难加工材料加工技术.doc

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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） ，V200m/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

9、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220 mm/ s

10、) 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

11、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

12、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,

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、，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

21、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

22、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

23、 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)

24、 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

25、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

26、. 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。 -