。

高速切削技术已经成为现代模具制造业发展的方向，对模具的加工工艺带来了重大的改变。

本文重点研究了高速切削对模具粗糙度的影响，并探讨了适合模具加工的高速切削加工工艺及优化。

传统的机械加工，除磨削以外一般都安排在淬火热处理工序之前，特种加工的出现，改变这一成不变的程序。

由于特种加工工具往往不直接接触工件，其硬度可以低于被加工材料的硬度，而且为了避免淬火引起的变形，可将某些工序放在淬火后加工效果更好。

例如：

激光加工、电火花切割加工、电火花成行加工等等。

关键词：

特种加工激光加工高速切削模具表面粗糙度加工工艺

Modernadvancedprocessingtechnology

Abstract

Modernprocessingtechnologyisthedirectuseofmechanical,electrical,heat,light,soundenergy,chemicalenergy,chemicalenergysuchaselectricalandmechanicalprocessingofgeneralandspecialprocessingknown.Withthetraditionalcuttingofthedifferenceis:

Itisnotmainlyrelyonmechanicalenergy,butmainlywithotherenergytoremoveexcessmaterialontheworkpiece;Toolhardnesscanbelessthanthehardnessoftheprocessedmaterial;processingtoolandtheworkpieceisgenerallynotsignificantbetweenthecuttingforce.Thehigh-speedcuttingtechnologyalreadybecamethemodernmoldmanufacturingindustrydevelopmentthedirection,hasbroughtthesignificantchangetothemoldprocessingcraft.Thisarticlehasstudiedthehigh-speedcuttingwithemphasistothemoldroughnessinfluence,anddiscussedhassuitedthehigh-speedcuttingprocessingcraftandtheoptimizationwhichthemoldprocessed.

    Traditionalmechanicalprocessing,inadditiontogrindingthanaregenerallyarrangedinquenchingheattreatmentprocesspriortotheemergenceofspecialprocessing,changethestaticprocedure.Becauseofspecialprocessingtoolsareoftennotdirectcontactwiththeworkpiece,thehardnesscanbelessthanthehardnessofthematerialbeingprocessed,andtoavoiddistortioncausedbyquenchingcanbesomeoftheprocessesonthequenchingprocessbetter.Forexample:

laserprocessing,EDMcutting,EDMmachining,andsomakethetrip.

Keywords:

SpecialprocessingLaserprocessingHighspeedcuttingMoldSurfaceroughnessProcessingtechnology

引言

随着科技的进步，制造业中现代加工技术不断地创新，突出的特点就是加工的方法与传统的方法所不同。

由于特种加工主要不是依靠机械能、切削力进行加工，因而可以用软的工具加工硬的工件，可以用来加工各种难加工的材料、复杂表面和某些特殊要求的零件。

激光加工技术就是其中一种，激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。

近年来，在欧美等发达国家，高速切削加工技术得到了越来越广泛的应用。

以模具加工为例，大量的高速切削机床正在逐步取代电加工设备，对模具型腔进行高效的精密加工。

目前，在国内的模具制造加工，主要还是以普通机加工和电火花加工为主。

工艺繁琐、效率低、周期长，在当今市场上产品更新换代日益加快的趋势下显得愈来愈力不从心。

高速切削技术以其高速、高质、能直接加工淬硬钢的特点，在缩短模具制造周期并降低成本方面有着很光明的应用前景。

1现代加工技术的发展

1.1现代加工技术

现代加工亦称“非传统加工”或“特种加工”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。

现代加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。

特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。

直接利用光能、热能、声能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。

现代加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。

20世纪40年代发明的电火花加工开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法。

50年代以后先后出现电子束加工、等离子弧加工和激光加工。

这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进行加工。

对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力,在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。

　现代加工的发展方向主要是：

提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。

1.2现代加工的独到之处

与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：

（1）加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。

（2）易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。

（3）易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。

（4）各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。

表示。

1.3现代加工技术的发展

特种加工是20世纪40年代发展起来的，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。

为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量的涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。

例如，各种难切削材料的加工；各种结构形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。

对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。

于是，人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平，并解决了一些问题；另一方面，则冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得发展。

后来，由于新颖制造技术的进一步发展，人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。

1.4现代加工技术的特点

1、不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。

　　2、非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。

　　3、微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。

　　4、不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。

　　5、两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。

　　6、特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。

2激光加工技术

激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。

用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。

激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。

2.1激光加工技术的应用

激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点,目前它已广泛应用于材料加工等领域。

激光加工的行业包括汽车制造、航天航空、电子、化工、包装、医疗设备等。

与计算机数控技术相结合,激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术,拥有普通加工技术所不能比拟的优势。

例如激光加工为激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点,目前它已广泛应用于材料加工等领域。

激光加工的行业包括汽车制造、航天航空、电子、化工、包装、医疗设备等。

与计算机数控技术相结合,激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术,拥有普通加工技术所不能比拟的优势。

例如激光加工为非接触式加工、速度快、无噪声、可实现各种复杂形状的高精度加工目的,且无通常意义上的"刀具"磨损,无需更换"刀头"。

我国激光加工市场前景广阔,预计平均每年以20-30%的速率递增。

2.2制造业中的应用

国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO2激光器、kW级高光束质量的固体激光器，有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。

激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。

　激光制孔的最小孔径已达0.002mm，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果。

激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。

目前薄材切割速度可达15m/min，切缝窄，一般在0.1～1mm之间，热影响区只有切缝宽的10%～20%，最大切割厚度可达45mm，已广泛应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。

　　激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。

激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段。

激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。

激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。

　　国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。

在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。

目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。

完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。

激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝（含铝锂、铝镁）合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。

实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以替代数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。

