現(xiàn)代機械加工新技術(shù)的課程體系研究

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現(xiàn)代機械加工新技術(shù)的課程體系研究摘要：現(xiàn)代機械加工新技術(shù)課程包括四個部分，切削，非切削加工，復合加新技術(shù)，難加工材料的加工新技術(shù)，明確了各加工技術(shù)的核心概念，比如，非常溫度切削與分子運動密切相關(guān)，振動切削和超聲波切削利用了共振現(xiàn)象，超聲波加工的工作原理類似于爆炸沖擊波的作用等關(guān)鍵詞：新技術(shù)，體系，加工0 引言先進的制造技術(shù)是保障綜合國力的決定性因素。發(fā)達國家的制造業(yè)均在國民經(jīng)濟中居于重要地位?，F(xiàn)代機械制造學科已成為集機械、電子、信息、材料為一體的新型交叉學科。我國的制造業(yè)面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)，只有掌握先進制造技術(shù)，才能加快國家經(jīng)濟的持續(xù)增長、促進我國產(chǎn)業(yè)升級和產(chǎn)業(yè)鏈提升、增強產(chǎn)品的競爭能力、增強我國核心競爭力和自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家。因此，在大學里普遍開設(shè)制造先進技術(shù)的課程，課程名稱為《機械加工新發(fā)展》[1]、 《現(xiàn)代加工新技術(shù)》 、 《機械加工新技術(shù)》或《現(xiàn)代加工技術(shù)訓練》[2]、 《現(xiàn)代機械制造工藝及精密加工技術(shù)》等。從目前的研究現(xiàn)狀看，該課程主要有四部分內(nèi)容：切削加工新技術(shù)、非切削加工新技術(shù)、復合加工新技術(shù)、難加工材料的切削加工新技術(shù)。精密加工分散在課程體系當中，應(yīng)將其總結(jié)后作為附錄內(nèi)容。根據(jù)課時不同，該課程應(yīng)有所取舍。1 切削加工新技術(shù)主要包括高速與超高速切削新技術(shù)、硬態(tài)切削新技術(shù)、干式切削新技術(shù)、振動切削新技術(shù)、非常溫切削新技術(shù)、磁化切削新技術(shù)、保護性切削新技術(shù)、射流加工新技術(shù)、磨削加工新技術(shù)等。①高速超高速切削新技術(shù)。根據(jù) 1931 年 4 月德國物理學家薩洛蒙（Carl.J.Salomon）提出的“Salomon 曲線” ，采用高轉(zhuǎn)速、快進給、小背吃刀量和小進給量來去除余量，完成零件加工。要求機床的主軸轉(zhuǎn)速高、功率和扭矩大，以及進給系統(tǒng)加速度高?？捎糜诩庸び猩饘佟㈣T鐵、鋼、纖維強化復合材料、鑄鐵和鋁合金等。②硬態(tài)切削新技術(shù)。采用立方氮化硼 CBN（Cubic Boron Nitride） 、陶瓷和新型硬質(zhì)合金及涂層硬質(zhì)合金作為刀具材料，將淬硬鋼的車削作為最終加工工序。③干式切削新技術(shù)。不用切削液或用少量綠色環(huán)保的潤滑劑。要求刀具材料具有良好的耐熱性和耐磨性，要求切屑與刀具之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小，要求刀具的槽型應(yīng)保證排屑流暢、易于散熱，要求刀具應(yīng)具有較高的強度和較強的抗沖擊韌性?？刹捎玫蜏乩滹L、高速、靜電冷卻和準干切削工藝等。已用于鑄鐵、鋁合金、鎂等的切削。④振動切削新技術(shù)。與超聲波切削一樣利用共振現(xiàn)象，給刀具或工件施以某種參數(shù)（頻率、幅值）的可控制量，使刀具與工件周期性地接觸與離開。⑤非常溫切削新技術(shù)。溫度反映了分子運動的劇烈程度。加熱高強度、高硬度和耐高溫的新材料可使其可以加工。冷卻鈦合金、低合金鋼、低碳鋼和一些塑性與韌性特別強的難加工材料，可獲得較好的加工質(zhì)量。