摘要：特種加工技術(shù)在國際上被稱為21世紀(jì)的技術(shù)，對(duì)新型武器裝備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用。本文分別從激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束及等離子加工技術(shù)、電加工技術(shù)幾方面介紹了國外的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)提出了國內(nèi)相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：特種加工；高能束流；激光技術(shù)；發(fā)展趨勢
特種加工亦稱“非傳統(tǒng)加工”或“現(xiàn)代加工方法”，泛指用電能、熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除或增加材料的加工方法。本文所述的特種加工技術(shù)主要是指激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束及等離子加工技術(shù)和電加工技術(shù)等。
隨著新型武器裝備的發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)特種加工技術(shù)的需求日益迫切。不論飛機(jī)、導(dǎo)彈，還是其它作戰(zhàn)平臺(tái)都要求降低結(jié)構(gòu)重量，提高飛行速度，增大航程，降低燃油消耗，達(dá)到戰(zhàn)技性能高、結(jié)構(gòu)壽命長、經(jīng)濟(jì)可承受性好。為此，上述武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)都要求采用整體結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)，以及鈦合金、復(fù)合材料、粉末材料、金屬間化合物等新材料。
為此，需要采用特種加工技術(shù)，以解決武器裝備制造中用常規(guī)加工方法無法實(shí)現(xiàn)的加工難題，所以特種加工技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：
難加工材料，如鈦合金、耐熱不銹鋼、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷、金剛石、紅寶石、硬化玻璃等高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)材料。
難加工零件，如復(fù)雜零件三維型腔、型孔、群孔和窄縫等的加工。
低剛度零件，如薄壁零件、彈性元件等零件的加工。
以高能量密度束流實(shí)現(xiàn)焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細(xì)加工。
1 激光加工技術(shù)
國外激光加工設(shè)備和工藝發(fā)展迅速，現(xiàn)已擁有100kW的大功率CO2激光器、kW級(jí)高光束質(zhì)量的Nd:YAG固體激光器，有的可配上光導(dǎo)纖維進(jìn)行多工位、遠(yuǎn)距離工作。激光加工設(shè)備功率大、自動(dòng)化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，并裝有激光功率監(jiān)控、自動(dòng)聚焦、工業(yè)電視顯示等輔助系統(tǒng)。
激光制孔的最小孔徑已達(dá)0.002mm，已成功地應(yīng)用自動(dòng)化六坐標(biāo)激光制孔專用設(shè)備加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃燒室氣膜孔，達(dá)到無再鑄層、無微裂紋的效果。
激光切割適用于由耐熱合金、鈦合金、復(fù)合材料制成的零件。目前薄材切割速度可達(dá)15m/min，切縫窄，一般在0.1～1mm之間，熱影響區(qū)只有切縫寬的10%～20%，最大切割厚度可達(dá)45mm，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)三維蒙皮、框架、艦船船身板架、直升機(jī)旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等。
激光焊接薄板已相當(dāng)普遍，大部分用于汽車工業(yè)、宇航和儀表工業(yè)。激光精微焊接技術(shù)已成為航空電子設(shè)備、高精密機(jī)械設(shè)備中微型件封裝結(jié)點(diǎn)的微型連接的重要手段。
激光表面強(qiáng)化、表面重熔、合金化、非晶化處理技術(shù)應(yīng)用越來越廣，激光微細(xì)加工在電子、生物、醫(yī)療工程方面的應(yīng)用已成為無可替代的特種加工技術(shù)。
激光快速成型技術(shù)已從研究開發(fā)階段發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
