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1、1特种加工技术在快速制造中的发展趋势摘要:介绍了特种加工的概念、特点、分类，论述了特种加工在机械快速制造中的应用以及引起的快速制造技术的变革。关键词：特种加工、快速制造、应用、发展、变革前言：制造技术同信息科学、材料科学、生物科学一道被以为是促进人类文明与发展的四大关键领域。随着全球经济一体化的进程和全球化市场的形成，任何制造企业的生产和经营活动都必须面对来自全世界的激烈竞争。能否以最短的交货期(Time)、最好的质量 (Quality)、最低的本钱(Cost)、最佳的服务(Service)来响应多变和多样化的市场需求，将成为制造业赖以生存的关键。机械制造发展至今已由一门技艺成长为一门工程科学
2、，它所追求的已不单纯是最高的精度，而是精度、本钱和效率的最佳组合，所以，正在形成崭新的快速制造模式。特种加工是各种利用物理的、化学的能量往除或添加材料以达到零件设计要求的加工方法的总称。由于这些加工方法的加工机理以溶解、熔化、气化、剥离为主，且多数为非接触加工，因此对于高硬度、高韧性材料和复杂形面、低刚度零件是无法替换的加工方法，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中不可缺少的技术内容。目前，这一技术正向着自动化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最优化方向发展，在已有的工艺不断完善和定型的同时，新的特种加工技术不断涌现，如快速原形制造技术、等离子体熔射成形工艺技术、在线
3、电解修整砂轮镜面磨削技术、实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、磁力研磨技术和电铸技术等。新的特种加工技术是在传统的特种加工技术的基础上，紧密结合材料、控制和微电子技术而发展起来的，并随着产品应快速响应市场需求，正在形成面向快速制造的特种加工技术新体系。21 特种加工技术的构成、研究现状和发展趋势1.1 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。1.2 人工智能技术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、电化学等诸多领域，其加工机理的理论研究极
4、其困难,通常很难用简单的解析式来表达。近年来，固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进的研究，并取得了卓越的理论成就，但离定量的实际应用尚有一定的间隔。然而采用每一种特种加工方法所获得的加工精度和表面质量与加工条件参数间都有其规律。因此，目前常采用研究传统切削加工机理的实验统计方法来了解特种加工的工艺规律，以便实际应用，但还缺乏系统性。受其限制，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，例如，电火花成形电极的沉进式加工工艺，它在占电火花成形机床总数 95%以上的非数控电火花成形加工机床和较大尺寸的模具型腔加工中得到广泛应用。固然已有学者对其 CAD、CAPP
5、 和 CAM 原理开展了一些研究，并取得了一些成果，但由于工艺数据的缺乏，仍未有成熟的商品化的 CAD/CAM 系统问世。通常只能采用手工的方法或部分借助于 CAD 造型、部分天生复杂电极的三维型面数据。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成熟发展，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，并得到了初步的成果。因此，通过实验建模，将典型加工实例和加工经验作为知识存储起来，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基础。1
6、.3 智能控制将成为特种加工领域主要的控制策略3加工过程和加工设备的稳定、可靠、高效地运行是特种加工工艺技术适应快速制造体系的必不可少的条件。但由于多数特种加工方法采用“以柔克刚” 的非接触式加工机制，加工是伴随着物理、化学过程进行的，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性时变系统，很难用经典的控制理论和现代控制理论的方法获得理想的控制效果。多年来人们尝试过很多种自适应控制策略，取得了很大进展。但在加工条件大幅度变化的情况下仍难以达到满足的性
7、能。近年来，人们把更多的留意力转移到模糊控制、神经控制等智能控制的研究和应用上来，并在电火花成形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进自适应功能或与人工神经网络技术相结合,使其具有自学习功能,从而达到进步加工速度,稳定加工过程,减少对操纵者技术依靠的目的。由于这种控制策略采用模拟人类智能活动的方法，可以在很大程度上答应系统存在不确定性、非线性和时变性。可以预见，它将是未来几年中特种加工领域首选的控制策略。目前，我国广泛使用的国产特种加工设备同国外的产品相比还存在很大的差
8、距。比如我国生产的电火花成形机仅为国外 80 年代中期的水平，往往为确保加工质量和效率，需要有经验的操纵者在加工过程中不断进行调整和干预。1.4 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。尽管目前对这些加工技术的机理及应用的研究工作方兴未艾，但还没有从根本上把握其工艺特性。然而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，其广泛应用将明显地进步零件和模具快速制造的能力。1.4.1 快速成形技术(RP&M)采用了材料堆积成形的原理，突破了传统的往材法和变型法机械加工的很多限制，在不需要工具或模具的情况下，
