难加工材料加工技术.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date难加工材料加工技术针对难加工材料和加工方法的总结 针对难加工材料和加工方法的总结难加工材料的种类很多，从金属到非金属范围很广。从切削加工角度，初步可分为如下几类：1. 高强韧类难加工材料 这类材料主要包括超高强度钢、钛合金、高温合金等，其特点主要包括塑性高、韧性好、强度高、强化系数高、导热系数低。在切削加工中，由于高强韧类难加工材料的强度高，切削时的切削力大，不但刀具易磨损，而且切屑不易处理。同时，这类材料的导热系数很低，造成切削过程中切削温度高，刀具易产生磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损和氧化磨损。此外，切削加工时的切削表面和已加工表面硬化现象严重。对钛、镍、钴及其他合金，这类材料化学活性大、亲和性强，切削加工时易黏结在刀具上，与刀具材料产生化学、物理作用，元素相互扩散。钛合金广泛应用到汽车、化工、体育、医学、建筑、矿山、航空航天和军事装备中。超高强度钢广泛应用到火箭发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域，而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其它军用及民用装备。高温合金广泛应用到航空航天、工业燃气轮机、汽车、化工设备、船舶、原子能等。2.高硬脆类难加工材料 这类材料主要包括光学玻璃、硅片、陶瓷等。特点主要在于硬度高、脆性大，其加工机制与高强韧类金属材料有显著差别。这些材料由于耐磨性很好，切削时起磨料作用，故刀具主要承受磨料磨损，高速切削时也同时伴随着物理、化学磨损。此外，被加工表面易产生裂纹以及边缘破损.这些缺陷将显著降低零件的强度及使用寿命。主要应用于主要应用于照相器材、仪器仪表、光学仪器、医疗仪器，教学仪器、幻灯机、投影仪、紫外分析仪、金融机具、机场灯具，军工，科研院校、公安等。硅片到应用计算机领域、和太阳能等。陶瓷广泛应用到电子、信息、航天、能源、军事和生物医学等领域。3.兼具高强韧和高硬脆类难加工材料 这类材料主要包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。其特点主要包括具有高比强度、比模量，良好的导热性、导电性、耐磨性、高温性能，低的线膨胀系数，高的尺寸稳定性等。在复合材料的高效机械加工中会出现一些常规材料所没有的问题，如增强相硬且脆(或坚韧)，使刀具磨损大；某些基体材料韧且不导热，加工时产生的热量不易散发，钻刀具；层压复合材料在加工时极易分层等。根据这些特点，加工时应采取相应的措施，如选择合适的刀具和合理的加工余量，制定专门的加工工艺，采取适当的加工润滑和冷却措施。并设计专用的加工夹具以保证加工质量。对以上难加工材料还是主要用机械加工来实现，下面详细介绍加工方法，实现难加工材料的有效加工，1.关键在于优选刀具材料：高性能高速钢、新型硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具；2.选择合适的刀具几何参数；3.采用适当的冷却润滑条件；4.采用优化的加工参数。高速钢High speed steel：高速钢可以锻造，淬火前可以切削加工，强度高，所以广泛用于齿轮刀具、螺纹刀具、拉刀等复杂刀具。高性能高速钢：增加V、Co、Al、稀土等元素，提高高速钢的性能。高速钢M42：是当前航空航天生产中应用较广泛的高性能高速钢，Al高速钢501：在加工高强度钢等难加工材料时也具有良好的性能。粉末冶金高速钢：粉末冶金高速钢无碳化物偏析，晶粒粉细小均匀，杂质含量少， 抗弯强度比冶炼高速钢提高2倍以上，在600时的高温硬度高出23HRC，刀具寿命提高0.52倍。进口牌号ASP2060、ASP2080 ，国产牌号M42-P硬质合金Cemented carbide：当前硬质合金刀具材料的进展主要体现在以下几个方面 涂层技术：涂层技术分为化学气相涂层（CVD）和物理气相涂层（PVD）。 涂层材料： 传统：C、N或O的二元化合物，如TiC、TiN、Al 2O3等。 