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先进制造技术东北大学先进制造与自动化研究所刘永贤第三章先进制造工艺技术（切削部分）非传统加工技术快速原型制造技术虚拟成型与加工技术3．10非传统加工技术3．10.1概述3.10.1．1非传统加工技术内涵、范围及技术地位非传统加工技术，顾名思义就是一种采用不同于传统切削磨削加工工艺及装备的加工技术来进行制造成形的加工工艺及装备的技术，目前所包括的范围主要是特种加工、“推积”制造技术和新机构原理加工装备技术。1)特种加工是将电、磁、声、光、热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在被加工的部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等。特种加工具有下列特点：(1）工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度；（2）可直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工；(3）加工过程中的机械力不明显，工件很少产生机械变形和热变形，有助于提高工件的加工精度和表面质量；（4）各种加工方法可以有选择地复合成新的工艺方法，使生产效率成倍地增长，加工精度也相应提高；（5）几乎每产生一种新的能源，就有可能产生一种新的特种加工方法。特种加工方法因具有上述特点而适用于以下场合：(1）解决各种难切削材料的加工问题，如耐热钢、不锈钢、钻合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等以及诸和硅等各种高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的金属和非金属的加工。（2）解决各种复杂零件表面的加工问题，如各种热锻模、冲裁模和冷拔模的模腔和型孔、整体涡轮、喷气涡轮机叶片、炮管内腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小异形孔的加工问题。(3）解决各种精密的、有特殊要求的零件加工问题，如航空航天、国防工业中表面质量和精度要求都很高的陀螺仪、伺服阀以及低刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工。特种加工发展至今虽有50多年的历史，但在分类方法上并无明确规定。一般按能量形式和作用原理进行划分：(1）电能与热能作用方式有：电火花成形与穿孔加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）、电子束加工（EBM）和等离子体加工（PAM）。(2）电能与化学能作用方式有：电解加工（ECM）、电铸加工（ECM）和刷镀加工。（3）电化学能与机械能作用方式有：电解磨削（ECG）、电解伤磨（ECH）。（4）声能与机械能作用方式有：超声波加工（USM）。（5）光能与热能作用方式有：激光加工（LBM）。（6）电能与机械能作用方式有：离子束加工（IM）。(7）液流能与机械能作用方式有：水射流切割（WJC）、磨料水喷射加工（AWJC）和挤压伤磨（AFH）。在特种加工范围内还有一些属于降低表面粗糙度和改善表面性能的工艺，前者如电解热抛光、化学抛光、离子束抛光等；后者如电火花表面强化、镀覆、电子束曝光、离子束注入渗杂等。2)“堆积”制造技术指运用合并与连接的方法，把材料有序地堆积起来形成三维实体的成形方法。在制造的全过程中可把零件视为一个空间实体，由非几何意义的“点”或“面”叠加而成，它从CAD模型中，获取零件点、面的离散信息，把它与成形工艺参数信息结合转换为控制成形机工作的NC（数控）代码，控制材料有规律地精确地堆积成零件。快速原型制造技术（RPM）属于典型的“堆积”制造技术理论上，“堆积”制造技术可以制造塑料、陶瓷及各种复合材料的任意形状的零件，材料从小到大的堆积，提高了材料利用率，精度较好，可达±0.0lmm。