摘要：特種加工技術在國際上被稱為21世紀的技術，對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、電子束加工技術、離子束及等離子加工技術、電加工技術幾方面介紹了國外的發(fā)展現(xiàn)狀，同時提出了國內(nèi)相應領域的技術發(fā)展方向。
關鍵詞：特種加工；高能束流；激光技術；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、電化學能、化學能、聲能及特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法。本文所述的特種加工技術主要是指激光加工技術、電子束加工技術、離子束及等離子加工技術和電加工技術等。

隨著新型武器裝備的發(fā)展，國內(nèi)外對特種加工技術的需求日益迫切。不論飛機、導彈，還是其它作戰(zhàn)平臺都要求降低結(jié)構重量，提高飛行速度，增大航程，降低燃油消耗，達到戰(zhàn)技性能高、結(jié)構壽命長、經(jīng)濟可承受性好。為此，上述武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺都要求采用整體結(jié)構、輕量化結(jié)構、先進冷卻結(jié)構等新型結(jié)構，以及鈦合金、復合材料、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，以解決武器裝備制造中用常規(guī)加工方法無法實現(xiàn)的加工難題，所以特種加工技術的主要應用領域是：

難加工材料，如鈦合金、耐熱不銹鋼、高強鋼、復合材料、工程陶瓷、金剛石、紅寶石、硬化玻璃等高硬度、高韌性、高強度、高熔點材料。
難加工零件，如復雜零件三維型腔、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現(xiàn)焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細加工。

1 激光加工技術

國外激光加工設備和工藝發(fā)展迅速，現(xiàn)已擁有100kW的大功率CO��2激光器、kW級高光束質(zhì)量的Nd:YAG固體激光器，有的可配上光導纖維進行多工位、遠距離工作。激光加工設備功率大、自動化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐標聯(lián)動，并裝有激光功率監(jiān)控、自動聚焦、工業(yè)電視顯示等輔助系統(tǒng)。

激光制孔的最小孔徑已達0.002mm，已成功地應用自動化六坐標激光制孔專用設備加工航空發(fā)動機渦輪葉片、燃燒室氣膜孔，達到無再鑄層、無微裂紋的效果。

激光切割適用于由耐熱合金、鈦合金、復合材料制成的零件。目前薄材切割速度可達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45mm，已廣泛應用于飛機三維蒙皮、框架、艦船船身板架、直升機旋翼、發(fā)動機燃燒室等。

激光焊接薄板已相當普遍，大部分用于汽車工業(yè)、宇航和儀表工業(yè)。激光精微焊接技術已成為航空電子設備、高精密機械設備中微型件封裝結(jié)點的微型連接的重要手段。

激光表面強化、表面重熔、合金化、非晶化處理技術應用越來越廣，激光微細加工在電子、生物、醫(yī)療工程方面的應用已成為無可替代的特種加工技術。

激光快速成型技術已從研究開發(fā)階段發(fā)展到實際應用階段，已顯示出廣闊的應用前景。

國內(nèi)70年代初已開始進行激光加工的應用研究，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。

激光加工技術今后幾年應結(jié)合已取得的預研成果，針對需求，重點開展無缺陷氣膜小孔的激光加工及實時檢控技術、高強鋁(含鋁鋰、鋁鎂)合金的激光焊接技術、金屬零件的激光粉末燒結(jié)快速成型技術、激光精密加工及重要構件的激光沖擊強化等項目的研究。實現(xiàn)高溫渦輪發(fā)動機氣膜孔無缺陷加工，可使葉片使用壽命達2000小時以上；以焊代替數(shù)控加工飛機次承力構件，以及帶筋壁板的以焊代鉚；實現(xiàn)重要零部件的表面強化，提高安全性、可靠性等，從而使先進的激光制造技術在軍事工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

2 電子束加工技術

電子束加工技術在國際上日趨成熟，應用范圍廣。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，多坐標聯(lián)動，自動化程度高。電子束焊接已成功地應用在特種材料、異種材料、空間復雜曲線、變截面焊接等方面。目前正在研究焊縫自動跟蹤、填絲焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可達300mm，焊縫深寬比20：1。電子束焊已用于運載火箭、航天飛機等主承力構件大型結(jié)構的組合焊接，以及飛機梁、框、起落架部件、發(fā)動機整體轉(zhuǎn)子、機匣、功率軸等重要結(jié)構件和核動力裝置壓力容器的制造。如：F-22戰(zhàn)斗機采用先進的電子束焊接，減輕了飛機重量，提高了整機的性能；“蘇-27”及其它系列飛機中的大量承力構件，如起落架、承力隔框等，均采用了高壓電子束焊接技術。

國內(nèi)多種型號的飛機及發(fā)動機和多種型號的導彈殼體、油箱、尾噴管等結(jié)構件均已采用了電子束焊接。因此，電子束焊接技術的應用越來越廣泛，對電子束焊接設備的需求量也越來越大。