新型多元化合物： TiCN、TiAlN、TiCrN、AlCrN、TiAlSiN 氮化碳（CNx）、氮化物等， 软涂层刀具：MoS2、WS2。 涂层结构：多层沉积、复合涂层、纳米涂层，涂层数达2000层，每层厚度为2.5nm。细化晶粒：减小晶粒尺寸可以提高硬质合金的硬度、耐磨性、韧性。普通硬质合金的晶粒尺寸约10微米以下，细晶粒<1微米、超细晶粒<0.5微米。 梯度材质：采用梯度材质可以兼顾硬质合金的硬度和韧性。梯度结构硬质合金具有特殊的结构或成分梯度变化，对不同的部位赋予不同的性能，使整体制品获得优异的综合机械性能。陶瓷刀具Ceramic高速钢与硬质合金的主要成分钨、钴资源在全球范围内日趋枯竭，陶瓷刀具材料使用的主要成分铝、硅、氧、氮等在地壳中含量丰富；分类： 氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、氧化铝氮化硅复合陶瓷（Sialon）和晶须增韧陶瓷。 优点：很高的硬度和耐磨性，硬度达9395HRA，适于加工5065HRC的高硬度材料；高温性能好，在1200的高温下仍能进行切削；与金属的亲和力小，具有良好的抗粘结性能；化学稳定性好，扩散磨损小，抗氧化能力好；摩擦系数也低于硬质合金。 缺点：强度和断裂韧性较低，脆性较大，导热性差，抗热震性不高。发展和预测：提高陶瓷刀具的力学性能的研究：采热压和热等静压工艺，加入各种增韧补强相，如金属碳化物、氮化物、硼化物、稀土元素及金属和晶须等。一些陶瓷刀具的强度和韧性已接近硬质合金。陶瓷刀具占刀具市场的份额将增加到15%20%，金属切削加工工业即将进入新的“石器时代”。超硬刀具：立方氮化硼刀具和金刚石刀具CBN & Diamond 立方氮化硼刀具材质：立方氮化硼(CBN)是氮化硼(BN)的同素异构体，其结构、化学键类型晶格常数与金刚石相似，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。PCBN刀具粘结剂组分包括金属粘结剂、陶瓷粘结剂和金属陶瓷组合粘结剂三大类，CBN含量在40%95%之间，CBN晶粒尺寸发展到微米和亚微米级。不同的粘结剂组分、CBN含量和晶粒尺寸适应于不同的工件材料和不同的加工条件。性能：硬度：单晶的硬度为80009000HV，聚晶烧结体PCBN的硬度为30005000HV。在切削耐磨材料时其耐磨性是硬质合金刀具的3050倍； 耐热性：达14001500，在800时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度；其它：较好的化学稳定性、较好的导热性和较低的摩擦系数， 用途：硬态干式切削难加工材料，加工硬度高于50HRC 的材料，实现高硬度零件的以切代磨加工。金刚石刀具：特点：是最硬的刀具(800012000HV)，高的导热性，低的热胀系数，高的弹性模量和较低的摩擦系数。用途：加工有色金属和非金属材料效果良好。但其主要成分C，在Fe中有较高的溶解度，所以不能加工铁族金属。分类：单晶、聚晶(PCD)、CVD厚膜和CVD涂层四类 单晶金刚石刀具：用单个金刚石大晶粒做刀具，各向异性，主要用于精密、超精密加工。PCD刀具：将金刚石粉末在高温高压下压制成多晶体压块作为刀片，其晶粒呈无序排列，不具方向性。CVD厚膜金刚石刀具：利用化学气相沉积（CVD）技术沉积厚度达0.51mm的无衬底的刚石厚层膜，将厚膜切割后钎焊在硬质合金基片上作为刀片。同PCD相比，其热稳定性更好，但脆性较高。因导电性差，不能用电加工(EDM)制造成形。其应用领域与PCD相近，由于其高纯度以及由此带来的耐磨性和热稳定性的提高，所以更适应于高耐磨工件的加工。CVD涂层金刚石刀具：是在硬质合金基体上采用CVD技术沉积小于30m的薄膜。目前CVD涂层金刚石产品的市场还不是很大。钛合金及其加工技术刀具材料及使用条件：低速加工：高钴高速钢、高钒高速钢；中速加工：细晶粒硬质合金，此时粘接磨损严重，不宜采用含Ti刀具，可采用Al2O3 涂层刀具；高速加工：某些牌号的CBN刀具；涂层硬质合金刀具、基体含钛硬质合金刀具或含钛涂层硬质合金刀具。 刀具几何参数 由于回弹严重，后角要大，>15°；因后角大，前角不能过大，以保证刃口强度；采用大螺旋角铣刀。 切削液 含极压添加剂的油基切削液，但建议不含氯；高压（100bar）喷射冷却液可成倍提高刀具耐用度。