2.3激光加工原理及其特点

1.激光加工的原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。

由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。

由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。

2.激光加工的特点：

激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：

①由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。

②它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。

③激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。

④激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。

因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

⑤它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。

⑥由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。

⑦使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。

例如：

①美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到4H即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要9H以上。

仅此一项，每台发动机的造价可省5万美元。

②激光切割钢件工效可提高8-20倍，材料可节省15-30%，大幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。

虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的。

2.4激光加工

用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。

激光加工有许多优点：

①激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）也可用激光加工；②激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；③工件不受应力，不易污染；④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；⑤激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；⑥激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；⑦在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。

采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1～1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005～1毫米。

激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。

在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。

对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。

在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。

用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。

　采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。

激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。

利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。

　激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高（如陶瓷）和易氧化的材料。

激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体积小。

用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。

激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。

例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。

表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化，当激光束能连密度处于高端时，工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚，可完成一系列的冶金过程，包括表面重熔、表层增碳、表层合金化和表层熔覆。

这些功能在实际应用中引发的材料替代技术，将给制造业带来巨大的经济效益。

在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理，熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。

根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。

激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。

它具有以下优点：

1.表面熔化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。

2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

3.其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。

有时可不再进行后续磨光而直接使用。

4.提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。

5.光束可以通过光路导向，因而可以处理零件特殊位置和形状复杂的表面。

综合激光技术的优点及以被广泛应用的技术的缺点，把激光技术应用于刀具材料表面强化处理，将是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一，尤其对于陶瓷、硬质合金刀具这种高硬度、耐热性好等优点，有利于提高加工效率和加工精度，并能对难加工材料如淬火钢在不利的加工条件下进行切削加工。

由于它们强度相对较低，韧性较差，严重地限制了它们的应用范围，因此把激光表面强化技术应用于陶瓷、硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用前景。

选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。

利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可利用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。

例如，高精密光栅的刻制；通过CAD/CAM软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；利用光阱的“束缚力”，对生物细胞执行移动操作（生物光镊）。

2.微细加工工艺（l）微细机械加工工艺凸形（外）表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀。

刀尖半径约为100μm。

单晶金刚石立铣刀的刀头形状，当刀具回转时，金刚石刀片形成一个45°圆锥的切削面。

凹形（内）表面的微细切削时，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如钻孔用麻花钻可加工小至50μm的孔，更小的孔则无麻花钻商品，可采用扁钻。

微细加工中俯—个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度是否与坐标系一致，否则很难保证微小的切除量。

为此可在同一台机床上制作刀具后进行加工，使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件，避免装夹的误差。

如果在机床上采用线放电磨削制作铣刀，可以用它铣出50μm宽的槽。

（2）微细电加工工艺微型轴和异形截面杆的加工可采用线放电磨削法（WEDG）加工。

它的独特的放电回路使放能仅为一般电火花加工的1/100。

如需获得更为光滑的表面，则可以在WEDG加工后，再采用线电化磨削法（WECG），它是用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。

微细电火花加工（MEDM）所用的机床如日本松下电气产业公司的MG-ED71，它的定位控制的分辩率为0.1μm，最小加工孔径达5μm，表面粗糙度达0.1μm。

加工节径300μm、厚100μm的9齿不锈钢齿轮时，先用φ24μm的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用φ31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓，精度达±3μm。

也可用它加工微型阶梯轴，最小直径为30μm，加工的键槽截面为10μm×10μm。

加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作，否则由于电极的连接和安装误差很难加工出小于直径100μm微型孔。

如在微细电火花机床上加工电极或超声加工工具，就可加工出5～10μm微型孔。

微细电加工与微细机械加工相比虽材料切除率较低，但加工尺寸能更细小，孔的长径比更大可达5～10，尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性。

2.5高速切削技术

高速切削技术可以追溯到20世纪30年代德国CarlSalomon博士提出的高速切削理论。

与传统切削相比，高速切削具有更高的切削速度和加工效率；并且加工后的表面质量高，可直接加工硬度达50－60HRC的淬硬材料以实现“以切代磨”。

对比传统模具加工中的电火花加工，高速切削节省了电极设计加工的过程，加工精度显著提高，大幅度减少甚至取消了钳工的抛光量与打磨配研量，加工效率得到大幅度的提高。

有统计证明：

对于复杂程度一般的模具，高速切削至少可减少40％的加工周期甚至更多。

即使对于一些形状特别复杂（例

如带有深槽、窄缝）的模具型腔面，仍需要采用电火花加工，高速铣削也可帮助获得更高质量的电加工石墨电极。

　　1高速切削中模具表面粗糙度的研究

　　表面粗糙度是模具表面质量中一个很重要的指标，高速切削对表面粗糙度的影响可以通过实验来完成，实验条件：

切削材料为模具钢3Cr2Mo，刀具材料为SG4陶瓷，刀具直径100mm，主偏角75°，轴向前角和径向前角都为0°，单刃。

实验通过改变切削速度、进给速度、轴向和径向切削深度来观察对表面粗糙度的影响。

图2

如图：

随着切削速度的提高，粗糙度呈减小趋势。

在速度达到1000mm/min时，表面粗糙度达到最小值，完全达到磨削的效果。

在高速切削过程中，由于切削速度的增加使得刀具与工件的接触挤压时间缩短，工件的塑性变形减少。

高的切削速度也不利于积屑瘤的形成，因此能获得较好的表面质量。

另一方面主轴的高转速也使得切削时机床的激振频率很高远大于工艺系统的固有频率，减少了发生共振的可能性，有利于提高加工精度和表面质量。

实验中切削速度超过1000mm/min后，Ra又出现上升趋势，主要是由于刀具磨削引起