陶瓷基复合材料零部件的复杂曲面加工技术研究.pdf

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文陶瓷基复合材料零部件的复杂曲面加工技术研究姓名：荆君涛申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：赵鸿20090601哈尔滨T 稃大学硕+学位论文摘要陶瓷基复合材料由于其优良的物理力学性能在切削工具、汽车、航空航天及仪器仪表等诸多领域都有广泛的应用前景。但由于陶瓷材料具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等特点，是典型的难加工材料。特别是陶瓷材料复杂曲面的加工是长期以来希望解决、而至今仍未解决好的难题。本文以航天领域广泛应用的陶瓷复合材料透波天线罩，发动机陶瓷关键部件等加工制造技术需求为背景，进行加工机理与工业生产工艺规范的研究。以获得一批达到工程应用的样件和一套陶瓷

2、基复合材料零件加工制造的工艺规程。以压痕断裂力学理论为基础，从微观上分析了工件的裂纹产生、成核、生长直到剥落的整个陶瓷材料去除的过程。阐述了陶瓷基复合材料的切削机理，为硬脆材料的机械加工技术提供了理论依据。采用数学分析计算软件M A T L A B S I M U L I N K，对刀具与工件间作用力及其与刀具振动频率的关系进行了可视化研究，可获得工件加工过程的切削仿真结果。论文针对陶瓷基复合材料复杂曲面零件的多轴数控超声波振动铣削加工技术进行了研究，主要对刀具转速、进给速度、分层厚度、刀具振动频率等参数作正交试验及其数据分析，得到了工艺参数的最优组合，初步形成了陶瓷基复合材料零件加工制造的工

3、艺规程。加工出的整流罩等典型样件的尺寸、位置精度、表面质量均满足设计要求。关键词：S i 0 2 陶瓷基复合材料；正交试验；M A T L A B；数控超声波振动加工；压痕断裂力学；S I M U L I N KA b s t r a c tB e c a u s eo fC M C Ss u p e r i o rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s,i th a se x t e n s i v ep r o m i s i n ga p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d

4、 s，s u c ha sc u t t i n gt o o l s，a u t o m o b i l e，a e r o s p a c ea n da p p a r a t u s B u tc e r a m i c si sc o n s i d e r e dt ob et y p i c a lh a r d-t o m a c h i n em a t e r i a lf o ri t sh i g hh a r d n e s s，b r i t t l e n e s sa n dl o wf r a c t u r et o u g h n e s s E s p

5、e c i a l l yt h ec o n t o u rm a c h i n i n go fc e r a m i c si sad i f f i c u l tp r o b l e mw h i c hi st ob es o l v e df o ral o n gt i m ev e t T h er e s e a r c hp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni n v o l v e ss t u d i e so nm a c h i n i n gm e c h a n i s ma n dt e c

6、 h n o l o g i cc r i t e r i o nf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o n b a s e do nt h em a c h i n i n gt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n to ft h ek e yc e r a m i cp a r t s，o fw a v e t r a n s p a r e n tr a d o m em a d ei nt h eC e r a m i cM a t r i xC o m p o s i t ea n de n g i n

7、 ei nt h ef i e l do fa e r o s p a c e F i n a l l yag r o u po fs a m p l e sa c h i e v i n ge n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n das e to ft e c h n o l o g i cc r i t e r i o nw h i c hp r o v i d e dg u i d e l i n e sf o rm a n u f a c t u r i n gt h eC e r a m i cM a t r i xC o m p

8、o s i t ew e r ep r o v i d e d T h ei n d e n t a t i o nf r a c t u r em e c h a n i c sc e r a m i cm a t e r i a l sa n dt o o l sa tt h em i c r ot h e o r y,t h ef o r c es i t u a t i o nb e t w e e nl e v e la n dt h ea n a l y s i so ft h ew h o l ep r o c e s so fc r a c kg e n e r a t i o

9、 n，n u c l e a t i o n，a n dg r o w t hu n t i lp e e l i n go f fw e r ec o n c l u d e d T h ec u t t i n gn a t u r eo fc e r a m i cm a t r i xc o m p o s it e sw a se x p o u n d e d，w h i c hp r o v i d e dt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rm a c h i n i n gh i g hh a r d n e s s，h i g hb