國內(nèi)70年代初已開始進(jìn)行激光加工的應(yīng)用研究，但發(fā)展速度緩慢。在激光制孔、激光熱處理、焊接等方面雖有一定的應(yīng)用，但質(zhì)量不穩(wěn)定。目前已研制出具有光纖傳輸?shù)墓腆w激光加工系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)光纖耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。完成了激光燒結(jié)快速成型原理樣機(jī)研制，并采用環(huán)氧聚脂和樹脂砂燒結(jié)粉末材料，快速成型出典型零件，如葉輪、齒輪。
激光加工技術(shù)今后幾年應(yīng)結(jié)合已取得的預(yù)研成果，針對(duì)需求，重點(diǎn)開展無缺陷氣膜小孔的激光加工及實(shí)時(shí)檢控技術(shù)、高強(qiáng)鋁(含鋁鋰、鋁鎂)合金的激光焊接技術(shù)、金屬零件的激光粉末燒結(jié)快速成型技術(shù)、激光精密加工及重要構(gòu)件的激光沖擊強(qiáng)化等項(xiàng)目的研究。實(shí)現(xiàn)高溫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜孔無缺陷加工，可使葉片使用壽命達(dá)2000小時(shí)以上；以焊代替數(shù)控加工飛機(jī)次承力構(gòu)件，以及帶筋壁板的以焊代鉚；實(shí)現(xiàn)重要零部件的表面強(qiáng)化，提高安全性、可靠性等，從而使先進(jìn)的激光制造技術(shù)在軍事工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。
2 電子束加工技術(shù)
電子束加工技術(shù)在國際上日趨成熟，應(yīng)用范圍廣。國外定型生產(chǎn)的40kV～300kV的電子槍(以60kV、150kV為主)，已普遍采用CNC控制，多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)化程度高。電子束焊接已成功地應(yīng)用在特種材料、異種材料、空間復(fù)雜曲線、變截面焊接等方面。目前正在研究焊縫自動(dòng)跟蹤、填絲焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可達(dá)300mm，焊縫深寬比20：1。電子束焊已用于運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)等主承力構(gòu)件大型結(jié)構(gòu)的組合焊接，以及飛機(jī)梁、框、起落架部件、發(fā)動(dòng)機(jī)整體轉(zhuǎn)子、機(jī)匣、功率軸等重要結(jié)構(gòu)件和核動(dòng)力裝置壓力容器的制造。如：F-22戰(zhàn)斗機(jī)采用先進(jìn)的電子束焊接，減輕了飛機(jī)重量，提高了整機(jī)的性能；“蘇-27”及其它系列飛機(jī)中的大量承力構(gòu)件，如起落架、承力隔框等，均采用了高壓電子束焊接技術(shù)。
國內(nèi)多種型號(hào)的飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)和多種型號(hào)的導(dǎo)彈殼體、油箱、尾噴管等結(jié)構(gòu)件均已采用了電子束焊接。因此，電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)電子束焊接設(shè)備的需求量也越來越大。
國外的電子束焊機(jī)，以德國、美國、法國、烏克蘭等為代表，已達(dá)到了工程化生產(chǎn)。其特點(diǎn)是采用變頻電源，設(shè)備的體積、噪聲、高壓性能等方面都有很大提高；在控制系統(tǒng)方面，運(yùn)用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用了先進(jìn)的CNC及PLC技術(shù)，使設(shè)備的控制更可靠，操作更簡便、直觀。
國外真空電子束物理氣相沉積技術(shù)，已用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫防腐隔熱陶瓷涂層，提高了涂層的抗熱沖擊性能及壽命。電子束刻蝕、電子束輻照固化樹脂基復(fù)合材料技術(shù)正處于研究階段。
電子束加工技術(shù)今后應(yīng)積極拓展專業(yè)領(lǐng)域，緊密跟蹤國際先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)需求，重點(diǎn)開展電子束物理氣相沉積關(guān)鍵技術(shù)研究、主承力結(jié)構(gòu)件電子束焊接研究、電子束輻照固化技術(shù)研究、電子束焊機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究等。
3 離子束及等離子體加工技術(shù)
表面功能涂層具有高硬度、耐磨、抗蝕功能，可顯著提高零件的壽命，在工業(yè)上具有廣泛用途。
美國及歐洲國家目前多數(shù)用微波ECR等離子體源來制備各種功能涂層。等離子體熱噴涂技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工程化應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用在航空、航天、船舶等領(lǐng)域的產(chǎn)品關(guān)鍵零部件耐磨涂層、封嚴(yán)涂層、熱障涂層和高溫防護(hù)層等方面。
