特种加工方法的综合比较及应用范围扩展

随着社会生产的需要和科学技术的进步，20世纪40年代，苏联科学家拉扎连柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部金属熔化、汽化而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工。后来，由于各种先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法。这些新加工方法从广义上定义为特种加工（Non-Traditional Machining，NTM），也被称为非传统加工技术，其加工原理是将电、热、光、声、化学等能量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除。

（1）特种加工的加工特点

与传统的机械加工相比，特种加工的特点如下：

①不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（如电、化学、光、声、热等）去除金属材料。这好比我们日常生活中切削水果、蔬菜等时，必须将刀与水果（或蔬菜）相接触，否则根本实现不了切削功能。

②加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度无关。

③各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工（ECDM）、电解电弧加工（ECAM）就是两种特种加工复合而形成的新加工方法。

正因为特种加工工艺具有上述特点，所以就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且更擅长于加工复杂、微细表面和低刚度的零件。

（2）特种加工的分类及应用范围

特种加工的分类还没有明确的规定，一般按能量来源和作用形式以及加工原理可分为表4.3所示的形式。

表4.3　常用特种加工方法的分类

尽管特种加工优点突出，应用日益广泛，但是各种特种加工的能量来源、作用形式、工艺特点却不尽相同，其加工特点与应用范围自然也不一样，而且各自还都具有一定的局限性。为了更好地应用和发挥各种特种加工的最佳功能及效果，必须依据工件材料、尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分析，区别对待，合理选择特种加工方法。表4.4对几种常见的特种加工方法进行了综合比较。

表4.4　特种加工方法的综合比较及应用范围

（3）研究方向及发展趋势

1）特种加工的研究方向

目前，国际上对特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面：

①微细化。目前，国际上对微细电火花加工、微细超声波加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究方兴未艾，特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术。(www.xing528.com)

②特种加工的应用领域正在拓宽。例如，非导电材料的电火花加工，电火花、激光、电子束表面改性等。

③广泛采用自动化技术。

2）特种加工的发展趋势

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，建立综合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的CAD／CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。用简单工具电极加工复杂的三维曲面是电解加工和电火花加工的发展方向。目前已实现用四轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。随着设备自动化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标。

我国的特种加工技术起步较早。20世纪50年代中期我国工厂已设计研制出电火花穿孔机床。20世纪60年代末上海电表厂张维良工程师在阳极—机械切割的基础上发明了我国独创的高速往复式走丝线切割机床（简称快走丝线切割机床），上海复旦大学研制出与之配套的电火花线切割数控系统。但是由于我国原有的工业基础薄弱，特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平有不少差距，每年仅高档电加工机床，就需从国外进口300台以上。

以应用最为广泛的电火花加工技术为例，其发展趋势有以下几个主要方面：

①CNC电火花加工技术的发展。自20世纪70年代以来，美国、西欧、日本都相继推出CNC电火花加工机床和加工中心。这些机床都可以实现四轴和五轴联动，可以加工极为复杂的型面。由于加工过程实现了计算机控制，研制出了一批CAD／CAM软件，可以使用简单的工具电极加工出任意曲面。同时，有些CNC电火花加工机床装有高重复精度的ATC（自动电极交换）装置，可以使复杂的工具电极分解为若干简单电极，在一次安装工件中，通过自动交换电极，加工出复杂的型面。

②高精度电火花加工技术的发展。高精度机床及电源的研制，使得尺寸精度提高到1μm左右，表面粗糙度Ra达0.1。适应性控制和加工过程最优化技术的应用研究，进一步提高了加工精度和生产率。高精度工具电极制造方法的开发和低损耗电火花加工技术的研究，为实现精密加工提供了基本的保证。

③细微电火花加工技术的开发。由于高技术产品趋于微小型化和集成化，微细电火花加工技术的发展受到了更多的关注。目前微细电火花技术已达到较高的水平，例如，用电火花技术可以加工出数10μm的微孔，其深径比可达10∶1；可以用电火花法直接加工出大面积镜面光度（Ra 0.06μm）。有些技术已进入商品化阶段。

④开拓应用范围，开发新的技术。共轭回转式电火花加工是我国自行研制的一整套新技术，能加工圆柱面、圆锥面、旋转曲面，还能加工由渐开线、摆线、螺旋线、二次曲面等组成的复杂型面；特殊材料的电火花加工，如半导体材料、陶瓷材料、聚晶金刚石以及各种非导电材料等的电火花加工技术；多头多电极群孔加工和高速电火花打孔技术发展，在小孔加工方面的应用得到了迅速发展。

（4）典型加工设备

①电火花成形加工机床，如图4.21所示。

②电火花线切割加工机床，如图4.22所示。

图4.21　电火花成形加工机床

图4.22　电火花线切割加工机床