机械加工新技术的课程体系研究

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摘要：现代机械加工新技术课程包括四部分内容：切削、非切削加工、复合加工新技术、难加工材料的加工新技术。明确了各加工技术的核心概念，比如：非常温切削与分子运动密切相关；振动切削和超声波切削利用了共振现象；超声波加工的工作原理类似于爆炸冲击波的作用等。

关键词：制造业；机械加工新技术；课程体系

0引言

先进的制造技术是保障综合国力的决定性因素。发达国家的制造业均在国民经济中居于重要地位。现代机械制造学科已成为集机械、电子、信息、材料为一体的新型交叉学科。我国的制造业面临着巨大的机遇和挑战，只有掌握先进制造技术，才能加快国家经济的持续增长、促进我国产业升级和产业链提升、增强产品的竞争能力、增强我国核心竞争力和自主创新能力、建设创新型国家。因此，在大学里普遍开设制造先进技术的课程，课程名称为《机械加工新发展》[1]、《现代加工新技术》、《机械加工新技术》或《现代加工技术训练》[2]、《现代机械制造工艺及精密加工技术》等。从目前的研究现状看，该课程主要有四部分内容：切削加工新技术、非切削加工新技术、复合加工新技术、难加工材料的切削加工新技术。精密加工分散在课程体系当中，应将其总结后作为附录内容。根据课时不同，该课程应有所取舍。

1切削加工新技术

主要包括高速与超高速切削新技术、硬态切削新技术、干式切削新技术、振动切削新技术、非常温切削新技术、磁化切削新技术、保护性切削新技术、射流加工新技术、磨削加工新技术等。①高速超高速切削新技术。根据1931年4月德国物理学家萨洛蒙（Carl.J.Salomon）提出的“Salomon曲线”，采用高转速、快进给、小背吃刀量和小进给量来去除余量，完成零件加工。要求机床的主轴转速高、功率和扭矩大，以及进给系统加速度高。可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料、铸铁和铝合金等。②硬态切削新技术。采用立方氮化硼CBN（CubicBoronNitride）、陶瓷和新型硬质合金及涂层硬质合金作为刀具材料，将淬硬钢的车削作为最终加工工序。③干式切削新技术。不用切削液或用少量绿色环保的润滑剂。要求刀具材料具有良好的耐热性和耐磨性，要求切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小，要求刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热，要求刀具应具有较高的强度和较强的抗冲击韧性。可采用低温冷风、高速、静电冷却和准干切削工艺等。已用于铸铁、铝合金、镁等的切削。④振动切削新技术。与超声波切削一样利用共振现象，给刀具或工件施以某种参数（频率、幅值）的可控制量，使刀具与工件周期性地接触与离开。⑤非常温切削新技术。温度反映了分子运动的剧烈程度。加热高强度、高硬度和耐高温的新材料可使其可以加工。冷却钛合金、低合金钢、低碳钢和一些塑性与韧性特别强的难加工材料，可获得较好的加工质量。⑥磁化切削新技术。刀具或工件磁化后，强度和硬度会提高，从而保证加工质量。⑦保护性切削新技术。在真空当中切削可避免生成硬脆层，但是刀-屑界面处也不能生成减摩的氧化膜。在惰性气体保护下切削，不适用于有色金属，如铝及其合金。绝缘切削将工件与机床绝缘，可避免因热电流而产生热电磨损。⑧射流加工新技术。水射流主要用来切割软质有机材料；混合磨料射流几乎可切割一切硬质材料。⑨磨削加工新技术。主要有重负荷荒磨、用于沟槽、成形和外圆的缓进给大切深磨削、硬脆材料延性域磨削的高速与超高速磨削、砂带磨削、振动研磨等。

2非切削加工新技术

主要包括超声波加工、电化学加工、电火花加工、电火花线切割加工、激光加工、高能粒子束加工、化学加工、快速成型加工等。①超声波加工。利用电气谐振获得超声振动，再利用机械共振通过变幅杆获得足够振幅的振动，对工件施加类似于爆炸冲击波的作用，并通过磨料悬浮液强化该作用，从而使工件成型。主要应用于型孔、型腔、切割、清洗、焊接、超声波处理等。②电化学加工。利用金属在电解液中阳极溶解的原理对工件进行成形加工，阳极溶解方式有电解加工和电化学抛光，阴极沉积方式有电镀和电铸。主要用于批量生产条件下难切削材料、复杂型面、型腔、异型孔、薄壁零件的加工，还可以用于去毛刺、刻印、磨削、表面光整加工等方面。③电火花加工。使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，瞬时局部高温把金属蚀除下来，以达到对工件尺寸、形状以及表面质量的要求。不受工件材料的物理、力学性能限制。主要用于穿孔成形加工，如冲模、型腔模、小孔、异形小孔等。④电火花线切割加工。采用线状电极(钼丝、铜丝或镀锌铜丝)靠火花放电对工件进行切割，切割路线须充分考虑变形与受力的关系。⑤激光加工。把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的适当部位，使其迅速升温、气化、熔化、金相组织变化，以及产生相当大的内应力，从而实现工件材料的去除、连接、改性或分离等。主要用于打孔、切割、焊接、金属表面处理、信息存储等。⑥高能粒子束加工。电子枪中产生的电子经加速、聚焦后形成大能量密度的电子束，射向材料进行工艺处理，称为电子束加工。离子源产生的离子束经加速聚焦，实现由电能向动能的转化，然后打到工件表面的离子束加工。电弧放电使气体电离成过热的等离子体流束，喷向工件使其发生局部熔化及气化，从而去除材料，这称为等离子体加工。⑦化学加工。利用酸、碱、盐等化学溶液对金属产生化学反应，使金属溶解，从而改变工件尺寸和形状（或表面性能），如化学蚀刻、光化学腐蚀、化学抛光、化学镀膜等。⑧快速成型加工。在计算机的控制下，根据零件的CAD（ComputerAidedDesign）模型或CT（ComputedTomography计算机断层扫描）等数据，将材料精确堆积，制造原形或零件，主要有立体光刻、分层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积制造、三维打印等。