注意：低速下YT14和TC4 具有更强的粘接倾向，易于发生粘接磨损，因而YT14 的磨损率高于YG8，含钛刀具不适于加工钛合金；高速下YG8和TC4的高元素差别易于导致扩散磨损，因而YT14的磨损率低于YG8，含钛刀具适于加工钛合金； 含钛刀具不适于加工钛合金的传统不全面，需要补充修改。高温合金及其加工技术刀具材料及使用条件：拉刀、丝锥等：钴高速钢（M42） ， V=10m/min；超细晶粒硬质合金、涂层硬质合金：V=3070m/min，硬度增高速度降低； Si3N4陶瓷，Sialon陶瓷、Al2O3+TiC复合陶瓷、SiC晶须增韧Al2O3陶瓷（肯纳KY4300） ，V>200m/min；（低速时磨损加剧），陶瓷刀具用于半精加工；高含量CBN刀具刀具几何参数： 车刀前角<10°，后角15°左右；铣刀前角10°左右，后角15°左右，螺旋角3045°； 陶瓷刀具、CBN刀具务必采用负前角。切削液： 高速钢刀具采用水基切削液，以冷却为主，防止刀具热塑变形； 硬质合金刀具采用极化切削油，抑制粘接、扩散磨损；陶瓷、CBN刀具慎用切削液：利用工件热软化，使切削容易， 刀具韧性差，防止热疲劳和激冷裂纹。高强度钢加工技术刀具材料选择 高速钢：Co高速钢、Al高速钢、粉末冶金高速钢、涂层高速钢；硬质合金：添加钽、铌或稀土元素P 类合金、P 类涂层合金及TiC基和Ti(C、N) 基合金；陶瓷刀具： Al2O3 基陶瓷，如Al2O3+TiC复合陶瓷( Si3N4 陶瓷效果不好)；CBN刀具：低含量高强度材质。 刀具几何参数要求刃部强度高，所以硬质合金刀前角-2°-4°，陶瓷和CBN-10°左右； 刀尖圆弧半径：粗加工时12 mm；精加工时0.50.8mm。切削用量：切削速度是加工45钢时的30%左右，强度越高，速度越低；高速钢<10m/min，硬质合金3080m/min，陶瓷、CBN可达100150m/min以上，但一般用于小切深精加工。断屑技术：选择合理的断屑槽或断屑台，以断屑为目标进行切削用量优化，采用振动断屑等强制断屑技术。冷却润滑技术：在一定切削用量范围内车削高强度钢时，干切削可以显著提高刀具耐用度，其机理可能是： 在一定切削温度下刀具和工件材料硬度差增大；刀具的磨损以磨料磨损为主时，减小润滑效果使得粘接区增大、滑动区减小，从而减小磨料磨损。碳纤维复合材料加工技术切削加工性特点Machinability of CFRP碳纤维硬度达HV600以上，接近高速钢硬度，对刀具造成磨料磨损；加工过程没有强烈塑性变形，切削温度低，不会发生粘接磨损、扩散磨损； 材质各向异性，纤维向强度高，纤维间、层间强度低，易于发生撕裂、分层等特有的加工质量问题；切削加工产生大量有害粉尘，需要加以防护。刀具选择：高速钢刀具无法使用，一般采用K类硬质合金刀具，最佳刀具是金刚石刀具。关键：刃口保持锋利，可切断纤维，而不是挤断。切削用量：必须高速加工V = 6006000 m/min；关键：控制V/Vf比值足够大。“快刀斩乱麻” 快：1）锋利，2）高速。玻璃、硅片、陶瓷加工技术1) 切削加工陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷，也适用于完全烧结体陶瓷。半烧结体陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量，从而提高加工效率，降低加工成本。日本的研究人员使用各种刀具在不同温度下对Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半烧结体进行了切削试验。试验中根据不同的加工要求，采用了干式切削与湿式切削等方法，获得了有价值的研究成果。国外一些研究者针对完全烧结体陶瓷的切削加工进行了试验研究。日本的研究人员在使用聚晶金刚石刀具对Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷进行切削试验时发现，粗粒聚晶金刚石刀具在切削过程中磨损较小，加工效果较好；在使用金刚石刀具切削ZrO2陶瓷时，达到了类似于切削金属时的效果。