引言

傳統加工技術(shù)具有悠久的歷史，促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì )地快速發(fā)展。自從蒸汽機開(kāi)始使用直接引起了第一次工業(yè)革命的蓬勃發(fā)展，但一直到第二次世界大戰之前，傳統加工技術(shù)依舊占據全部的市場(chǎng)份額，沒(méi)有產(chǎn)生發(fā)展特種加工的迫切需求和必要條件。但二次大戰之后，隨著(zhù)航空航天、醫療器械、汽車(chē)等行業(yè)的的發(fā)展，出現了難加工材料、各種復雜型面的零部件以及有特殊要求的零件，這對機械制造提出了更高的要求。傳統的切削加工技術(shù)是難以加工上述問(wèn)題的，為解決上述問(wèn)題，已經(jīng)出現了多種加工方法，這些方法統稱(chēng)為特種加工工藝。

超聲波加工

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超聲波加工的基本原理

超聲波加工是利用振動(dòng)頻率超過(guò)16000 Hz的工具頭， 通過(guò)磨料懸浮液對工件進(jìn)行成型加工的一種方法。超聲波加工原理示意圖如圖1.1所示，當工具以16000 Hz以上的振動(dòng)頻率作用于磨料懸浮液時(shí)，磨料便以極高的速度強力沖擊加工表面；同時(shí)由于磨料懸浮液的攪動(dòng)，使磨粒以高速度拋磨工件表面；此外，磨料懸浮液受工具端面的超聲振動(dòng)而產(chǎn)生交變的沖擊波和“空化現象”。料懸浮液的循環(huán)流動(dòng)，帶走被粉碎下來(lái)的材料微顆粒，并使磨粒不斷更新。隨著(zhù)加工的不斷進(jìn)行，工具的形狀就逐漸“復制”在工件上。

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超聲波加工的特點(diǎn)

（1）主要適用于加工各種不導電的硬脆材料，如陶瓷、玻璃、石英、寶石、瑪瑙、金剛石等。對于導電的硬質(zhì)合金及淬火鋼也能進(jìn)行加工，但效率很低。

（2）由于加工過(guò)程中工具與工件之間相對運動(dòng)較為簡(jiǎn)單，因此易于加工出各種復雜形狀的內表面和成型表面等。采用中空形狀工具，還可以實(shí)現各種形狀的套料。

（3）加工過(guò)程中，工具對加工材料的宏觀(guān)作用力小，切削熱更小，不會(huì )產(chǎn)生變形和表面燒傷，所以特別適于加工某些不能承受較大機械應力的薄壁、窄縫、低剛度的零件。

（4）因為材料的去除是靠磨料的直接作用，故工具材料的硬度可以低于加工材料的硬度，而磨料硬度一般應比加工材料高[1]。

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超聲波加工的應用

目前，在各工業(yè)部門(mén)中，超聲波加工主要用于硬脆材料的孔加工、套料、切割、雕刻以及研磨金剛石拉絲模等。部分超聲波加工應用示例如圖1.2所示。但是超聲波加工的面積較小，而且工具頭的磨損較大，因此，生產(chǎn)效率低。一般超聲波加工的孔徑范圍為0.1～90 mm，深度可達100 mm以上，加工孔的尺寸誤差小于±（0.02～0.05）mm。

激光加工

激光加工的基本原理

激光是一種強度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長(cháng)相近的(微米甚至亞微米)小斑點(diǎn)上，加上它本身強度高，故可以使其焦點(diǎn)處的功率密度達到107～1011 W/cm2，溫度可達10000℃以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時(shí)急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速?lài)娚涑鰜?lái)，同時(shí)產(chǎn)生方向性很強的沖擊。因此，激光加工是工件在光熱效應下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過(guò)程。

激光加工原理示意圖如圖2.1所示，激光是由激光器轉換電能產(chǎn)生的，經(jīng)過(guò)棱鏡調整傳輸方向和凸鏡聚焦到達工件表面進(jìn)行高溫加工。

激光加工的特點(diǎn)