10、r i t t l e n e s sm a t e r i a l T h ef e a s i b i l i t yo fc e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e ss u r f a c ec o m p l e xm u l t i a x i sC N Cm a c h i n i n go fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n sw a sv a l i d a t e d I no r d e rt os t u d yo p t i m a l l yo nm a c h i n i n gp r

11、 o c e s so fc o m p l e xs u r f a c eo fS i 0 2c e r a m l cm a t r i xc o m p o s i t eo fS i0 2f i b e rt o u g h e n i n g，t h ec u t t i n gt o o lr o t a t i o n a ls p e e d，t h ef e e dr a t e，l a m i n a t i o nt h i c k n e s s，t h ec u t t i n gt o o lv i b r a t i o n a lf r e q u e n c

12、 ya n dT e s tD a t aA n a l y s i sa n do r t h o g o n a lt e s tw e r ec a r r i e do na n do b t a i n e dt h em o s ts u p e r i o rp a r a m e t e rc o m b i n a t i o nf i n a l lv T h ec o w l i n g sa n dS Oo nw h i c hw a st h et y p i c a ls a m p l ew o r kp i e c e s哈尔滨T 程大学硕十学位论文d e v

13、e l o p e db yT o p i c-b a s e dg r o u pm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t st h r o u g ht h es i z e，t h ep o s i t i o np r e c i s i o n，s u r f a c eq u a l i t y Se x a m i n a t i o n T h ev i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ho fi n t e r p l a n t i n ge f f o r tb e t w e e nc u

14、 t t i n gt o o la n dw o r kp i e c ea n dc u t t i n gt o o lv i b r a t i o n a lf r e q u e n c yw e r ec a r r i e d0 1 1u s i n gm a t h e m a t i c a la n a l y s i sc o m p u t a t i o ns o f t w a r eM A T L A B SI M U L I N KT h r o u g ht h et o p i cr e s e a r c h，r e m a r k a b l ee n

15、 h a n c e m e n to fp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dw o r kp i e c es u r f a c eq u a l i t yh a sb e e nm a d e，w o r kp i e c ew h i c hc o n f o r m e dt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h et e c h n o l o g i cc r i t e r i o no fi n s t r u c i n gt h es c e n ep r o

16、d u c t i o nw e r ep e r f o r m e d T h et o p i cr e s e a r c hg o a lw a sa c h i e v e d，w h i c hs u p p l i e dag o o db a s ef o rt h ef o l l o w i n gr e l a t e dr e s e a r c hw o r k K e yw o r d s：T h eS i 0 2C e r a m i cM a t r i xC o m p o s i t e；C N Cm a c h i n i n go fu l t r a

17、 s o n i cv i b r a t i o n s；T h ei n d e n t a t i o nf r a c t u r em e c h a n i c s；o r t h o g o n a lt e s t；M A T L A B：S I M U L I N K哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。

18、本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：彝f 愿渝日期：a 川年6 月昭日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文蛔在授予学位后即可口在授予学位1 2

19、 个月后口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：奂易汝日期：抄7 年6 月仔日哈尔滨丁程大学硕士学伊论文第1 章绪论1 1 课题来源及研究的目的和意义本课题来源于总装备部十一五预研项目(项目代号X X X X)。课题的研究目标是：以航天领域广泛应用的陶瓷基复合材料透波天线罩，发动机陶瓷关键部件等加-r$I J 造技术需求为背景，进行加工机理与工业生产工艺规范的研究。最终提供一批达到工程应用的样件和一套能够指导陶瓷基复合材料加工制造的工艺规程。进入2 1 世纪后，在医疗器材、航空航天工业，光学行业、汽车工业以及其他的一些领域内，对高硬度、耐高温零件的需求正在日益增加