3)新机构原理加工装备技术主要指近年出现的采用并联行架结构的虚拟轴机床（VirtualAxisMachineTool）及其相关技术，国外称为Hexapod或Stewart机床，这种机床突破了传统机床结构上的串联机构方案，一般以控制六个轴的长短来实现刀具相对于工件的加工位姿，不但提高了工艺灵活性，而且整机重量轻，刚性好，已受到国内外重视。随着航空航天、核能热电以及微电子工业的发展，产品向高精度、高速度、耐高温、耐高压、耐腐蚀、大功率、小型化和高可靠性方向发展，零件的特殊结构和新材料的应用对制造业提出了特殊的要求，常规加工方法难以胜任，用非传统加工技术就很容易解决。随着科学技术的进步和工业生产发展，非传统加工技术的内涵日益丰富，所涉及的范围日益扩大。特种加工技术在难加工材料加工、模具制造、复杂型面加工、零件的精细加工、微型电子机械系统制造及低刚度零件加工等加工领域中已成为重要的加工方法，形成了较完整的制造技术体系。总之，非传统加工技术作为跨世纪的先进制造技术将在21世纪人类社会进步及我国现代化建设中发挥重大作用。3．10．1．2非传统加工技术的国内外发展现状1943年，前苏联的拉扎连柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电时的腐蚀损坏的现象和原因时，从火花放电时的瞬时高温，可使局部金属熔化、气化而蚀除的现象，顿悟到创造一种全新的加工方法的可能性，继而深入进行研究，最终发明了电火花加工这种新型方法。继电火花加工出现之后，人们又不停顿地进行研究和探索，相继发展了一系列的特种加工新方法，如电解加工、超声波加工和激光加工等，从而开创了特种加工的广阔领域。国外，特别是日本、前苏联、美国、瑞士等工业化国家对非传统加工技术给予了高度重视，视其为一种跨世纪技术，日本把它列为机械装备的三大支柱之一。它们从理论研究、技术应用到加工设备的研制已达到了很高的水平。他们的特种加工装备以高度自动化、多功能、加工工艺指标高、质量好及可靠性高而畅销全球。下面从几个方面介绍非传统加工技术的发展。相关统计资料表明：电火花加工精度达到微米级，微细放电加工达到亚微米级，电解加工精度达0．02mm，采用脉冲电源及其它措施后的精度达到微米级；电火花加工已是模具加工中不可替代的加工方法，它还可以加工各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、微精、薄壁、低刚性等零件。各国都在对电极材料进行改进以提高电火花放电加工效率。激光切割精度达到0．03mm，电子束、离子束加工精度达到微米级；电化学抛光表面粗糙度达到几0．002m。激光加工已成功用于切割、焊接、表面处理、打孔、微机械加工及弯曲成形等方面。激光加工在工业发达国家中已被大量用于电子、汽车、钢铁、机械、航空等工业部门，被誉为“未来制造系统的共同加工手段”。激光加工技术发展很快，需求不断增长，据IndustrialLaserReviewl998年初发布的对世界工业激光器及激光加工系统销售情况统计，1997年激光加工系统销售额比1996年增长20％对工业激光器销售台数年增长率的统计表明，近几年一直有20％左右的增长率。PhotonicsSpectra对各行业应用激光加工的情况做了统计，电子与电器工业是最大用户，占40％以上，从微调、划基片、标记、焊接到剥线，用得极广；汽车工业和加工门市部次之，各占14％，主要是切割和焊接；包装业用激光进行模板切割和标记占8％；航空航天占2％等。例如西门子公司在德国慕尼黑一个分公司的生产线上就有近400台各种类型的激光加工设备，日本东芝公司的激光技术研究所专门就公司生产中的需求来研究开发固体激光加工设备（NdYAG激光器），在显像管和集成电路生产线上的许多激光焊接机、标记机、微调机都是该公司自行制造的。汽车工业中，通用、福特、奔驰、大众、丰田等汽车制造商无一例外地采用了激光加工技术，汽车车身装配中大量使用激光焊接工艺，不但可省材料，还提高了工效，增加了汽车构件的强度，福特汽车公司用sin长的光纤将2kw的NdYAG激光传输到装在IR761／125型机器人的焊头上，用于车身装配，把车顶和门框焊在一起，焊两层0．5mm厚的钢板，焊速达28m／min。电子束加工技术，近20年发展迅速，已能进行精密微细、焊接、涂膜、熔炼、热处理、曝光、辐照等加工。德国阿登纳研究所生产连续式电子束带钢镀膜设备，能镀的钢带宽500mm、双层镀铝厚度0．