3复合加工新技术

主要包括超声波加工与振动切削加工复合的超声振动切削加工、电火花与切削加工复合的电熔爆加工、电化学磨削、电化学辅助在线削锐磨削、磁性磨料研磨加工、超声电火花加工、电解复合加工、工序复合加工等。①超声振动切削加工。以超声波加工装置代替振动切削的激振装置。给高速回转的砂轮或工作台附加超声频振动。②电熔爆加工。工件接电源正极，安装在机床卡盘或顶尖上，刀盘接电源负极，采用电火花加工的原理去除材料，可加工一切导电材料，尤其是高硬、高韧、特软、特脆等材料。③电化学磨削。以金属结合剂的磨轮、电化学沉积金刚石磨轮或导电磨轮作为阴极，工件作为阳极，使电化学液在两者间隙流过，难以电化学反应的物质和工件表面的阳极膜由机械磨削作用刮除。或者采用成型石墨磨轮，与工件完全处于非接触状态。可磨削高硬度零件。④电化学辅助在线削锐磨削。把工件阳极换成铸铁结合剂超硬砂轮，磨削时两极间通弱电解液对砂轮进行在线电解修整，使结合剂被电解掉，磨粒露出砂轮表面，以保证磨粒在磨削过程当中的锋利状态，可使超细超硬砂轮实现超精密磨削，也可使硬脆材料实现镜面磨削。⑤磁性磨料研磨加工。通过磁场的磁极将磁性磨料吸压在工件表面，形成磁刷，旋转磁场或工件，使磁刷与工件发生相对运动，从而实现精磨。可进行复杂形状零件表面的光滑加工。⑥超声电火花加工。在电火花加工的基础上辅以超声振动，从而提高加工速度、改善加工质量等。⑦电解复合加工。将机械加工、超声波加工、电火花加工、激光加工、磁场辅助加工装置置于电解液环境。⑧工序复合加工。也就是工序集中。

4难加工材料的切削加工新技术

主要内容包括高强度钢与超高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金、工程陶瓷材料、复合材料与复合构件的切削加工等。①高强度钢与超高强度钢的切削加工。其刀具材料可选用：高性能高速钢，如501、Co5Si、M42、V3N、B201等；粉末冶金高速钢；涂层高速钢；硬质合金；陶瓷，如Al2O3系；超硬刀具材料，如CBN。但是，不能选用金刚石刀具。②不锈钢的切削加工。刀具易产生黏结磨损。含Ti的不锈钢应选K类硬质合金刀具，其他类可选用M类硬质合金刀具，马氏体不锈钢2Cr13热处理后选用P类刀具效果较好。亚微细晶粒硬质合金刀具已投入使用。③高温合金的切削加工。加工硬化倾向大。铰刀材料应采用Co高速钢和Al高速钢整体制造，如用细晶粒、超细晶粒硬质合金时，大于准10mm的铰刀做成镶齿结构。④钛合金的切削加工。具有变形系数Λh小、主切削力大、粘刀现象严重等加工特点，刀具材料必须耐热性好、抗弯强度高、导热性能好、抗黏结抗扩散和抗氧化磨损性能好。⑤工程陶瓷材料的切削加工。切削加工特点：刀具切削刃附近的被切材料产生脆性破坏，而不是剪切滑移变形；烧结温度和压力越高，内部存在的（龟裂）应力集中源越少，陶瓷材料越致密，硬度越高；在高温区软化呈塑性，有可能产生剪切滑移变形；无加工变质层；脆性龟裂残留在加工表面上。须金刚石和CBN刀具。⑥复合材料与复合构件的切削加工。复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质、经人工制成的多相固体材料。基体相（连续相）起黏结作用，增强相（分散相）可提高强度和刚度。其加工特点是：刀具磨损严重、产生沟状磨损和残余应力。孔的入口处易出现分层和剥离现象。该课程具有时代特征，其内容应具有开放性，不断地吸收新内容，沉淀旧的内容到其他课程体系当中。目前精密加工技术主要有精密切削技术、模具成型技术、超精密研磨技术、微细加工技术、纳米技术等。随着科学技术的不断发展，更多的机械加工新技术将会充实到课程体系当中。

作者:李春明 单位:中国石油大学（ 华东） 中国石油大学胜利学院

参考文献：

[1]李素燕，王磊，梁志强.现代加工技术训练教学的改革与实践[J].教育探索，2013，（12，总270）:46-47.

[2]袁红芳.高压开关机械加工新工艺工作的探讨[J].电气制造，2011（4）:70-73.

[3]李爱霞.我国汽车制造机械加工现状[J].黑龙江科技信息，2013，49.