难加工材料加工技术.docx

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1、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、银、钻 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

2、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

3、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 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

4、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1o所以，脆性可加工性极差。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

5、效率的要求。超精密加工，主要包括超精密切削（车、铳）、 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2o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

6、）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

7、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4o1.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QC02 ,冲激光器对 Si3N4陶瓷切割试验表明,在高峰值能量(Nl5kW)、短脉冲宽度(1

8、|is)、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 50 Tsai Chwan2Huei等人提出了基于裂纹加工单元的激光铳削方法，他们采用CO2和 Nd : YAG激光器对AI2O3陶瓷进行了基于裂纹加工单元的激光铳削加工，并在AI2O3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铳削所需要的功率

9、 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 的激光铳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A力03、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

10、 术进行了研究，建立了激光辅助切削 ZrO2、Si3N4等陶瓷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AI2O3、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

11、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 apmax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 究人员对单晶楮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

12、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，AI2O3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

13、 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2M 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的高精表面。使用青铜基砂轮对陶瓷材料

14、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Ra0.012Mmo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

15、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

16、）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Tetraform - 1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：可采用相对较大的切深（大至10|Lim）进行加工；（2）表面几何形状精度高，试件周围几