20、，而陶瓷、玻璃和硬质合金等“先进材料 的普及可以很好的满足这种需求。但是，一方面，这些材料有着极为优异的特性(诸如：重量轻，抗腐蚀，耐高温，抗磨损等)；而另一方面，由于这些材料的高硬度和脆性，使用传统的加工方式对其进行加工，几乎是不可能的，或者是非常昂贵的。目前，难加工材料的切削加工技术已引起国内外普遍关注，各国机械行业正在纷纷开发新型刀具材料，改进加工设备，研究新的加工技术，以提高切削加工效率和加工精度。本课题的研究具有以下几方面的实际意义。1 1 1 陶瓷基复合材料在航空发动机领域的意义随着现代科学技术的发展陶瓷基复合材料由于具有低密度、耐热、耐磨、耐腐蚀等特性，目前己在空间技术(如洲际导

21、弹的端头、回收人造卫星的前缘、火箭尾喷管喉衬、航天飞机隔热层等)、能源工程(如各种热机中的隔热、耐热、耐磨部件等)、机械工程(如密封件、刀具、轴承、模具等)、汽车工业(如陶瓷燃气轮机，部分稳定氧化锆气缸套、喷油器连杆等发动机部件等)、石油、化工、冶金、纺织工业(如耐腐蚀件、耐磨件、阀门、坩埚等)以及生物医学工程(如玻璃陶瓷等)等领域得到广泛应用，己成为现代工业、国防和宇航等高技术领域中不可缺少的新型材料【l 五】。据预测，工程陶瓷年销售额将以1 2 以上的速度哈尔滨1 二稃大学硕十学位论文递增L 3 。应用陶瓷材料或陶瓷基复合材料来提高发动机的工作性能，己成为一个世界性的研究课题。从上世纪七十

22、年代开始，美、德、日等发达国家开始对陶瓷燃气轮机(C R T)进行研究和开发，并制定了一系列长远的发展规划。在这种燃机中，燃烧室衬套、燃气发生器涡轮、动力涡轮、导向器、涡管、叶冠、过渡管道、换热器、过滤器等零部件均可采用陶瓷材料或陶瓷基复合材料(C M C)，可大大提高发动机的推重比，减少对环境的污染【4 。考虑到C R T 可以用于汽车发动机和航空航天发动机等，因此本课题的研究以航天工业应用为背景探索陶瓷加工制造技术具有很高的民用和军事研究价值。1 1 2 提高陶瓷材料零部件 j n-r 技术的意义陶瓷基复合材料以其优异的机械性能被广泛应用于航空航天领域。这些零部件结构复杂、多为复杂曲面类产

23、品，且对飞行性能影响大、设计、生产周期长，加工工作量约占整台发动机6 5 以上。从技术要求的特殊性来说，天线罩、弹用发动机关键零部件有其自身的显著特点，外形尺寸小、结构紧凑等特点，同时为提高整体性能指标，满足高速飞行快速反应的要求，这些关键零部件多采用耐高温抗氧化材料的整体式结构。对于陶瓷基复合材料，通常仍然通过陶瓷粉末压制、烧结成形等方法成型。然而，经压制成型、烧结等工序制成的陶瓷制品表面边缘区域一般存在缺陷，如不去除会降低零件的强度。另外，陶瓷材料制品还存在高达2 0 左右的收缩率，往往难于保证预定的尺寸要求【4 J。由于不可避免的毛坯烧结收缩量以及作为结构部件需具备一定的尺寸、形状精度和

24、表面质量要求，陶瓷零件尤其是旋转件、滑动件和配合件，都需要经过机械加工。由于陶瓷材料同时具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等特点，使得其加工、特别是成形加工，至今仍非常困难。在陶瓷材料加工中，使用金刚石工具的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的8 0 E 1 2。3 1。而陶瓷材料磨削加工不仅效率低，而且在加工中很容易产生变形层、表面亚表面微裂纹、材料粉末化、模糊表面、相变区域、残余应力等缺陷 1 3-1 4】，这对于航空、航天、电子等高可靠性、高质量要求2哈尔滨T 稗大学硕十学佗论文的产品是决不允许的。陶瓷精密元件的加工费用一般占总成本的3 0 6 0，有的甚至高达9 0 t 1