等離子焊接已成功應(yīng)用于18mm鋁合金的儲(chǔ)箱焊接。配有機(jī)器人和焊縫跟蹤系統(tǒng)的等離子體焊在空間復(fù)雜焊縫的焊接也已實(shí)用化。微束等離子體焊在精密零部件的焊接中應(yīng)用廣泛。我國等離子體噴涂已應(yīng)用于武器裝備的研制，主要用于耐磨涂層、封嚴(yán)涂層、熱障涂層和高溫防護(hù)涂層等。
真空等離子體噴涂技術(shù)和全方位離子注入技術(shù)已開始研究，與國外尚有較大差距。等離子體焊接在生產(chǎn)中雖有應(yīng)用，但焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。
離子束及等離子體加工技術(shù)今后應(yīng)結(jié)合已取得的成果，針對(duì)需求，重點(diǎn)開展熱障涂層及離子注入表面改性的新技術(shù)研究，同時(shí)，在已取得初步成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展等離子體焊接技術(shù)研究。
4 電加工技術(shù)
國外電解加工應(yīng)用較廣，除葉片和整體葉輪外已擴(kuò)大到機(jī)匣、盤環(huán)零件和深小孔加工，用電解加工可加工出高精度金屬反射鏡面。目前電解加工機(jī)床最大容量已達(dá)到5萬安培，并已實(shí)現(xiàn)CNC控制和多參數(shù)自適應(yīng)控制。電火花加工氣膜孔采用多通道、納秒級(jí)超高頻脈沖電源和多電極同時(shí)加工的專用設(shè)備，加工效率2～3秒/孔，表面粗糙度Ra0.4μm，通用高檔電火花成型及線切割已能提供微米級(jí)加工精度，可加工3μm的微細(xì)軸和5μm的孔。精密脈沖電解技術(shù)已達(dá)10μm左右。電解與電火花復(fù)合加工，電解磨削、電火花磨削已用于生產(chǎn)。
根據(jù)上述現(xiàn)狀，今后特種加工技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)是：
(1)不斷改進(jìn)、提高高能束源品質(zhì)，并向大功率、高可靠性方向發(fā)展。
(2)高能束流加工設(shè)備向多功能、精密化和智能化方向發(fā)展，力求達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化的目的。擴(kuò)大應(yīng)用范圍，向復(fù)合加工方向發(fā)展。
(3)不斷推進(jìn)高能束流加工新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的工程化和產(chǎn)業(yè)化工作。
為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)展目標(biāo)，必須開展下列加工工藝的技術(shù)研究：
(1)激光加工技術(shù)
無再鑄層、無微裂紋渦輪葉片氣膜孔激光高效加工技術(shù)研究；
鋁合金、超強(qiáng)鋼、鈦合金、異種材料構(gòu)件以及大型空間曲面零件的激光焊接工藝研究；
三維激光切割工藝規(guī)范及表面質(zhì)量控制技術(shù)和在線測量控制技術(shù)研究；
提高高溫合金、鋁合金等重要部件抗疲勞性能的激光沖擊技術(shù)研究；
激光快速成型技術(shù)研究；
大功率激光熔覆陶瓷涂層的工藝以及涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的研究。
(2)電子束加工技術(shù)
150kV、15kW高壓電子槍及高壓電源的技術(shù)研究；
電子束物理氣相沉積技術(shù)的研究；
大厚度變截面鈦合金的電子束焊接技術(shù)研究及質(zhì)量評(píng)定；
典型復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件的電子束固化工藝研究及其工程化研究；
多功能電子束加工技術(shù)研究。
(3)離子束和等離子體加工技術(shù)
復(fù)雜零件“保形”離子注入與混合沉積技術(shù)研究，獲得高密度等離子體方法研究；
空間結(jié)構(gòu)焊接工藝參數(shù)自適應(yīng)控制及焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究，以及等離子弧焊過程中變形控制技術(shù)研究；
等離子噴涂陶瓷熱障涂層結(jié)構(gòu)、工藝及工程化研究；
層流湍流自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)及軸向送粉、三維噴涂技術(shù)研究；
層流等離子體噴涂系統(tǒng)的研制及其噴涂技術(shù)的研究。
(4)電加工技術(shù)
高品質(zhì)深小孔電液束加工技術(shù)研究；
高效、優(yōu)質(zhì)照相電解加工群孔技術(shù)研究；
多軸、多通道電火花加工群孔、異形孔技術(shù)研究；
大容量(5000A及以上)精密電解加工技術(shù)研究；
電解—電火花復(fù)合加工技術(shù)研究。
研究上述技術(shù)的關(guān)鍵在于：提高高能束流的品質(zhì)；開展特種加工過程的自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)建模、仿真技術(shù)的研究；新材料加工特性研究；特種加工設(shè)備的研究等。
