特种加工技术发展现状与展望

1、特种加工技术发展现状与展望文章来源：发布时间：2010-07-31特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法“，泛指用电能、热能、光能、电化学能、 化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。本文所述的特种加工技 术主要是指激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术和电加工技术等。随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹, 还是英它作战平台都要求降低结构重量，提高飞行速度，增大航程，降低燃汕消耗，达到战 技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体 结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合

2、金、复合材料、粉末材料、金属间 化合物等新材料。为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的 加工难题，所以特种加工技术的主要应用领域是：难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、髙强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红 宝石、硬化玻璃等髙硬度、髙韧性、髙强度、髙熔点材料。难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表而改性、刻蚀和精细加工。1. 激光加工技术国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO 2激光器、kW 级高光束质量的Nd:YAG固体激光器

3、，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0.11mm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

4、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、表而重熔、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、医疗工程方而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、焊接等方而虽有一泄的应用，但质量不稳泄。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

5、研制，并采用环氧聚脂和树脂砂饶结粉末材料，快速成型出典型零件，如 叶轮、齿轮。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、髙强铝（含铝锂、铝镁）合金的激光焊接技术、金属零件的激 光粉末饶结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。实现髙 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钏：实现重要零部件的表面强化，提髙安全性、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。2. 电子束加工技术电子束加工技术在国际上日趋成熟，应

6、用范围广。国外定型生产的40kV300kV的 电子枪（以60kV. 150kV为主），已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度髙。电子 朿焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截而焊接等方而。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。电子朿焊已用于运载火箭、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朿焊接，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

7、起落架、承力隔框等，均采用了髙压电子束焊接技术。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，电子朿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，以徳国、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、高压性能等方而都有很大提髙：在控制系统方 而，运用了先进的il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，提髙了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、

8、电子束辐照固化树脂基复合材料技 术正处于研究阶段。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、主承力结构件电子朿焊接研究、电子束辐 照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。3. 离子束及等离子体加工技术表而功能涂层具有髙硬度、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而。等离子焊接已成功应用于18mm铝

9、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。藹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 层及离子注入表而改性的新技术研究，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。4. 电加工技术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

10、件和深小孔加 工，用电解加工可加工出高精度金属反射镜而。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23秒/孔，表而粗糙度Ra0.4|.im,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3pm的微细轴和5pm的孔。精密 脉冲电解技术已达10pm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。根据上述现状，今后特种加工技术的发展方向应是：(1) 不断改进、提高高能束源品质，并向大功率、高可靠性方向发展。(2) 髙能朿流加工设备向多功能、精密化和智能化

11、方向发展，力求达到标准化、系列 化和模块化的目的。扩大应用范围，向复合加工方向发展。(3) 不断推进高能朿流加工新技术、新工艺、新设备的工程化和产业化工作。为实现以上发展目标，必须开展下列加工工艺的技术研究：(1) 激光加工技术无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究：铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲而零件的激光焊接工艺研究，三 维激光切割工艺规范及表而质量控制技术和在线测量控制技术研究提髙高温合金、铝合金等 重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究：激光快速成型技术研究，大功率激光熔覆陶瓷涂 层的工艺以及涂层组织结构和性能的研究。(2) 电子朿加工技术150kV、15kW高压电子枪及高压电源的技术研究：电子束物理气相沉积技术的研究：大厚度变截而钛合金的电子朿焊接技术研究及质量评圮；典型复合材料飞机构件的电子朿固化工艺研究及其工程化研究：多功能电子束加工技术研究。(3) 离子朿和等离子体加工技术复杂零件“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：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：等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究：层流湍流自动转换技术及轴 向送粉、三维喷涂技术研究；层流等离子体喷涂系统的