25、 2 J5 1。因此，本课题通过新的陶瓷加工制造技术的探索，能够很好的提高产品制造精度和降低生产成本。1 1 3 陶瓷基复合材料加工的应用传统的加工方式，比如使用金刚石砂轮磨削，或在加工中心用刀具磨削，刀具和工件之间的加工作用力和热负荷很大，容易造成刀具的破损和工件表面质量的锐变，因而工件废品率高，刀具磨损快，使用成本很高，并且无法实现复杂型面的制造。为了推动工程陶瓷材料的普及和应用，人们一直在探索寻求高质量、高精度、高效率的加工方法。在过去几年里，超声振动加工作为陶瓷材料的一种重要加工方法引起了研究人员的广泛关注。在先进陶瓷加工技术中，超声振动力n-r-技术被认为是仅次于磨削加工技术的最常用

26、的陶瓷基复合材料的加工技术【l 引。超声振动加工是把超声加工和磨削加工相复合，能够提高加工效率和加工质量，在加工过程中无表面损伤和残余应力，因而非常适合陶瓷类脆性材料的加工【16|。目前，超声振动加工技术已经在平面、外圆、内孔这样一些简单形状的加工中得到应用，取得显著技术经济效果。但是，对于复杂型面的工程陶瓷构件，如陶瓷燃气轮机(C R T)上的涡轮、叶冠等，通常仍然采用陶瓷粉末压制、烧结成形的方法；而对于那些高精度、高表面质量要求的型面，则需要在烧结成形后采取专用的成型工具拷贝式超声加工，或者机械研磨抛光。但是这两种方法的加工成本都较高。随着计算机控制技术的发展和应用，以及超声加工机理研究的

27、深入和工艺规律的掌握，近几年来，超声加工技术的研究又有重大进展。其特征表现为：(1)与计算机数控技术相结合，开始以简单形状工具取代成型工具进行数控仿形超声振动加工的试验研究并取得阶段性成果：(2)采用合适的加工参数在超声加工脆性材料时，发现材料去除模式中除了脆性断裂，还存在着塑性流动，并且在超声加工中可以大大提高脆性向塑性转变时的临界切削深度，由此可见，在保证表面质量和加工精度的条件下超声振动加工能极大地提高加工工作效率。哈尔滨 二程大学硕十学位论文本文将探索新的复杂型面超声振动加工方法，结合数控加工技术，进行自适应控制的超声波加工，利用金刚石刀具的母线切削刃相对于被加工零件运动，由刀具母线运

28、动所形成的包络面来形成给定的曲面。从理论上看，这项技术以简单形状的刀具进行数控包络运动，能实现各类复杂型面、型腔、成型沟槽等的精密加工。本课题针对对陶瓷材料复杂型面超声振动加工技术的研究，能够更加有效的控制陶瓷复合材料零件的加工质量，将会推动陶瓷材料在新型发动机上的应用，进一步扩展陶瓷材料的应用领域。1 2 陶瓷基复合材料加工制造技术发展综述由于工程陶瓷材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是曲面和成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对脆硬材料加工方法的研究，其中以曲面磨削，激光加工和超声加工等复合制造技术为主。1 2 1 机械加工机械加工是陶瓷材料

29、的传统加工技术，也是应用范围最广的加工方法。机械加工主要是指对陶瓷材料进行简单的车削、磨削、钻孔等。其工艺简单，加工效率高，但由于陶瓷材料的高硬、高脆性，机械加工难以加工形状复杂、尺寸精度高、表面粗糙度低、高可靠性的工程陶瓷部件。1 陶瓷材料的切削加工切削加工是利用金刚石、立方氮化硼、硬质合金钢等超硬刀具对陶瓷材料进行车削加工，通常采用湿法切削，即不间断向刀具喷射切削液。切削液的主要目的是带走切削碎屑、减少刀具与材料的摩擦，降低刀具和加工材料的温度，延长刀具使用寿命、减少材料表面损伤等。在车削加工过程中，材料表面受到机械应力作用，容易在材料表面产生凹坑、崩口、表面及表下层微裂纹。所以刀具、切削

