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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,还是其它作战平台都要求降低结构重量,提高飞行速度,增大航程,降低燃油消耗,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、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。
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、表面改性、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,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0.1~1mm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、表面重熔、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、医疗工程方面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、焊接等方面虽有一定的应用,但质量不稳定。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研制,并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料,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、高强铝(含铝锂、铝镁)合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。实现高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铆;实现重要零部件的表面强化,提高安全性、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,应用范围广。国外定型生产的40kV~300kV的电子枪(以60kV、150kV为主),已普遍采用CNC控制,多坐标联动,自动化程度高。电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。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。电子束焊已用于运载火箭、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束焊接,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,如起落架、承力隔框等,均采用了高压电子束焊接技术。
      
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,电子束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,以德国、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、高压性能等方面都有很大提高;在控制系统方面,运用了先进的计算机技术,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,提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、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、主承力结构件电子束焊接研究、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
      
表面功能涂层具有高硬度、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面。
      
等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。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。
      
离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面改性的新技术研究,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、盘环零件和深小孔加工,用电解加工可加工出高精度金属反射镜面。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2~3秒/孔,表面粗糙度Ra0.4μm,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3μm的微细轴和5μm的孔。精密脉冲电解技术已达10μm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)高能束流加工设备向多功能、精密化和智能化方向发展,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)不断推进高能束流加工新技术、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面零件的激光焊接工艺研究,三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究提高高温合金、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)电子束加工技术 
       
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;
      大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定;
     典型复合材料飞机构件的电子束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)离子束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研制及其喷涂技术的研究。
      
(4)电加工技术
      
高品质深小孔电液束加工技术研究;
      高效、优质照相电解加工群孔技术研究;
      多轴、多通道电火花加工群孔、异形孔技术研究;
      大容量(5000A及以上)精密电解加工技术研究;
      电解—电火花复合加工技术研究。
      
研究上述技术的关键在于:提高高能束流的品质;开展特种加工过程的自动控制及计算机建模、仿真技术的研究;新材料加工特性研究;特种加工设备的研究等。