他们还探讨了陶瓷塑性切削极限问题，指出当Al2O3陶瓷的临界切削深度apmax 2µm时， SiC陶瓷的apmax 1µm， Si3N4陶瓷的apmax 4µm( apapmax时，陶瓷材料会产生脆性破坏；ap apmax时，则为塑性流动式切削)。美国的研究人员对单晶锗进行了一系列金刚石车削试验，成功地实现了脆性材料的塑性超精密车削，并提出了临界切削厚度的计算公式。用金刚石刀具切削脆性材料并获得高质量的加工表面是近十几年来发展起来的新技术，通常称为脆性材料的超精密车削加工。2) 研磨、抛光加工研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工与光整加工中，特别是在用于陶瓷轴承的陶瓷球的精密加工中，研磨、抛光加工有着不可替代的位置。光学玻璃、蓝宝石等光学材料，硅片、GaAs基片等半导体材料，Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷等陶瓷材料的镜面加工大多采用研磨、抛光加工方法。从材料的去除机理上看，研磨加工是介于脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法，而抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围内进行。研磨、抛光加工由于材料去除量小，加工效率低，一般只用于超精加工的最终工序。研磨、抛光加工的材料去除率与被加工材料的韧性有较大关系，韧性越高，加工效率越低。3) ELID磨削加工ELID磨削技术是由日本物理化学研究所的大森整等人于1987年提出的一种磨削新工艺，其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的难题，同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保持锋锐性，为实现稳定的超精密磨削创造了有利条件。日本的研究人员使用8000(最大磨粒直径约为 2µ m)铸铁基金刚石砂轮对硅片进行磨削，获得了最大表面粗糙度值为0.1µm的高精表面。使用青铜基砂轮对陶瓷材料进行精密磨削也达到了相同的加工效果。哈尔滨工业大学采用ELID磨削技术对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削，磨削表面质量与在相同机床条件下采用普通砂轮磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra值已达到纳米级，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra0.012µm。这表明ELID磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精加工，但加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层的未电解物质被压入工件表面而造成表面层釉化及电解磨削液配比改变等问题，有待于进一步研究解决。4) 塑性法加工传统的材料去除过程一般可分为脆性去除和塑性去除两种。在脆性去除过程中，材料去除是通过裂纹的扩展和交叉来完成的；而塑性去除则是以剪切加工切屑的形式来产生材料的塑性流。对于金属的加工，塑性切削机理很容易实现，而对于脆性材料如工程陶瓷和光学玻璃等，采用传统的加工技术及工艺参数只会导致脆性去除而没有显著的塑性流，在超过强度极限的切削力作用下，材料的大小粒子发生脆性断裂，这无疑将影响被加工表面的质量和完整性。由加工实践可知，在加工陶瓷等脆性材料时，可采用极小的切深来实现塑性去除，即材料去除机理可在微小去除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。超精加工技术的最新进展已可将加工进给量控制在几个纳米，从而使脆性材料加工的主要去除机理有可能由脆性破坏转变为塑性流。塑性切屑变形过程可以显著降低次表面(表层)破坏，这种硬脆材料的新型加工技术称为塑性法加工。近年来，许多学者应用金刚石磨削方法对脆性材料塑性方式磨削的理论和工艺、脆-塑性转变、材料特性、切削力和其它参数的关系进行了系统研究，研究重点是被加工零件的塑性方式表面形成机理和几何精度，其中包括相关机床和砂轮技术的研究与开发。