30、液的选择，刀具切削进给速度、进给量等工艺参数的优化，是陶瓷材料切削加工的研究热点问题。4哈尔滨T 程大学硕士学伊论文2 陶瓷材料的磨削、抛光加工陶瓷烧结体或切削表面，由于在成型、烧结以及加工过程中引入大量凹痕、微裂纹等缺陷，在工程使用及力学性能测试之前通常需经过磨削、研磨和抛光处理。这3 个过程的加工精度以抛光处理精度最高。加工机理都是通过磨料与陶瓷元件在一定压力作用下，随着磨料与材料表面的相互运动，磨料颗粒与元件表面凹凸峰相互摩擦以实现材料表面的平整性。磨料、磨削液的选择，作用压力和相互滑移速度的控制是该加工方法的关键。3 陶瓷材料的钻孔加工陶瓷发动机、航天航空、化工机械等工程领域，通常需要

31、对材料进行孔洞等钻削加工。尤其带有螺纹的孔洞的加工是陶瓷材料加工工艺要求极高的工艺过程。目前机械钻削方法只能加工数毫米的陶瓷孔洞。微小孔洞的加工需要超声、激光、放电加工以及机械加工等加工技术的复合加工。1 2 2 放电加工放电加工(E D M)是一种无接触式精细热加工技术，当单相或陶瓷N 瓷、陶瓷金属复合材料的电阻小于1 0 0 f l m 时，陶瓷材料可以进行放电加工。首先将形模(刻丝)和加工元件分别作为电路的阴、阳极，液态绝缘电介质将两极分开，通过悬浮于电介质中的高能等离子体的刻蚀作用，表层材料发生熔化、蒸发或热剥离而达到加工材料的目的。由于加工过程模具未与工件直接接触，故无机械应力作用于

32、材料表面，因此放电加工是理想的加工高脆、超硬陶瓷材料的方法。J C Q u i n l a n 实验表明：陶瓷元件加工后表面粗糙度可控制在R 0 3 肛m。放电加工包括2 种类型：刻模加工(D i e s i n k i n gE D M)和线切割加工(W i r e c u t t i n gE D M)。刻模加工的模具材料一般为铜、钢、优质合金和专用石墨，绝缘电介质为煤油和大分子量的碳氢化合物。基本原理如图1 1，该方法可对陶瓷材料进行螺纹加工和钻孔加工。哈尔滨T 稗大学硕十学位论文A 放电加工蘸B 教电揶工厨图1 1 刻模加工示意图放电加工是制备高尺寸精度、低表面粗糙度、复杂形状高性能陶

33、瓷元件很有应用前景的加工技术，深入研究放电加工工艺控制步骤，设计和制备导电性能和力学性能俱佳的复相陶瓷材料是该方法未来发展的关键。1 2 3 工程陶瓷在线电解修整砂轮磨削E L I D 精密磨削技术一金属基超硬磨料砂轮在线电解修整(E l e c t r o l y t i cI n P r o c e s sD r e s s i n g，简称E L I D)磨削技术是国外近年发展起来的一种适应于工程陶瓷等硬脆材料的精密和超精密加工新技术。在对硬脆陶瓷进行磨削时，砂轮将因磨损和堵塞而很快钝化，这将增加脆性断裂比例。为了使砂轮在磨削全过程保持锋利，必须对砂轮进行在线修整。应用E L I D 磨

34、削技术，可对工程陶瓷等硬脆材料实现高效率磨削和精密镜面磨削。在E L I D 磨削技术出现的短短几年里，就以其显著的特点在机械、电子、光学等行业的精密和超精密加工技术领域受到重视和应用，E L I D 技术的发展，在国外成功地带动了一批新产品、新设备的开发。E L I D 磨削技术在国内的研究和应用已具备一定的基础，已有越来越多的专家学者认识到这项技术的重要性。E L I D 磨削利用电解的原理使金属基砂轮在磨削过程中，利用电解过程中阳极溶解效应，对砂轮表面金属基体进行电解去除(见图1 2)，使己磨损的金刚石脱落，露出新的锋利的金刚石磨粒，因此砂轮始终处于锋利状态。电解过程中，被电解的铸铁表面