（1）幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進(jìn)行激光加工。

（2） 激光能聚焦成極小的光斑，可進(jìn)行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工。

（3） 可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點(diǎn)進(jìn)行加工。

（4） 加工時(shí)不需用刀具，屬于非接觸加工，無(wú)機械加工變形。

（5）無(wú)需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動(dòng)控制連續加工，加工效率高，加工變形和熱變形小[2]。

激光加工的應用

（1）激光打孔

在激光出現之前，只能采用較大硬度的物質(zhì)在較小硬度的物質(zhì)上打孔。但要在硬度最大的金剛石上打孔，就成了極其困難的事。激光出現后，這一類(lèi)的操作既快又安全。隨著(zhù)近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，硬度大、熔點(diǎn)高的材料應用越來(lái)越多，并且常常要求在這些材料上打出又小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動(dòng)機中的燃料噴嘴等。這類(lèi)加工任務(wù)，用常規的機械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完成任務(wù)[3]。

（2）激光切割

激光切割的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對移動(dòng)。大多數激光切割機都由數控程序進(jìn)行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

在汽車(chē)制造領(lǐng)域，小汽車(chē)頂窗等空間曲線(xiàn)的切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應用。德國大眾汽車(chē)公司用功率為500W的激光器切割形狀復雜的車(chē)身薄板及各種曲面件。在航空航天領(lǐng)域，激光切割技術(shù)主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動(dòng)機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長(cháng)桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

激光切割成形技術(shù)在非金屬材料領(lǐng)域也有著(zhù)較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進(jìn)行服裝剪裁，可節約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

（3）激光焊接

激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。當激光的功率密度為105～107 W/cm2，照射時(shí)間約為1/100 s左右時(shí)，可進(jìn)行激光焊接。激光焊接一般無(wú)需焊料和焊劑，只需將工件的加工區域“熱熔”在一起即可。激光焊接速度快，熱影響區小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過(guò)玻璃進(jìn)行焊接。

（4）激光打標

激光打標是指通過(guò)激光在工件表面上刻出自己需要的清晰的文字或圖案，作為永久的防偽標志。廣泛應用于電子元器件、醫療器械、鐘表、通訊器材和汽車(chē)配件等行業(yè)[4]。

電火花線(xiàn)切割

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電火花線(xiàn)切割的基本原理

電火花線(xiàn)切割是利用一根連續移動(dòng)的電極絲作為一極，工件作為另一極，兩極在特定的距離內放電，在擊穿介質(zhì)的同時(shí)釋放出瞬間高溫來(lái)融化金屬進(jìn)行“切割”。

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電火花線(xiàn)切割的加工特點(diǎn)

（1）不需要制造復雜的成形電極。

（2）能夠方便快捷地加工薄壁、窄槽、異形孔等復雜結構零件。

（3）一般采用精規準一次加工成形，在加工過(guò)程中大都不需要轉換加工規準。

（4）電極絲的損耗較少，從而對加工精度的影響比較小。

（5）工作液多采用水基乳化液，不易引燃起火，安全。

（6）沒(méi)有穩定的拉弧放電狀態(tài)。

（7）切割加工脈沖電源的脈寬較窄（2～60μs），單個(gè)脈沖能量平均電流（1～5A）一般較小，屬于中、精加工范疇。

（8）采用正極性加工方式[5]。

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電火花線(xiàn)切割的應用

（1）適用于各種形式的沖裁模及擠壓模、粉末冶金模、塑壓模等通常帶錐度的模具加工。

（2）高硬度材料零件的加工。

（3）殊形狀零件的加工。

（4）加工電火花成形加工用的銅、銅鎢、銀鎢合金等材料電極

總結

傳統加工技術(shù)主要是利用機械切削去除材料的方法加工工件，特種加工工藝是直接或間接利用聲能、熱能和電能等能量加工工件，是對傳統加工技術(shù)重要的補充與發(fā)展。特種加工工藝將向綠色化、智能化、精密化和多功能和多種加工方法復合加工的方向發(fā)展。