9、能迅速制造出任意复杂外形又具有一定功能的三维实体模型或零件。迄今，比较成熟并已商品化的 RP&M 成形技术有立体光造型(SLA) 、激光选择性烧结(SLS)、分层4实体制造(LOM) 、熔融沉积制造 (FDM)和三维印刷(3D-P)等。这些技术目前除用于将设计图纸或 CAD 模型快速制造成三维实体模型外，在注塑模、冲压模、铸模等模具快速制造，快速制造金属零件，微型机械零件制造等方面的研究也不断取得成功。但如何充分利用快速成形技术与其他特种加工技术的各自上风，在精度和效率方面取长补短，尚需与其它各类工艺相结合，发展出组合工艺技术,实现金属零件和模具的快速高精度制造。1.4.2 等离子体熔射成形工
10、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形的零件制造方法。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，尤其适于陶瓷、复合材料、高硬度高熔点合金等材料外形复杂薄壁件的快速制造，应用远景十分广阔。但目前对这一技术的研究还处于起步阶段。1.4.3 在线电解修整砂轮(ELID)镜面磨削技术它是利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
11、擦或刮削被加工表面，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(ELID-lap)，其中电解修锐参数是影响加工质量的关键。目前的研究主要是针对硅晶体、玻璃、陶瓷和钛合金材料的镜面加工进行的，尚需系统的实验来完善推广这一工艺技术。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远景。1.4.4 时变场控制电化学机械加工技术它是利用电化学机械加工中，电化学溶解电场轻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往除，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外形精密加工和光整加工的一体化，明显地
12、进步生产率。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远景。目前该技术在复杂曲面精密加工方面的应用研究尚在进行。51.4.5 三维型腔简单电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题目的限制，十多年来始终没有取得有效进展。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。据调查统计，普通的电火花成形加工电极的制造周期和本钱约占模具总的制造周期和本钱的50%。因此，这一技术的广泛应用可以节省大量的
13、复杂外形电极的制造用度和时间，远景广阔。1.4.6 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进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 Rmax0.8m 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。在我国哈尔宾产业大学和大连理工大学也在从事该项技术的研究，并取得了初步的成果。通常模具表面粗糙度改善一级，其使用寿命可以进步 50%，但由于模具三维型腔本身外形复杂，抛光过程难以实现自动化，目前仍以手工作业为主。据资料介绍，模具抛光的工作量约
14、占模具制造总工作量的 1/3。因此，这一技术的成熟必将大大进步模具型腔加工的效率。1.4.7 磁粒研磨技术它是利用磁场超距作用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，设备本钱低。尤其适合于薄壁、细小、内凹零件的抛光。目前存在的主要题目是效率太低，同时通过烧结或化学粘结制成的磁性磨料组分不均匀，磨料和磁性材料的结协力不强，寿命低。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性的作用。但由于长期以来对这一领域的
15、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，很难纳进到快速6制造系统中。因此，有必要深进研究那些新型的特种加工工艺方法，探索高精度、高效率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。2 面向快速制造的特种加工技术基础2.1 面向快速制造的特种加工技术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、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逐步发展，其体系构成。2.2 基于分层制造思想，利用简单工具的电加工工艺理论及技术普通的电解、电火花、超声波成形加工
16、利用外形拷贝原理将工具的外形复制到工件上。要得到一定精度的三维外形，就需要制作与其外形相同、凸凹相反的工具，并严格控制工作液在加工间隙中的流场分布。为节省大量的复杂外形工具的制造用度和时间，简化工作液的活动控制，可采用简单外形的工具，仿照数控铣削那样依靠机床的成形运动来加工出复杂三维型面的新型电加工工艺技术。这必须解决如下几个技术困难：实现加工过程的稳定控制； 具有确定的材料往除规律及工具损耗规律；实现工艺过程建模； 研制出相应的CAD/CAM 软件。为有效地简化题目的复杂性，将采用类似快速成形的分层制造加工模式，并严格控制每一层的加工余量，确保工具只有底面实现加工，而侧面不参与加工，从而使复杂的三维型面加工题目转化为一系列平面加工题目。2.3 基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工方法与技术基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工技术，可以实现高效光整、高效精密成形加工，或光整及精密成形的一体化加工。一般而言，细砂轮精密磨削加工精度高，但砂轮堵塞不易修整，加工曲面时砂轮损耗补偿也困难，且7磨削力大被加工表面易产生