35、逐渐形成一层近于绝缘的6哈尔滨工程大学硕士学位论文钝化膜，此膜厚度对导电率有直接影响，并可抑制砂轮过度电解。随着磨削进行，磨粒逐渐磨损，刃尖高度降低，由于工件材料的刮擦作用使钝化膜变薄，导电性恢复，金属基体电解作用加快而金刚石颗粒凸出高度增加(见图i3)。这种非线性电解作用，使修整过程对磨削过程有一定的自适应能力。图l2EL I D 磨削原理Y；形形砂蛇月姑嘉i电孵皓整彩形黾鹩长釜Y,4 一一m g表面生成件化嘛工：蓬哥髟4粤跨自饨也藉图l3 砂轮在线电解修整过程示意图国内外研究结果表明，E L I D 磨削过程中磨削力明显小于普通磨削(为普通磨削l，5 1 1 2)，因为砂轮保持在良好的修整

36、状态。由于磨轮表面绝缘层处于形成、破裂循环之中，导致磨削力周期变化，提高脉冲电源占空比可以提高磨削力的稳定性和降低表面粗糙度，但是增加了砂轮磨损率。E L I D 磨削应使用弱电解质水溶液，既具有电解性能又可做为磨削液，且对机床无腐蚀性。金属结合荆也会影响E L I D 磨削过程中的哈尔滨T 程大学硕十学伊论文适应性、磨削效率和表面质量，铸铁基砂轮磨削效果及稳定性好，且砂轮寿命高。1 2 4 激光加工激光加工是利用高能量密度(1 0 8 1 0 加w c m 2)的均匀激光束作为热源，在加工陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或汽化而去除材料。激光加工是一种无接触、无摩擦式加工技术，加工

37、过程中不需模具，通过控制激光束在陶瓷材料表面的聚焦位置，实现三维复杂形状材料的加工。一般激光钻孔和切割所需激光功率为1 5 0 w 1 5 k W。但同放电加工一样，由于陶瓷材料热导率低，高能束可能会在材料表面产生热应力集中，形成微裂纹、大的碎屑、甚至材料断裂。1 2 5 陶瓷材料的复合加工针对不同陶瓷材料及陶瓷材料的不同热力学、物化性能，传统机械加工技术不断完善，同时新型加工技术层出不穷。传统加工技术效率高、尺寸精度低、表面光洁度差，各种新型电、热、化学、激光等加工技术适合加工精度要求高、形状复杂同时具有特定性能(导电性、化学特性等)的陶瓷材料，但同时具有加工效率低、要求加工形状尺寸小等条件

38、。近年来，各种复合加工技术在工程领域得到广泛重视和应用。各种复合加工技术包括：化学机械加工、电解磨削、超声机械磨削、电火花磨削、超声电火花复合加工、电解电火花复合加工、电解电火花机械磨削复合加工等。工程实践表明：复合加工技术可提高材料的加工效率和改善加工后材料的表面质量，是陶瓷材料加工技术发展的趋势之一。1 3 超声波加工技术研究概况1 9 2 7 年，美国物理学家伍德和卢米斯最早做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用在工业上。l9 51 年，美国的科恩制成了第一台实用的超声打孔机，并引起广泛关注，为超声加工技术的发展奠定了基础。二十世纪六十年代，英国提

39、出使用烧结或电镀金刚石工具的超声旋转加工的方法，克服了一般超声哈尔滨T 稃大学硕七学伊论文加工深孔时加工速度低和精度差的缺点，取得了较好的效果，目前也得到了广泛的应用。1 9 6 6 年，英国H a r w e l l 国家原子能权威机构，在耐火材料成型的陶瓷上钻1 0 1 6 m m-2 5 4 m m 的孔。19 7 0 年，T y r r e l lW R R o t a r yU l t r a s o n i cM a c h i n i n g S M ET e c h n i c a lP a p e r，M R 7 0 516。使用超声振动，需要的加工压力小于无超声加工时的压力