⑥磁化切削新技術(shù)。刀具或工件磁化后，強度和硬度會提高，從而保證加工質(zhì)量。⑦保護性切削新技術(shù)。在真空當中切削可避免生成硬脆層，但是刀-屑界面處也不能生成減摩的氧化膜。在惰性氣體保護下切削，不適用于有色金屬，如鋁及其合金。絕緣切削將工件與機床絕緣，可避免因熱電流而產(chǎn)生熱電磨損。⑧射流加工新技術(shù)。水射流主要用來切割軟質(zhì)有機材料；混合磨料射流幾乎可切割一切硬質(zhì)材料。⑨磨削加工新技術(shù)。主要有重負荷荒磨、用于溝槽、成形和外圓的緩進給大切深磨削、硬脆材料延性域磨削的高速與超高速磨削、砂帶磨削、振動研磨等。2 非切削加工新技術(shù)主要包括超聲波加工、電化學加工、電火花加工、電火花線切割加工、激光加工、高能粒子束加工、化學加工、快速成型加工等。①超聲波加工。利用電氣諧振獲得超聲振動，再利用機械共振通過變幅桿獲得足夠振幅的振動，對工件施加類似于爆炸沖擊波的作用，并通過磨料懸浮液強化該作用，從而使工件成型。主要應(yīng)用于型孔、型腔、切割、清洗、焊接、超聲波處理等。②電化學加工。利用金屬在電解液中陽極溶解的原理對工件進行成形加工，陽極溶解方式有電解加工和電化學拋光，陰極沉積方式有電鍍和電鑄。主要用于批量生產(chǎn)條件下難切削材料、復雜型面、型腔、異型孔、薄壁零件的加工，還可以用于去毛刺、刻印、磨削、表面光整加工等方面。③電火花加工。使工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，瞬時局部高溫把金屬蝕除下來，以達到對工件尺寸、形狀以及表面質(zhì)量的要求。不受工件材料的物理、力學性能限制。主要用于穿孔成形加工，如沖模、型腔模、小孔、異形小孔等。④電火花線切割加工。采用線狀電極（鉬絲、銅絲或鍍鋅銅絲）靠火花放電對工件進行切割，切割路線須充分考慮變形與受力的關(guān)系。⑤激光加工。把具有足夠能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的適當部位，使其迅速升溫、氣化、熔化、金相組織變化，以及產(chǎn)生相當大的內(nèi)應(yīng)力，從而實現(xiàn)工件材料的去除、連接、改性或分離等。主要用于打孔、切割、焊接、金屬表面處理、信息存儲等。⑥高能粒子束加工。電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后形成大能量密度的電子束，射向材料進行工藝處理，稱為電子束加工。離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)加速聚焦，實現(xiàn)由電能向動能的轉(zhuǎn)化，然后打到工件表面的離子束加工。電弧放電使氣體電離成過熱的等離子體流束，噴向工件使其發(fā)生局部熔化及氣化，從而去除材料，這稱為等離子體加工。⑦化學加工。利用酸、堿、鹽等化學溶液對金屬產(chǎn)生化學反應(yīng)，使金屬溶解，從而改變工件尺寸和形狀（或表面性能） ，如化學蝕刻、光化學腐蝕、化學拋光、化學鍍膜等。⑧快速成型加工。在計算機的控制下，根據(jù)零件的 CAD（Computer Aided Design）模型或CT（ Computed Tomography 計算機斷層掃描）等數(shù)據(jù)，將材料精確堆積，制造原形或零件，主要有立體光刻、分層實體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積制造、三維打印等。 3 復合加工新技術(shù)主要包括超聲波加工與振動切削加工復合的超聲振動切削加工、電火花與切削加工復合的電熔爆加工、電化學磨削、電化學輔助在線削銳磨削、磁性磨料研磨加工、超聲電火花加工、電解復合加工、工序復合加工等。①超聲振動切削加工。以超聲波加工裝置代替振動切削的激振裝置。給高速回轉(zhuǎn)的砂輪或工作臺附加超聲頻振動。②電熔爆加工。工件接電源正極，安裝在機床卡盤或頂尖上，刀盤接電源負極，采用電火花加工的原理去除材料，可加工一切導電材料，尤其是高硬、高韌、特軟、特脆等材料。