特种材料加工工艺

与切削加工原理完全不同的加工方法，如电火花加工、电解加工、超声加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等被称为特种加工方法。

在特种加工方法中，工具与工件基本上不接触，加工时无明显的机械作用力，可加工脆性材料、精密细微零件、薄壁和弱刚性零件等。该方法利用电能、化学能、声能、热能去除被加工材料，瞬时能量密度很高，可加工任何高硬度材料。

目前，电火花加工多用于加工模具和异形孔等；电解加工多用于加工特形表面和异形孔，可获得更高的表面质量；超声加工可加工许多非金属硬脆材料，尤其是加工异孔、切割等；激光加工主要用于各种金属、非金属材料的打孔与切割；电子束加工主要用于打微孔和切缝；离子束加工可对零件表面进行超精密、超微量加工。

电火花加工

1）基本原理

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文为Electrical Discharge Machining，简称EDM。

电火花加工适用于精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角等复杂部件的加工。当刀具难于够到复杂表面时，在需要深度切削的地方，在长径比特别高的地方，电火花加工工艺优于铣削加工。对于高技术零件的加工，铣削电极再放电可提高成功率，相比高昂贵的刀具费用相比，放电加工更合适。

另外，在规定了要作电火花精加工的地方，用电火花加工来提供火花纹表面。在高速铣加工迅速发展的今天，电火花加工发展空间受到了一定的挤压。在此同时，高速铣也给电火花加工带来了更大的技术进步。如：采用高速铣来制造电极，由于狭小区域加工的实现和高质量的表面结果，让电极的设计数量大大降低。另外用高速铣来制造电极也可以使生产效率提高到一个新的层次，并能保证电极的高精度，这样使电火花加工的精度也提高了。

如果型腔的大部分加工由高速铣来完成，则电火花加工只作为辅助手段去清角修边，这样留量更均匀、更少

2）基本设备：电火花加工机床。

3）主要特点

能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；加工时无切削力；不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；工具电极材料无须比工件材料硬；直接使用电能加工，便于实现自动化；加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。

电火花加工具有如下特点

可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的导电材料；加工时无明显机械力，适用于低刚度工件和微细结构的加工：脉冲参数可依据需要调节，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工；电火花加工后的表面呈现的凹坑，有利于贮油和降低噪声；生产效率低于切削加工；放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度。

（4）使用范围

加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。

电火花加工必须具备三个条件

1. 必须采用脉冲电源

2. 必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙

3. 火花放电必须在具有一定绝缘强度（10～107Ω ·m）的液体介质中进行。

不是所有的模具钢材都可以进行镜面电火花加工

有些模具钢材的电火花加工能容易达到镜面效果，而有些模具钢材无论如何也达不到镜面效果。同时，模具钢材的硬度高些，电火花加工镜面的效果更好。请参考下表各种材料与镜面加工性能。

2.电火花线切割加工

（1）基本原理

利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。英文为Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM，又称线切割。

（2）基本设备：电火花线切割加工机床。

（3）主要特点

电火花线切割加工，除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点：

不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面；

能切割0.05毫米左右的窄缝；

加工中并不把全部多余材料加工成为废屑，提高了能量和材料的利用率；

在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和减少表面粗糙度；

电火花线切割能达到的切割效率一般为20-60毫米2/分，最高可达300毫米2/分；加工精度一般为±0.01至±0.02毫米，最高可达±0.004毫米；表面粗糙度一般为Ra2.5至1.25微米，最高可达Ra0.63微米；切割厚度一般为40-60毫米，最厚可达600毫米。

（4）使用范围

主要用于加工：各种形状复杂和精密细小的工件，例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等；成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极；各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等。具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60％以上。

电火花线切割加工是实现工件尺寸加工的一种技术。在一定设备条件下，合理的制定加工工艺路线是保证工件加工质量的重要环节。

电火花线切割加工模具或零件的过程，一般可分以下几个步骤。

对图样进行分析和审核

分析图样对保证工件加工质量和工件的综合技术指标是有决定意义的第一步。以冲裁模为例，在消化图样时首先要挑出不能或不易用电火花线切割加工的工件图样，大致有如下几种：

1.表面粗糙度和尺寸精度要求很高，切割后无法进行手工研磨的工件；

2.窄缝小于电极丝直径加放电间隙的工件，或图形内拐角处不允许带有电极死板井架放电间隙所形成的圆角的工件；

3.非导电材料；

4.厚度超过丝架跨距的零件；

5.加工长度超过x,y拖板的有效行程长度，且精度要求较高的工件。

在符合线切割加工工艺的条件下，应着重在表面粗糙度、尺寸精度、工件厚度、工件材料、尺寸大小、配合间隙和冲制件厚度等方面仔细考虑。

编程注意事项

1.冲模间隙和过渡圆半径的确定

合理确定冲模间隙。冲模间隙的合理选用，是关系到模具的寿命及冲制件毛刺大小的关键因素之一。不同材料的冲模间隙一般选择在如下范围：

软的冲裁材料，如紫铜、软铝、半硬铝、胶木板、红纸板、云母片等，凸凹模间隙可选为冲材厚度的10%—15%。

硬质冲裁材料，如铁皮、钢片、硅钢片等，凸凹模间隙可选为冲裁厚度的15%—20%。

这是一些线切割加工冲裁模的实际经验数据，比国际上流行的大间隙冲模要小一些。因为线切割加工的工件表面有一层组织脆松的熔化层，加 工电参数越大，工件表面粗糙度越差，熔化层越厚。随着模具冲次的增加，这层脆松的表面会渐渐磨去，是模具间隙逐渐增大。