40、。金刚石空心钻，两个1 0 m m 小孔，深6 3 5 m m，孔距O 5 m m，用时1 4 m i n。二十世纪五、六十年代，前苏联已经发表了很多有关超声波加工的论文。在超声钻孔等方面均有生产应用。八十年代末，前苏联已经生产系列超声振动钻削装置。1 9 9 5 年，日本工业大学系统工程学科，铃木清教授，提出开发旋转超声波机床附件的想法，并已开发出样品。日本N D K 公司开发出一系列旋转超声加工专用机床。其中部分机床安装了油压力平衡系统，可以实现1o o 克力的控制。进入2 1 世纪后，德国D M G 公司生产出旋转超声加工机床。开发出旋转超声专用磨头附件，机床采用智能控制算法A D C

41、自适应控制和A C C A c o u s t i c 控制以及A P C 压力自动控制，可以在无人值守的条件下完成加工。2 0 世纪5 0 年代，我国开始从事超声加工技术的研究。1 9 5 6 年，国家制定科学技术远景规划。19 5 9 年7 月召开中国科学院超声学术会议。1 9 6 5 年，中国电子学会和陕西省物理学会主办了1 9 6 5 年全国超声加工与处理专业会议。1 9 7 7 年1 1 月，中国科学院召开全国功率超声技术交流座谈会。19 8 1 年8 月，华北光电技术研究所，十一所，范国良等，提出细长杆等截面工具杆(工具截面直径比变幅杆输出端直径小于O 3时)，工具杆和系统的耦合很

42、弱，可以完全独立振动。19 8 4 年，机电部第十研究所范国良、张维贤等人与国营建昌机械厂合作研制成功T 3 0 3 03 Z V 型超声旋转加工样机，7-一2 2 k h z，4 0 0 W。1 9 9 3 年，重庆大学，张剑芳等，非金属硬脆材料超声加工技术研究，液体浮力加载工作台。1 9 9 4 年，哈工大张其馨等，便携式旋转超声振动钻，发明专利，碳纤维复合材料钻孔，7 0 0 r p m，2 3 6 k H Z，1 5L L m，硬质合金钻头。2 0 0 0 年以来，清华大学已经开发了以工控P C 为硬件基础的完全数控化的旋转9哈尔滨工稃大学硕十学伊论文超声加工机床。2 0 0 4 年，

43、天津大学研发成功可在多种普通机床上使用的超声旋转加工头，实现了超声旋转加工头的机床附件化。1 4 陶瓷基复合材料加工技术存在的问题及其发展趋势1 4 1 陶瓷基复合材料加工制造技术存在的问题当采用脆硬材料的玻璃、陶瓷、硬质合金材料时，加工的效率是个问题。因为这些材料大都是非导体，不是电加工技术的对象。同样，激光加工技术，由于加工过程的基础是利用热能去除材料。因而，不能排除材料有热损伤和微细龟裂，这也是个大问题。在以往切削方法中，要经过长时间作业，才能勉强满足加工要求。在这种情况下，不仅刀具磨损大，表面质量也不理想。德国S t i p s h a u s e n 的H e r m a n nS

44、a u e r 公司开发了全新的超声旋转加工技术，在加工硬脆性材料时，切削效率为原先方法的5 倍。1 4 2 陶瓷基复合材料加工制造技术的发展趋势英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。近年来在美国与之相关的研究计划有I H P T E T(高综合性能涡轮发动机技术)、C S G T(陶瓷固定式燃气轮机)、A T T A P C T E D P(先进涡轮技术应用计划陶瓷涡轮发动机示范项目)等。参与项目的有

45、索拉透平公司(S o l a rT u r b i n e sI n c)、联信发动机公司(A l l i e dS i g n a lE n g i n e s)等名企，也有代顿大学(U n i v e r s i t yo fD a y t o n)等高校研究机构，其研究得到美国能源部(D O E)和国家航空航天局(N A S A)等政府部门的资助。由美国国家研究委员会、工程技术委员会、国家航空航天局和航空技术委员会撰写的“2 l 世纪的航空技术”报告中明确指出：“N A S A 发动机材料研究的长远规划中最优先发展的应该是包括其加工技术在内的陶瓷基复合材料。在材料与结构学科中，陶瓷基复合