1991年，英国国家物理实验室的研究人员首先采用四面体(Tetraform)结构并应用具有良好工程性的减振机理来设计机床的主要结构，研制出世界上第一台Tetraform1型超精密磨床。用该磨床对陶瓷、硅片和单晶石英试件进行了大量塑性磨削试验，获得了高质量的样品，其特点是：(1)可采用相对较大的切深(大至10µm)进行加工；(2)表面几何形状精度高，试件周围几乎没有碾痕；(3)机床可在无环境隔离条件下磨削高质量试件；(4)次表面破坏深度仅为传统磨削的1%2%，甚至小于抛光加工对光学元件的影响。基于Tetraform原理，1995年英国Fra-zer-Nash咨询有限公司和Granfield精密工程有限公司联合研制了Tetraform-2型多功能磨床。发展趋势表明，脆性材料塑性加工技术在超精加工领域有着巨大的应用潜力。 随着现代科学技术的发展，脆性材料在现代高技术行业的诸多领域，特别是 在航空航天、光学及电子领域中，具有十分重要的作用，而且往往对工件的加工 精度和表面质量有非常高的要求。但是到目前为止，脆性材料的加工仍然是一件 困难的事情。因为它们最突出的一个特性，就是材料脆性高，断裂韧性低，材料 的弹性极限和强度非常接近。当材料所承受的载荷超过弹性极限时，就发生断裂 破坏，在己加工表面产生裂纹和凹坑，严重影响其表面质量和性能【1】。所以， 脆性材料的可加工性极差。过去，人们一直沿用古老的研磨、抛光工艺，对脆性 材料进行光整加工。这些加工方法生产效率低，加工精度不易保证，而且加工过 程不易实现计算机控制，对于曲面形状复杂的工件，甚至无法加工。因此，已经 远远不能适应现代高科技发展和高效率的要求。 超精密加工，主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨(机 械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等)以及超精 密特种加工(电子束、离子束以及激光束加工等)。上述各种方法，均能加工出普 通精密加工所达不到的尺寸精度、形状精度和表面质量。每种超精密加工方法， 都是针对不同零件的要求而选择的【2】。 特种加工是应用物理的（力、热、声、光、电）或化学的方法，对具有特种 要求（如高精度）或特殊加工对象（如难加工的材料、形状复杂或尺寸特微小的 材料、刚度极低的材料）进行加工的手段（1）不用机械能这些加工方法与工件 的机械性能无关，故可加工各种高性能的材料；（2）非接触加工，工件不承受 大的作用力；（3）微细加工，工件表面质量高。加工余量的去除是微细进行， 不仅可加工曲面狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面；（4）简单进 给运动，加工复杂型面工件；（5）各种加工方法可以复合成新的加工工艺，以 便于推广。 由于特种加工技术具有常规加工技术无法比拟的优点， 在难切削材料、 【3】 复杂型面、精细表面的加工中已成为重要的工艺手段 。 一、特种加工在绝缘工程陶瓷加工中的应用 工程陶瓷材料因具有高强度、 高硬度、 质轻、 耐磨、 耐高温和耐腐蚀等特性, 而被日益广泛地应用于电子、机械、冶金、化工及航空航天等领域中。但由于工 程陶瓷具有很高的硬度和较大的脆性,给其成形加工带了很大的困难。 机械磨削是目前最常用的工程陶瓷加工方法,该加工方法需用昂贵的金刚石 砂轮和高刚度的磨床,加工成本高、 效率低,且磨削时砂轮和工件之间存在强烈的 作用力,易使工件表面产生微裂纹而降低零件的使用寿命。 为此,人们开展了绝缘 工程陶瓷的激光加工、超声加工、电火花加工、等离子弧加工、磁力研磨,以及 相关的相复合加工等技术,并取得了较大的研究进展【4】。 1. 激光加工工程陶瓷 目前国内外学者对陶瓷材料激光加工技术的研究主要集中在打孔、切割、划 线和型腔加工等方面。洪蕾等人用自行研制的机械斩光盘调Q CO2，冲激光器对 Si3N4 陶瓷切割试验表明,在高峰值能量(15 kW) 、短脉冲宽度(1s) 、高脉 冲频率(20kHz) 和适当的平均功率(300 W) 条件下,采用高速(>220 mm/ s) 多次 重复走刀切割工艺,可以得到无裂纹的精细切口。