l～lmm，速度为200m／min，电子帘加速器用于辐照加工在国外已普及，机器的总功率可达250kw，电子束加工技术将向高功率化、高精度化、微细化、自动化方向发展。离子束加工可以进行铣刻、溅射涂膜、离子镀和微细加工等，特别是离子辅助镀层（IAC）技术兼有气相沉积和离于注入的两者优点，可以制备出粘接力很强、结构致密的各种性能优良的功能镀层。微细离子束加工主要应用在微型机器人的制造上。化学特种加工是在工件表面产生化学反应，使用金属腐蚀溶解而改变工件的尺寸和形状，具有加工周期短、变换产品快、工艺性较好等特点，其主要用于印刷线路板制造。在借助于水、磨料、超声波、热能等对工件进行精密加工的机械特种加工技术方面，国内外已有较大发展。国外公司一直用磨料水喷射加1100mm以上厚度的防弹玻璃、层压玻璃和聚碳酸酯，效果良好。磨料水喷射切割加工十分适合于航空材料的加工，最新开发的三维切割方法，如德国LoutsBleroit研究中心已开发一种六轴龙门式机器人，用于对组合零件进行精加工以及对钛合金、碳纤维成形加工件进行切削加工，该机床由两个磨料水喷射切割头、一个传感器和一些切削刀具组成。磨料喷射加工可以胜任精密切割，加工工件无须去毛刺，这在氧乙炔、微光束切割法中是无法实现的。其次水喷射加工的另一个优点是其可以触及其他工具不易达到的地方。磨料流动加工已成熟地应用于液压、气动元件阀体的交叉孔去毛刺、倒圆和挤压模具内腔抛光，表面粗糙度达到Ra0.04～0.05m。多年来美国一直在进行超声波辅助金刚石刀具加工的研究，日本也正在进行超声波辅助磨削技术的开发。电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解将工件加工成形的，已成功应用于锻模、齿轮、花键、高温合金叶片等机械零件的成型加工，采用电解液冲刷加工和成型管电解加工可以加工孔径为0．2～5mm，孔深与孔径之比大于20以上的孔，孔深与孔径之比最高已达300，也可以加工异型孔的小深孔机械零件。电解磨削和电解研磨加工硬质合金效率比机械磨削提高3～5倍，表面粗糙度达到Ra＜0.16m，对于电解加工，国外研究机构正致力于采用非线性电解液、脉冲电流和振动进给等工艺措施攻克精度不高这一难题，电解液对机床、工件及环境都有一定的腐蚀作用也是今后电解加工技术发展中需要解决的关键问题。对于RPM技术的国内外发展现状趋势以及关键技术，将在3．11节中介绍。虚拟轴机床及其相关技术于1994年在美国芝加哥国际制造技术展览会（IMTS’94）上引起轰动以来，被人们称为“21世纪的机床”，它的六杆并联连杆结构使得机床刚性提高，加工速度是传统加工中心的5～10倍。目前，美国、瑞士、俄罗斯、英国、日本等国已经生产出了数台样品，美国Ingersol公司的HOH－600（OctahedralHexapod）最大送给速度30m／min，主轴转速为0～20000r／min，刀库容量为40或80把刀，机床价格高达140万美元。由于虚拟轴机床具有优良的动态性能、很小的运动质量和良好的灵活性，符合制造装备技术的以硬件的复杂性向软件转移的总趋势，其已成为世界的研究热点。我国近年来在非传统加工技术方面进行了大量研究，在电火花加工、电化学加工、电化学机械加工、激光加工等方面形成了自己的特色，但在精度、功能、自动化程度、可靠性、加工稳定性、加工工艺指标等方面都低于国外先进水平，水平相差10至20年。我国电加工机床的加工精度为0．02mm、表面粗糙度为儿0．0025mm，最好水平为民0．0006mm。电加工机床数控系统的性能与国外系统相比，缺乏完善的工艺数据库，可靠性不稳定，没有Z轴伺服装置。国内的激光加工设备在切割速度和精度上与国外先进水平相比有较大差距，在厚板切割和激光弯曲成形方面的研究刚起步。在虚拟轴机床技术方面，我国的一些高等院校和科研院所近年来也开展一些研究，中科院沈阳自动化所、清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、东北大学等单位在这一领域进行了理论分析和试验研究，有的已制出样机。3．10．1．3非传统加工技术的发展趋势及前沿关键技术1．非传统加工技术的发展趋势(1）在微精、高效加工方面继续发展。微机电系统要求非传统加工技术将向亚微米级和纳米级方向发展。（2）向自动化、柔性化和智能化方向发展。非传统加工技术的控制装置将充分利用模糊控制和智能控制技术；通过对非