面向金屬材料快速制造的特種加工技術(shù)

陳志堅

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410013）

一直以來，特種加工需要借助物理、化學(xué)能量去除或者添加某種材料，實現(xiàn)加工目標。但隨著各領(lǐng)域?qū)α慵|(zhì)量、生產(chǎn)效率要求更高，以往特種加工技術(shù)已經(jīng)無法滿足實踐生產(chǎn)需求。而以快速成型技術(shù)等為基礎(chǔ)的全新特種加工技術(shù)，能夠突破傳統(tǒng)加工存在的不足，且能夠推動加工企業(yè)戰(zhàn)略重點由質(zhì)量轉(zhuǎn)向速度，能夠快速響應(yīng)市場需求，以此來提高企業(yè)經(jīng)營效益。特種加工是20世紀開始迅速發(fā)展起來的新加工方式，被稱為非傳統(tǒng)加工或者現(xiàn)代加工方法。特種加工一般指通過電、熱、光、電化學(xué)、化學(xué)、聲等能量或者是特殊機械能等，達到形成任意目的形態(tài)的加工。它有時也結(jié)合機械能加工金屬零件，將金屬材料加工成任意需要的形狀。特種加工方式與傳統(tǒng)的成型加工方式不同，不直接使用傳統(tǒng)器械刀具、磨頭等直接利用機械能加工材料的方法。

1 不同類型的特種加工方法概述

特種加工工藝的微觀物理過程是十分復(fù)雜的，往往是涉及到電磁學(xué)、力學(xué)、電化學(xué)等諸多領(lǐng)域，由于這些加工方法的加工機理以溶解、熔 化、氣化、剝離為主， 且多數(shù)為非接觸加工， 因此，對于高硬度、高韌性的金屬材料，和復(fù)雜形面、低剛度金屬零件是傳統(tǒng)方法無法替代的加工技術(shù)， 也是對傳統(tǒng)機械加工方法的有力延伸， 從而成為機械制造領(lǐng)域中不可缺少的技術(shù)內(nèi)容。目前， 這一技術(shù)正向著自動化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最優(yōu)化方向發(fā)展， 在已有的工藝不斷完善和定型的同時，新的特種加工技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。

目前，特種加工普遍運用以柔克剛非接觸式加工機制，伴隨著化學(xué)過程，運用確定的數(shù)學(xué)模型描述，而隨著加工過程開展，加工條件會隨之發(fā)生變化。因此從控制理論來看，無法運用經(jīng)典控制方法，取得理想結(jié)果。長久以來，人們通過自適應(yīng)控制策略控制加工條件，在很大程度上提高了產(chǎn)品性能，且能夠延長產(chǎn)品使用壽命。最近幾年，學(xué)者將注意力投入到模糊控制等方面，在高檔機床上應(yīng)用范圍較廣。在具體生產(chǎn)中，該項技術(shù)能夠自動選擇最優(yōu)參數(shù)，實現(xiàn)對加工全過程的監(jiān)督和控制，技術(shù)發(fā)現(xiàn)不合理之處，并予以調(diào)整，確保生產(chǎn)實現(xiàn)自動化、最優(yōu)化目標。此外，由于采用的控制策略是對人類活動的智能模仿，能夠在一定程度上允許不確定性等情況的存在，預(yù)測可能出現(xiàn)的結(jié)果，做到防患于未然，最大限度上提高生產(chǎn)質(zhì)量。

表1 幾種不同類型的特種加工技術(shù)

1.1 特種加工工藝建模

特種加工的過程是非常復(fù)雜的，不同背景下的金屬材料加工方式涉及到例如電學(xué)、熱學(xué)或者化學(xué)等多個領(lǐng)域，其加工原理相對于傳統(tǒng)加工方式難度很大，無法通過單一的原理或者公式解釋或?qū)崿F(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，技術(shù)研究者們結(jié)合不同應(yīng)用場景、不同材料深入研究特種加工技術(shù)的建模概念，在不同類型的人工智能技術(shù)的支持下，通過建模的方式詳細清晰的描述特種加工的整個過程。通過建立的模型[1]，技術(shù)人員可以實現(xiàn)對加工條件的精度、效率等進行模擬實驗驗證，從而判斷實際生產(chǎn)成果來指導(dǎo)實際生產(chǎn)加工過程中可能會出現(xiàn)的問題。

1.2 智能控制特種加工

智能控制特種加工。從特種加工的概念及方式方法誕生以來，技術(shù)人員一般運用加工原理，例如利用金屬材料的化學(xué)性質(zhì)，運用詳細的模型、再通過加工開展實現(xiàn)金屬材料的加工。因此從控制理論來看，無法運用經(jīng)典控制方法，取得理想結(jié)果。長久以來，人們通過自適應(yīng)控制策略控制加工條件，在很大程度上提高了產(chǎn)品性能，且能夠延長產(chǎn)品使用壽命。近些年來研究人眼將注意力投入到模糊控制等技術(shù)方面并在精密機械上的應(yīng)用范圍十分廣泛。該項技術(shù)能夠自動捕捉到最佳數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對整個金屬材料加工過程的控制，并對于出現(xiàn)金屬材料加工過程中的不合理、錯誤之處隨時監(jiān)控和掌握；同時結(jié)合人工智能以及大數(shù)據(jù)分析的原理預(yù)判處可能出現(xiàn)的多種結(jié)果，從而為生產(chǎn)設(shè)計提供防思路，最大限度上提高生產(chǎn)質(zhì)量[2]。