國外的電子束焊機，以德國、美國、法國、烏克蘭等為代表，已達到了工程化生產(chǎn)。其特點是采用變頻電源，設備的體積、噪聲、高壓性能等方面都有很大提高；在控制系統(tǒng)方面，運用了先進的計算機技術，采用了先進的CNC及PLC技術，使設備的控制更可靠，操作更簡便、直觀。

國外真空電子束物理氣相沉積技術，已用于航空發(fā)動機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合材料技術正處于研究階段。

電子束加工技術今后應積極拓展專業(yè)領域，緊密跟蹤國際先進技術的發(fā)展，針對需求，重點開展電子束物理氣相沉積關鍵技術研究、主承力結(jié)構件電子束焊接研究、電子束輻照固化技術研究、電子束焊機關鍵技術研究等。

3 離子束及等離子體加工技術

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已經(jīng)進入工程化應用，已廣泛應用在航空、航天、船舶等領域的產(chǎn)品關鍵零部件耐磨涂層、封嚴涂層、熱障涂層和高溫防護層等方面。

等離子焊接已成功應用于18mm鋁合金的儲箱焊接。配有機器人和焊縫跟蹤系統(tǒng)的等離子體焊在空間復雜焊縫的焊接也已實用化。微束等離子體焊在精密零部件的焊接中應用廣泛。我國等離子體噴涂已應用于武器裝備的研制，主要用于耐磨涂層、封嚴涂層、熱障涂層和高溫防護涂層等。

真空等離子體噴涂技術和全方位離子注入技術已開始研究，與國外尚有較大差距。等離子體焊接在生產(chǎn)中雖有應用，但焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

離子束及等離子體加工技術今后應結(jié)合已取得的成果，針對需求，重點開展熱障涂層及離子注入表面改性的新技術研究，同時，在已取得初步成果的基礎上，進一步開展等離子體焊接技術研究。

4 電加工技術

國外電解加工應用較廣，除葉片和整體葉輪外已擴大到機匣、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。目前電解加工機床最大容量已達到5萬安培，并已實現(xiàn)CNC控制和多參數(shù)自適應控制。電火花加工氣膜孔采用多通道、納秒級超高頻脈沖電源和多電極同時加工的專用設備，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加工精度，可加工3μm的微細軸和5μm的孔。精密脈沖電解技術已達10μm左右。電解與電火花復合加工，電解磨削、電火花磨削已用于生產(chǎn)。

根據(jù)上述現(xiàn)狀，今后特種加工技術的發(fā)展方向應是：

(1)不斷改進、提高高能束源品質(zhì)，并向大功率、高可靠性方向發(fā)展。
(2)高能束流加工設備向多功能、精密化和智能化方向發(fā)展，力求達到標準化、系列化和模塊化的目的。擴大應用范圍，向復合加工方向發(fā)展。
(3)不斷推進高能束流加工新技術、新工藝、新設備的工程化和產(chǎn)業(yè)化工作。

為實現(xiàn)以上發(fā)展目標，必須開展下列加工工藝的技術研究：

(1)激光加工技術

無再鑄層、無微裂紋渦輪葉片氣膜孔激光高效加工技術研究；
鋁合金、超強鋼、鈦合金、異種材料構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)量控制技術和在線測量控制技術研究；
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研究；
激光快速成型技術研究；
大功率激光熔覆陶瓷涂層的工藝以及涂層組織結(jié)構和性能的研究。

(2)電子束加工技術

150kV、15kW高壓電子槍及高壓電源的技術研究；
電子束物理氣相沉積技術的研究；
大厚度變截面鈦合金的電子束焊接技術研究及質(zhì)量評定；
典型復合材料飛機構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研究。

(3)離子束和等離子體加工技術

復雜零件“保形”離子注入與混合沉積技術研究，獲得高密度等離子體方法研究；
空間結(jié)構焊接工藝參數(shù)自適應控制及焊縫自動跟蹤系統(tǒng)研究，以及等離子弧焊過程中變形控制技術研究；
等離子噴涂陶瓷熱障涂層結(jié)構、工藝及工程化研究；
層流湍流自動轉(zhuǎn)換技術及軸向送粉、三維噴涂技術研究；
層流等離子體噴涂系統(tǒng)的研制及其噴涂技術的研究。

(4)電加工技術

高品質(zhì)深小孔電液束加工技術研究；
高效、優(yōu)質(zhì)照相電解加工群孔技術研究；
多軸、多通道電火花加工群孔、異形孔技術研究；
大容量(5000A及以上)精密電解加工技術研究；
電解—電火花復合加工技術研究。

研究上述技術的關鍵在于：提高高能束流的品質(zhì)；開展特種加工過程的自動控制及計算機建模、仿真技術的研究；新材料加工特性研究；特種加工設備的研究等。