46、材料属于最高风险性研究之一。然而这些材料在高温应用中所获得的潜在效益之高，如在无1 0啥尔滨工程大学硕士学位论文冷却发动机部件中的应用表明把它列为重点研究计划是正确的。无论是陶瓷基体还是陶瓷纤维技术的研究均应继续进行，并应侧重于制造技术的改进。”在日本，有由M I T I(M i n i s t r yo f I n t e r n a t i o n a l T r a d ea n d I n d u s t r y)资助的1 0 0 k W 汽车陶瓷燃气涡轮计划(1 9 9 0 1 9 9 7)p J 和C G T R&G(陶瓷燃气涡轮研发)计划(1 9 8 8 1 9 9 9)【”1

47、等，参与企业有J I 崎重工工业株式会社、京瓷公司、住友精密工业株式会社等。当前各主要军事强国都在着力研究采用陶瓷材料来提高发动机零部件的工作性能，并且业已取得了长足的进展其应用实例包括：美国S o l a r 轮机公司在美国能源部的资助下进行了陶瓷固定式燃气轮机的研发，开发的陶瓷涡轮的叶片(如图1 4 所示)可以改善工业用涡轮机的性能”，。图1 4 陶瓷涡轮叶片美国联信发动机公司研制的用于3 3 1 2 0 0(C T)发动机的陶瓷涡轮叶片是由N T l 5 4 S i 3 N 4 材料在美国N o r t o n 高级陶瓷公司用加压的粉浆浇注法成型的，叶片被铸造成近于无余量，只有燕尾接头和

48、叶尖才需最后研磨，如图1 5 所示【”。，蒡 o蠢-图153 3 1 2 0 0(C T)规划陶瓷叶片连接件系统。上盏鎏士：蓄譬鎏：鲨兰銮图16C G T 3 0 2 上所使用的全部陶瓷零件日本川崎重工研制的C G T 3 0 2 型陶瓷发动机“，热效率高达4 2，输出功率高达3 1 1 6 k W；当涡轮进口温度为1 3 5 0 C 时尾气N O x 排放量仅为3 17 p p m；在涡轮进口温度超过1 2 0 0 C 的条件下发动机运转超过2 1 1 7小时。这种陶瓷发动机不但可以使用汽油和柴油，而且还可以使用甲醇和煤油。其研制的C G T 3 0 2 发动机上所使用的陶瓷零件如图1 6

49、所示。俄罗斯在工程陶瓷材料的研制和使用方面也取得了巨大的成就，在陶瓷材料的机械制造技术上也取得了很大的进展。图17 为俄罗斯制造的A 1 2 0 3 和S i C 叶轮。图17 俄罗斯制造的陶瓷叶轮我国高性能陶瓷及其应用国家重点攻关计划从“七五”开始，高温结构陶瓷在发动机上的应用一直是攻关的重要内容。自2 0 世纪9 0 年代以来，出现了一批具有较高科技含量、且有一定发展前景的陶瓷加工新技术，主要包括l I】：1 弹性发射加工技术利用极微小磨力，以接近水平的方向和加工表面碰撞，以原子级加工单位去除材料。由于工件表面宏观上不受机械作用，因此可得到无损伤表面，当使用聚氨基甲酸脂球为工具时，采用Z

50、r 0 2 粉末加工单晶硅，哈尔滨T 程大学硕十学位论文表面粗糙度可达5 A。2 液体浮动研磨与抛光技术采用抛光盘沿圆周均匀布多个斜面槽，通过圆盘转动，由液体契形成液体动压使工件悬浮，处于浮动间隙中的研磨抛光粉对工件进行抛光，抛光硬脆材料时可得到平面度0 3 肛m 7 6 m m，表面粗糙度R a-l n m。3 界面反映抛光技术当工件与磨粒摩擦界面处于高温高压状态时，工件表面上容易形成一层化合物，在表层深度极浅的反应物很容易通过研抛而去除。我国浙江工业大学袁巨龙教授作了系统的研究工作，提出了一些创新性理论，促进了研磨抛光技术的发展。4 机械化学固相反应抛光与水合反映抛光安水畅男等研究了以A