圖1 特種加工工藝構(gòu)建

1.3 新型特種加工技術(shù)

新型特種加工技術(shù)。從上個世紀開始，伴隨著機械、工業(yè)、等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高效特種加工技術(shù)呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，對整個金屬材料制造業(yè)實現(xiàn)快速制造的進程產(chǎn)生了重要影響。

磁力研磨技術(shù)——該項技術(shù)能夠運用磁場作用，實現(xiàn)金屬零件表面的復(fù)雜曲面的研磨拋光處理。在加工過程中，它能夠嚴格控制零件與器械之間能夠保持最佳距離，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，如圖2所示。在實踐中能夠?qū)崿F(xiàn)自動拋光，且生產(chǎn)成本較低。當(dāng)前，針對技術(shù)運用機理的研究，技術(shù)人員進行了磁場強度、磨料力度等關(guān)鍵因素之間的作用關(guān)系，以此來尋找生產(chǎn)條件的規(guī)律和影響生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵要素、再通過調(diào)整不同要素的關(guān)鍵參數(shù)，從而提高生產(chǎn)效率。

圖2 特種加工設(shè)備結(jié)構(gòu)

除此之外，還有很多特種加工技術(shù)，如鏡面加工技術(shù)，利用火花工作液，適當(dāng)加入導(dǎo)電粉末后，增強放電間隙，使得放電點能夠分散，完成加工目標。

如美國、日本科技公司開發(fā)成功的超聲波加工技術(shù)等。但由于目前尚且缺乏行業(yè)的統(tǒng)一技術(shù)標準，使得產(chǎn)品加工平整度不高，還要加大整個加工的研究發(fā)深入完善，以此來提高相關(guān)零件加工質(zhì)量的穩(wěn)定性[3]。

2 特種制造技術(shù)在快速制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

隨著目前工業(yè)應(yīng)用場景的復(fù)雜化，多種技術(shù)疊加的多樣化，當(dāng)前特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢在應(yīng)對快速制造時將會呈現(xiàn)多樣的發(fā)展趨勢。

采用自動化技術(shù)。隨著工業(yè)4.0概念的提出，工業(yè)自動化的進程大舉邁進，二特種加工工藝也要結(jié)合自動化技術(shù)的概念，實現(xiàn)零部件高效率的加工和提升，通過對特種加工的基本原理等不同維度的深入研究，建立起能夠適用于快速制造的大批量金屬零件生產(chǎn)，可以實現(xiàn)降低勞動成本、增加經(jīng)濟效益，這是當(dāng)前特種加工技術(shù)的發(fā)展方向之一。

趨向精密化研究?？焖僦圃斓囊蟛粌H僅是要滿足應(yīng)對零件的大批量生產(chǎn)，更要求每件零件生產(chǎn)質(zhì)量的均一性穩(wěn)定。很多高新技術(shù)性企業(yè)的發(fā)展來看，其生產(chǎn)的技術(shù)產(chǎn)品向趨向于超精密化小型化，因此該行業(yè)對于設(shè)備金屬零件的精度等要求十分苛刻。特種加工工藝要適應(yīng)該趨勢的精密化研究[4]已經(jīng)引起了科學(xué)技術(shù)人員的重視。開發(fā)用于超級精密零件的的特種加工技術(shù)已經(jīng)是目前重要的發(fā)展方向之一。

污染問題是目前限制部分特種加工工藝發(fā)展的重要阻礙。例如在快速制造的實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣會產(chǎn)生環(huán)境污染，影響企業(yè)員工的身心健康。發(fā)揮綠色工業(yè)，探究出綠色環(huán)保的特種[5]加工工藝同樣是大勢所趨。

進一步開拓特種加工技術(shù)。利用不同能量場的同時及相互作用，實現(xiàn)材料同時進行復(fù)合加工技術(shù)，如超聲電火花加工工藝等，需要不提升和發(fā)展。隨著目前現(xiàn)代工業(yè)化的提升和進步，特種加工也將會不斷迅速發(fā)展，促進工業(yè)和經(jīng)濟的良性循環(huán)，并發(fā)揮越來越重要的關(guān)鍵作用。

3 結(jié)語

特種加工技術(shù)的地位越來越重要，其發(fā)展和完善對需要利用快速制造實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的不同行業(yè)形成起著非常重要的作用。但是由于面對不斷推陳出新的技術(shù)發(fā)展情況來看，即使是已經(jīng)實現(xiàn)一些精密金屬零件的特種加工方式還無法快速適用于快速制造；因此結(jié)合現(xiàn)在已有的特種加工技術(shù)基礎(chǔ)，繼續(xù)深入研究和挖掘能夠適用于快速制造的新型特種加工技術(shù)，不僅要在研究其工藝特性的同時，通過不斷研究和挖掘?qū)崿F(xiàn)面向快速制造的特種加工工藝技術(shù)體系，這對于提高我國整體金屬材料制造技術(shù)水平，持續(xù)發(fā)揮經(jīng)濟效益和提升科技實力具有重要意義。