③電化學磨削。以金屬結(jié)合劑的磨輪、電化學沉積金剛石磨輪或?qū)щ娔ポ喿鳛殛帢O，工件作為陽極，使電化學液在兩者間隙流過，難以電化學反應(yīng)的物質(zhì)和工件表面的陽極膜由機械磨削作用刮除?；蛘卟捎贸尚褪ポ啠c工件完全處于非接觸狀態(tài)?？赡ハ鞲哂捕攘慵＂茈娀瘜W輔助在線削銳磨削。把工件陽極換成鑄鐵結(jié)合劑超硬砂輪，磨削時兩極間通弱電解液對砂輪進行在線電解修整，使結(jié)合劑被電解掉，磨粒露出砂輪表面，以保證磨粒在磨削過程當中的鋒利狀態(tài)，可使超細超硬砂輪實現(xiàn)超精密磨削，也可使硬脆材料實現(xiàn)鏡面磨削。⑤磁性磨料研磨加工。通過磁場的磁極將磁性磨料吸壓在工件表面，形成磁刷，旋轉(zhuǎn)磁場或工件，使磁刷與工件發(fā)生相對運動，從而實現(xiàn)精磨?？蛇M行復雜形狀零件表面的光滑加工。⑥超聲電火花加工。在電火花加工的基礎(chǔ)上輔以超聲振動，從而提高加工速度、改善加工質(zhì)量等。⑦電解復合加工。將機械加工、超聲波加工、電火花加工、激光加工、磁場輔助加工裝置置于電解液環(huán)境。⑧工序復合加工。也就是工序集中。4 難加工材料的切削加工新技術(shù)主要內(nèi)容包括高強度鋼與超高強度鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、工程陶瓷材料、復合材料與復合構(gòu)件的切削加工等。①高強度鋼與超高強度鋼的切削加工。其刀具材料可選用：高性能高速鋼，如 501、Co5Si、M42、V3N、B201 等；粉末冶金高速鋼；涂層高速鋼；硬質(zhì)合金；陶瓷，如 Al2O3 系；超硬刀具材料，如 CBN。但是，不能選用金剛石刀具。②不銹鋼的切削加工。刀具易產(chǎn)生黏結(jié)磨損。含 Ti 的不銹鋼應(yīng)選 K 類硬質(zhì)合金刀具，其他類可選用 M 類硬質(zhì)合金刀具，馬氏體不銹鋼 2Cr13 熱處理后選用 P 類刀具效果較好。亞微細晶粒硬質(zhì)合金刀具已投入使用。③高溫合金的切削加工。加工硬化傾向大。鉸刀材料應(yīng)采用 Co 高速鋼和 Al 高速鋼整體制造，如用細晶粒、超細晶粒硬質(zhì)合金時，大于？準 10mm的鉸刀做成鑲齒結(jié)構(gòu)。④鈦合金的切削加工。具有變形系數(shù) Λh 小、主切削力大、粘刀現(xiàn)象嚴重等加工特點，刀具材料必須耐熱性好、抗彎強度高、導熱性能好、抗黏結(jié)抗擴散和抗氧化磨損性能好。⑤工程陶瓷材料的切削加工。切削加工特點：刀具切削刃附近的被切材料產(chǎn)生脆性破壞，而不是剪切滑移變形；燒結(jié)溫度和壓力越高，內(nèi)部存在的（龜裂）應(yīng)力集中源越少，陶瓷材料越致密，硬度越高；在高溫區(qū)軟化呈塑性，有可能產(chǎn)生剪切滑移變形；無加工變質(zhì)層；脆性龜裂殘留在加工表面上。須金剛石和 CBN 刀具。⑥復合材料與復合構(gòu)件的切削加工。復合材料是由兩種或兩種以上的物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)、經(jīng)人工制成的多相固體材料?；w相（連續(xù)相）起黏結(jié)作用，增強相（分散相）可提高強度和剛度。其加工特點是：刀具磨損嚴重、產(chǎn)生溝狀磨損和殘余應(yīng)力?？椎娜肟谔幰壮霈F(xiàn)分層和剝離現(xiàn)象。該課程具有時代特征，其內(nèi)容應(yīng)具有開放性，不斷地吸收新內(nèi)容，沉淀舊的內(nèi)容到其他課程體系當中。目前精密加工技術(shù)主要有精密切削技術(shù)、模具成型技術(shù)、超精密研磨技術(shù)、微細加工技術(shù)、納米技術(shù)等。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的機械加工新技術(shù)將會充實到課程體系當中。參考文獻：１.李素燕，高壓開關(guān)機械加工新工藝工作的探討[Ｊ]２０１５