探索非传统加工技术

1）非传统加工技术内涵及范畴

非传统加工技术是指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、“堆积”制造技术和新机构原理加工装备技术。

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，能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，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、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等以及锗和硅等各种高强度、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。

在特种加工范围内还有一些属于降低表面粗糙度值和改善表面性能的工艺，前者有电解热抛光、化学抛光、离子束抛光等；后者有电火花表面强化、镀覆、电子束曝光、离子束注入掺杂等。

特种加工发展至今已有50多年的历史，但在分类方法上并无确定规定，一般按能量形式和作用原理进行划分。

（1）电能和热能作用方式有：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（ECH）。

（3）电化学能与机械能作用方式有：电解磨削（ECG）、电解珩磨（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）。(www.xing528.com)

（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）和挤压珩磨（AFH）。

电火花加工原理

电解加工原理

电子束加工和离子束加工原理

激光加工原理

“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，RPM技术的应用领域已遍及机械、电子、汽车、医疗、建筑等多个行业，应用于产品设计开发与集成制造等方面；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±0.01 mm。

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（Vitual Axis Machine Tool）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6个轴的长短来实现刀具相对于工件的加工位置，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。

2）非传统加工技术的发展趋势及其重点发展的关键技术

（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；通过对非传统加工技术机理研究建立各种加工方法的工艺数据库，实现非传统加工的CAD/CAM，发展高精度、高效率和表面质量好的加工技术、加工中心和加工单元。

（3）向新的多能量复合加工和综合加工技术发展。为了提高非传统加工技术的加工精度、加工效率和表面质量，适应新材料新产品和应用领域的需要，各种能量组合的复合加工技术和综合加工技术将得到发展并在21世纪发挥重要作用。

（4）向绿色加工技术方向发展。发展水射流加工技术以水基溶液代替有毒溶液、减少污水排放，发展RPM技术以及硬件结构简单而软件复杂的虚拟轴机床技术，将是非传统加工技术的重要方向。

非传统加工技术具体到其基础研究、电火花加工技术、激光加工技术、复合加工技术及虚拟轴机床技术等方面的发展趋势及其前沿关键技术如下。

（1）非传统加工技术的基础研究。加强特种加工技术的工艺基础研究，建立特种加工工艺数据库；特种加工过程的模糊控制技术的研究；自动化、智能化、开放式体系结构的电加工数控系统研究；精密化的复合加工技术也是特种加工技术的重要基础研究课题。

（2）电火花加工技术。研制可作垂直升降的伸缩式加工液槽、高刚度箱型结构的床身及可防止热变形的精密陶瓷工作台；在提高精度和自动化程度的同时，向结构小型化方向发展，开发精密、微细、多功能电火花加工机床，多轴联动的数控电火花加工机床及电极直接驱动的小型电火花加工装置；大力发展混粉大面积镜面加工、电火花铣削加工和电火花微细加工（如电火花线电极磨削）新工艺；进行智能自选规准脉冲电源及节能式脉冲电源的研究；ATC电极库和非燃性、环保型工作液的研究；电火花加工用专家系统及电火花加工技术安全性的研究。

（3）激光加工技术。其发展趋势，一是中高功率的CO2激光加工机将占主要地位，并向大功率（10～15 kW）、智能化（CAD/CAM）和在线监控等方面发展；二是向加工技术的复合化（一台激光器多用）的方向发展，如日本建成一条激光复合加工柔性生产线，从毛坯进料→激光切割下料→激光热加工成形→去毛刺→焊接→热处理→检测，全部工艺流程均采用激光加工技术；三是向大厚度、高精度、加工零件形状更为复杂的方向发展；四是开辟新的激光加工工艺，在微细加工、光刻、薄膜沉积、大规模集成电路制作、新的物质合成以及光化学分离等方面进行研究。重点进行激光器、高速高精度激光切割、激光焊接、厚板激光切割机理研究；开发激光三维自动聚焦系统和离线自动编程系统；开展激光弯曲成形技术的工艺过程研究和设备的研制。

（4）传统加工和特种加工相结合的复合加工方法，以及精密和超精密特种加工技术的研究与开发。

（5）虚拟轴机床。虚拟轴机床（并联机床）的概念设计；利用CAD、计算机仿真、虚拟现实技术等进行虚拟轴机床的运动计算、动力计算、控制技术、结构设计和优化设计研究；虚拟轴机床的力觉、视觉、故障自诊断、安全运行保障研究及生产线总控技术的研究；虚拟轴机床应用领域的可行性、合理性研究；虚拟轴机床的模块化技术、标准化技术、数字式交流伺服控制系统及驱动技术、精确定位相关的机电技术、精确定位有关的主要零部件开发和制造技术，及虚拟轴机床的联网技术等虚拟轴机床建造技术的研究；跟踪研制通用虚拟轴加工中心，注重开发用于工业实际的专用虚拟轴机床，加强虚拟轴机床技术商品化工作。