陈可心等人采用0.25 MPa 氧气 作辅助气体,用800 W 的连续波CO2 激光在厚度13.5 mm 的氮化硅陶瓷上加工出 了直径0.72 mm的无损伤深孔,深径比达18.75 5。Tsai Chwan2Huei 等人提出 了基于裂纹加工单元的激光铣削方法,他们采用CO2 和Nd : YAG激光器对Al2O3 陶瓷进行了基于裂纹加工单元的激光铣削加工,并在Al2O3 陶瓷零件上加工出了 形状较复杂的型腔。研究结果表明,采用该方法进行激光铣削所需要的功率比通 常的方法低。Henry Matt等人对TBC 陶瓷、聚晶金刚石、硬质合金和不锈钢等材 料的激光铣削工艺进行了试验研究。 为把激光加工技术更好地应用于陶瓷加工中,人们还探讨了激光预热辅助切 削或磨削等方法,其目的是增强陶瓷被加工部位的韧性,以达到降低切削或磨削 力、提高加工效率和质量等目的。I. D.Marinescu 等人对Al2O3 、Ferrite 、 ZrO2 和Si3N4 4 种材料进行了激光预热磨削试验,发现激光预热磨削不仅能减 少磨削过程中温度的影响作用,而且还能降低陶瓷的硬度, 增大去除量而不引起 磨削裂纹。美国Purduce 大学的C. J . Rozzi 等人对激光辅助切削工程陶瓷技 术进行了研究,建立了激光辅助切削ZrO2 、 Si3N4 等陶瓷材料的瞬时三维温度场 传递的物理、数学模型,并总结出了相应的加工规律。 2. 超声加工工程陶瓷 与电火花加工、电解加工、激光加工等特种加工技术相比,超声加工既不依 赖于材料的导电性,又没有热物理作用,加工后工件表面无组织改变、 残余应力及 烧伤等现象等发生;加工过程中宏观作用力小,适合于加工不导电工程陶瓷。 T. B. THOE 等人对超声加工Al2O3 、ZrO2 、SiC等陶瓷的工艺规律和加工 机理进行了研究,给出了的研究结果,并用超声加工技术在Si3N4陶瓷上加工出了 航空航天用的涡轮叶片。 研究资料表明， 采用超声磨削工程陶瓷时,当磨削深度小于某临界值时,工程 陶瓷的去除机理与金属磨削相似,工件材料在磨刃的作用下通过塑性流动形成切 屑,避免了较深变质层的形成,塑性磨削可以获得Ra < 0. 01 m 的表面质量。超 声磨削工程陶瓷的优点是加工效率比普通磨削高一倍以上,可采用较大的磨削用 量,能有效防止砂轮堵塞,减少砂轮的修整时间。 3. 3.电火花加工工程陶瓷 在用电火花工艺加工工程陶瓷方面,日本长冈技术科学大学福泽康与丰田工 业大学毛利尚武的研究成果最具有代表性,他们提出了用辅助电极的方法加工绝 缘陶瓷材料。 该方法是利用放置在陶瓷表面的金属辅助电极被击穿放电时的熔化 和碳化等作用,来形成绝缘陶瓷表面的导电层以进行电火花加工的。 此后,他们又 探讨了采用物理蒸汽沉积TiN 来形成绝缘陶瓷表面导电层的电火花加工方法,以 及用廉价的石墨胶体溶液涂敷在工件表面,经过烘干等工序形成辅助电极的方 法。 Apiwat Muttamara 等人用普通电火花成形机和辅助电极电火花加工系统相 结合,以直径45m 铜钨电极在0. 3 mm 厚的Si3N4 陶瓷工件上成功地加工出了 直径55m 的微孔。 4.电解电火花复合加工 绝缘工程陶瓷电解电火花复合加工时,工具电极和辅助电极分别接电源的 负、 正极,工作液为电解液,由电解液的导电作用和电化学反应来形成火花放电的 条件,达到放电蚀除加工的目的。 刘永红等人提出了绝缘陶瓷材料的充气电解电火花复合加工方法,研究结果 表明该加工方法具有生产率高和能耗小等优点。B. Bhattacharyya 等人使用 NaOH 溶液作电解液对高纯Al2O3 的加工试验发现,加工电压越高材料去除速度 越高,但微裂纹和其他缺陷也相应增加;电解液浓度越高材料去除率越高,但过切 现象也越严重。 试验显示能够同时获得较高材料去除率和尺寸精度的加工参数为: 加工电压80 V 左右,电解液是NaOH 质量分数为40 %的溶液。另外,工具电极的尖 端形状也是影响电解电火花复合加工的一个重要因素,端部为锥形尖端形状的电 极要比端部为圆柱形的加工效果好。 5.等离子弧切割 等离子弧切割可加工所有导电材料,生产成本低、切割速度快、生产率高。 对于非金属可以采用非转移型等离子弧进行切割,非转移型等离子弧在切割时阳 极斑点在喷嘴上,大量热能经水冷散失,因此能量利用率低。 由于受弧柱形态及温 度场分布限制,该加工技术很难胜任较大厚度工件的切割。