特种加工发展现状及趋势

特种加工发展现状及趋势学号：110204103姓名：陈园辉特种加工发展现状及趋势一．特种加工分类及现状1激光加工技术1.1现状外国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Nd:YAG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。1.2发展趋势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；以焊代替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。1）无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究；2）铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究；3）三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究；4）提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究；5）激光快速成型技术研究；2电子束加工技术2.1现状电子束加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。国外定型生产的40kV～300kV的电子枪(以60kV、150kV为主)，已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：1。电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。如：F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量，提高了整机的性能；“苏-27”及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，对电子束焊接设备的需求量也越来越大。国外的电子束焊机，以德国、美国、法国、乌克兰等为代表，已达到了工程化生产。其特点是采用变频电源，设备的体积、噪声、高压性能等方面都有很大提高；在控制系统方面，运用了先进的计算机技术，采用了先进的CNC及PLC技术，使设备的控制更可靠，操作更简便、直观。国外真空电子束物理气相沉积技术，已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层，提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。2.2发展趋势电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。1）150kV、15kW高压电子枪及高压电源的技术研究；2）电子束物理气相沉积技术的研究；3）大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定；4）典型复合材料飞机构件的电子束固化工艺研究及其工程化研究；5）多功能电子束加工技术研究。3离子束及等离子体加工技术3.1现状表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。3.2发展趋势离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。1）复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究；2）空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究；3）等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究；4）层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究；5）层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。4电加工技术4.1发展现状国外电解加工应用较广，除叶片和整体叶轮外已扩大到机匣、盘环零件和深小孔加工，用电解加工可加工出高精度金属反射镜面。目前电解加工机床最大容量已达到5万安培，并已实现CNC控制和多参数自适应控制。电火花加工气膜孔采用多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极同时加工的专用设备，加工效率2～3秒/孔，表面粗糙度Ra0.4μm，通用高档电火花成型及线切割已能提供微米级加工精度，可加工3μm的微细轴和5μm的孔。精密脉冲电解技术已达10μm左右。电解与电火花复合加工，电解磨削、电火花磨削已用于生产。5.电化学加工电化学加工是通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。该方法主要包括电解、电镀、电铸、电化学抛光等工艺方法，其中电解加工使用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等，电铸加工适用于形状复杂精度高的空心零件，如波导管、注塑用的模具、薄壁零件、复制精密的表面轮廓、表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件；涂敷加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂敷以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂敷补救、对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层、耐腐层，以改善表面性能。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。刷镀可修复磨损的零件，改变原表面的物理性能，有很大实用价值。6.离子束及等离子体加工技术表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。7.超声波加工技术超声波加工基本原理：在工件和工具间加入磨料悬浮液,由超声波发生器产生超声振荡波,经换能器转换成超声机械振动,使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面,把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合结果。在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波加工,即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转,这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面,把工件材料粉碎成很小的微粒去除,以提高加工效率。超声波加工精度高,速度快,加工材料适应范围广,可加工出复杂型腔及型面,加工时工具和工件接触轻,切削力小,不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷,而且超声加工机床的结构简单,易于维护。二．特种加工的总体发展趋势为进一步提高特种加工技术水平及扩大其应用范围,当前特种加工技术的发展趋势主要包括以下几点:1.采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化,加大对特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度,建立综合工艺参数自适应控制装置、数据库等(如超声、激光等加工),使加工设备向自动化、柔性化方向发展,这是当前特种加工技术的主要发展方向。2.趋向精密化研究。高新技术的发展促使高新技术产品向超精密化与小型化方向发展,对产品零件的精度与表面粗糙度提出更严格的要求。为适应这一发展趋势,特种加工的精密化研究已引起人们的高度重视,因此,大力开发用于超精加工的特种加工技术(如等离子弧加工等)已成为重要的发展方向。3.开发新工艺方法及复合工艺。为适应产品的高技术性能要求与新型材料的加工要求,需要不断开发新工艺方法,包括微细加工和复合加工,尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工,如工程陶瓷、复合材料以及聚晶金刚石等。4.污染问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍。加工过程中产生的废渣、废气如果排放不当,会造成环境污染,影响工人健康。必须花大力气处理并利用废气、废液、废渣,向“绿色”加工的方向发展。5.进一步开拓特种加工技术。以多种能量同时作用,相互取长补短的复合加工技术,如电解磨削、电火花磨削、电解放电加工、超声电火花加工等,需要不断发展。