合理确定过渡圆半径。为了提高一般冷冲模具的使用寿命，在线线、线圆、远远相交处，特别是小角度的拐角上都应加过渡圆。过渡圆的大小 可根据冲裁材料厚度、模具形状和要求寿命及冲制件的技术条件考虑，随着冲制件的曾厚，过渡圆亦可相应增大。一般可在0.1—0.5㎜范围内选用。

对于冲件材料较薄、模具配合间隙较小、冲件又不允许加大的过渡圆，为了得到良好的凸凹模配合间隙，一般在图形拐角处也要加一个过渡圆。因为电极丝加工轨迹会在内拐角处自然加工出半径等于电极丝半径加单面放电间隙的过渡圆。

2.计算和编写加工程序

编程时，要根据配料的情况，选择一个合理的装夹位置，同时确定一个合理的起割点和切割路线。

起割点应取在图形的拐角处，或在容易将凸尖修去的部位。

切割路线主要以防止或减少模具变形为原则，一般应考虑使靠近装夹着一边的图形最后切割为易。

3.穿制加工用的程序纸带和校对纸带

根据程序单把纸带制作完毕后，一定把程序单与制作好的纸带逐条进行校对，用校对好的纸带把程序输入控制器后才能试切样板，对简单有把握的工件可以直接加工。对尺寸精度要求高、凸凹模配合间隙小的模具，必须要用薄料试切，从事切件上可检查其精度和配合间隙。如发现不符合要求，应及时分析，找出问题，修改程序直至合格后才能正式加工模具。这一步骤是避免工件报废的一个重要环节。

根据实际情况，也可以直接由键盘输入，或从编程机直接把程序传输到控制器中。

3.电解加工（Electro Chemical Machining）

（1）基本原理

基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法，称为电解加工。

（2）使用范围

电解加工对于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工具有显著优势。电解加工已获得广泛应用，如炮管膛线、叶片、整体叶轮、模具、异型孔及异型零件、倒角和去毛刺等加工。并且在许多零件的加工中，电解加工工艺已占有重要甚至不可替代的地位。

（3）优点

加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料，并且不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制，加工后材料的金相组织基本上不发生变化。它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。

（4）局限性

加工精度和加工稳定性不高；加工成本较高，且批量越小，单件附加成本越高。

4.激光加工

（1）基本原理

激光加工，是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，在极小时间内使材料熔化或气化而被蚀除下来，实现加工。

（2）主要特点

激光加工技术具有材料浪费少、在规模化生产中成本效应明显、对加工对象具有很强的适应性等优势特点。在欧洲，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼以及航天器机身等特种材料的焊接，基本采用的是激光技术。

（3）使用范围

激光加工作为激光系统最常用的应用，主要技术包括：激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工及光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。

5.电子束加工

（1）基本原理

电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。

（2）主要特点

能量密度高，穿透能力强，一次熔深范围广，焊缝宽比大，焊接速度快，热影响区小，工作变形小。

（3）使用范围

电子束加工的材料范围广，加工面积可以极小；加工精度可以达到纳米级，实现分子或原子加工；生产率高；加工所产生的污染小，但加工设备成本高；可以加工微孔、窄缝等，还可用来进行焊接和细微的光刻。真空电子束焊接桥壳技术是电子束加工在汽车制造业中的主要应用。

6.离子束加工（Ion Beam Machining）

（1）基本原理

离子束加工是在真空状态下，将离子源产生的离子流，经加速、聚焦达到工件表面上而实现加工。

（2）主要特点

由于离子流密度及离子能量可以精确控制，因而能精确控制加工效果，实现纳米级乃至分子、原子级的超精密加工。离子束加工时，所产生的污染小，加工应力变形极小，对被加工材料的适应性强，但加工成本高。

（3）使用范围

离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。

1）蚀刻加工

离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等电子学构件。离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。

2）离子束镀膜加工

离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。

离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。

7.等离子弧加工

（1）基本原理

等离子弧加工，是利用等离子弧的热能对金属或非金属进行切割、焊接和喷涂等的特种加工方法。

（2）主要特点

1）微束等离子弧焊可以焊接箔材和薄板；

2）具有小孔效应，能较好实现单面焊双面自由成形；

3）等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，10-12mm厚度钢材可不开坡口，能一次焊透双面成形，焊接速度快，生产率高，应力变形小；

4）设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。

（3）使用范围

广泛用于工业生产，特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接，如钛合金的导弹壳体、飞机上的一些薄壁容器等。

8.超声加工

（1）基本原理

超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，英文简称为USM。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光等。

（2）主要特点

可以加工任何材料，特别适用于各种硬、脆的非导电材料的加工，对工件的加工精度高，表面质量好，但生产率低。

（3）使用范围

超声加工主要用于各种硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔（包括圆孔、异形孔和弯曲孔等）、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

9.化学加工

（1）基本原理

化学加工（Chemical Etching），是利用酸、碱或盐溶液对工件材料的腐蚀溶解作用，以获得所需形状、尺寸或表面状态的工件的特种加工。

（2）主要特点

1）能加工任意能切削金属材料，不受硬度、强度等性能的限制；

2）适合大面积加工，并可同时加工多件；

3）不产生应力、裂纹、毛刺，表面粗糙度达Ra1.25-2.5μm；

4）操作简便；

5）不适宜加工对窄狭槽、孔；

6）不宜消除表面不平、划痕等缺陷。

（3）使用范围

适于大面积厚度减薄加工；适于在薄壁件上加工复杂型孔。

审核编辑 ：李倩