大连理工大学进行了 绝缘陶瓷材料附加阳极等离子弧切割技术的研究工作,其基本原理是在被加工陶 瓷件下方设置一个附加电极,利用阴极与附加电极之间产生的等离子弧进行切割 加工。他们用该方法对6 mm 厚的Al2O3 陶瓷板进行了切割试验,得到了上口宽 5. 0 mm , 下口宽4. 7 mm , 切口角2. 9°的光滑切口。 二、高能束加工在航天材料中的应用世界各工业发达国家把高能束流誉为“21 世纪加工技术”，它是当今科技 与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿领域和重要方向，也是航空工 业必不可少的特种加工技术。 高能束流加工是高能量密度束流实现对材料和构件 加工的新鲜型特种加工方法，可以用于焊接、切割、打孔、喷吐、刻蚀、表面改 性处理。高能束正朝着高精度、大功率、高速度及自动控制与组合化加工方向发 展。 1 激光加工 激光加工就是利用材料在激光照射下瞬时急剧熔化和气化， 并产生强烈的冲 击波，使熔化物包扎爆炸式地喷射和去除来实现加工。激光打孔是最早实用化的 激光加工，加工范围（0.058）mm，主要应用于小孔、窄缝等微细加工，如图2 所示。在飞机机翼上打5 万个直径为0.064mm 的小孔，可以大大减小气流对飞机 的阻力，取得节油40%的良好效果。迄今为止，激光束是发动机冷却孔系加 工的首先工艺；同时欧洲一些国家，利用激光对航天器机身等一些特种材料的焊 接基本取代了传统的焊接工具和方法。 2 电子束加工技术 电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦，形成 高能量密度的极细束流，以及高的速度轰击工件被加工部位，使动能转化为热能 而导致该部位的材料在极短的时间内达到几千摄氏度以上的高温， 从而引起该处 材料的熔化或蒸发。其中电子束焊枪可用于航天发动机涡轮泵、活门等系统采用 由薄壁膜片（最薄厚度为0.01mm）焊接而成膜片组，最后焊接成的有静密封 环组成以及薄壁多层波纹管与圆盘、壳体焊接组成的波纹管组件。这些组件都是 发动机的关键件，结构特殊且均为薄壁件焊接，焊后尺寸要求高。普通焊接法热 输入大，变形大，同时受结构的限制难以加工，而电子束焊接正好发挥了这一方 面的优势，使焊接质量满足了设计技术要求。同时电子束还可钻制深径比为20： 1 的微孔，钻空还可是斜空和弯孔。 3 磨粒流加工 磨粒流加工（Abrasive Flow Machining，简称AFM）是通过磨料流运动且无 研具约束，因而能根据与工件的接触情况自动地调整吃刀量（切削深度），并使 磨粒切削方位随机变换易于保持磨粒的锐利性， 从而实现微量切削形成高质量的 加工表面。该工艺在美国及其他国家的航天领域应用较为普遍，解决了精密复杂 零件主要采用的技术有超声振动磨粒流加工、磁磨粒流加工等。根据国内外磨粒 流加工现状，西南科技大学联合中国燃气涡轮研究院， 在国家高技术研究发展 计划的支持下， 课题编号2002AA421220，利用振动原理共同研制了三维振动强 化抛光装置，实现对异型曲面的高效、低成本强化抛光加工。 三维振动强化抛光装置，工作原理是通过电激振振动台，使零件与强化抛光 磨流介质之间产生碰撞、摩擦，彻底改变零件微观不平度，且形成稳定的残余应 力，可部分或完全消除结构应力集中，达到提高零件的抗疲劳强度、抗裂性、硬 度，从而提高工件使用寿命振动强化抛光加工。在实际使用中出现的低效率、低 寿命、低抗疲劳强度等关键技术。结束语 绝缘工程陶瓷因其独特的力学、化学、声学和电学等性能, 在现代工业中得 到了日益广泛的应用,同时对其制品的加工精度和表面质量的要求也越来越高。 采用单独的机械加工方法或单一的特种加工方法,都难以圆满实现其加工要求, 这就要求人们在对绝缘工程陶瓷材料的机械磨削、激光加工、超声加工和电火花 加工的加工工艺、加工机理进行研究的同时,更多地注重于研究开发复合加工技 术,尤其是电火花、电化学等和机械磨削相复合的加工技术的研究开发工作。 特种加工技术伴随着我国航天的发展而逐步壮大，起到的作用有目共睹，由 于特种加工技术具有其它常规加工技术无法比拟的优点， 已成为航天制造技术的 重要支撑和关键技术。为了保证航天技术的可靠性，进一步掌握特种加工的加工 规律，实现零件加工质量的零缺陷十分重要。复合加工技术的研究开发是进一步 扩大特种加工技术在航天技术应用。 2 钛合金使用特种加工方法（1）电化学加工 适用于各种冲、压、锻模及三维成型曲面的加工。电化学加工的特点加工的质量高，无机械切削力，工件表面无残余应力、飞边、毛刺和棱角；一次完成加工，加工的面积大，效率高；对环境有一定的污染。电火花线切割 适用于各种冲模及二维曲面的成型截割。电火花线切割的特点电火花加工是通过工件和工具电极间的放电而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能或被镀覆的特种加工。其中成形加工适用于各种孔、槽 模具，还可刻字、表面强化、涂覆等；切割加工适用于各种冲模、粉末冶金模及 工件，各种样板、磁钢及硅钢片的冲片，钼、钨、半导体或贵重金属。激光加工 精密加工小孔、窄缝及成形切割、刻蚀 激光加工的特点 1）几乎可以加工所有的金属和非金属材料。 2）可进行微细和精密加工：激光能聚焦成极小的光斑，如微细窄缝和微型孔的加工。 3）远离激光器的隔离室或其它地点进行加工：可用反射镜将激光束进行传输。 4）无需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。 5）无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。电子束加工 在各种难加工材料上打微孔、切缝、蚀刻、暴光、焊接电子束加工特点1) 极其微细地聚焦(可达l0.1 m)，进行微细加工。2) 加工材料的范围广。能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。3) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。4) 需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，应用受到一定程度的限制。 离子束加工 对零件表面进行超精密、超微量加工、抛光、蚀刻、搀杂、镀覆离子束加工特点1) 是当前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。2) 在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。3) 是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。水射流切割 在各种难加工材料上打微孔、切缝、蚀刻、暴光、焊接水射流切割特点1）冷态切割，无残留热应力、变形和改性；2）非接触加工，切削力小，无加工应力，加工质量、精度高；3）无刀具加工，加工范围广，适应于所有的材料；4）能进行采用传统加工方法无法加工的对象。5）切口平整，无热变形，无边缘毛刺，切割速度快，效率高，无污染 。扩散和粘结在基体上继续发生随着切削速度的提高，由于基体材料的红硬性、抗热震性不足，前刀面的主、副切削刃附近逐渐出现类似月牙洼磨损的凹形弧面. 简单介绍下特种加工技术特点1.以柔克刚，不受材料硬度限制。特种加工技术不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。 2.用简单运动加工复杂型面。特种加工技术已经成为复杂型面的主要加工手段。只需简单地进给运动即可加工出三维复杂形面的。3.非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。 4.微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。5.可以获得有益的表面质量。由于特种加工过程中不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化以及毛刺等表面缺陷均比机械切削表面小，尺寸稳定性更高。6.两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广应用范围。7.特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。 -