難加工材料加工技術(shù)

1、針對(duì)難加工材料和加工方法的總結(jié)難加工材料的種類很多， 從金屬到非金屬范圍很廣。 從切削加工角度， 初步可分為如下幾類：1.高強(qiáng)韌類難加工材料這類材料主要包括超高強(qiáng)度鋼、鈦合金、高溫合金等， 其特點(diǎn)主要包括塑性高、韌性好、強(qiáng)度高、強(qiáng)化系數(shù)高、導(dǎo)熱系數(shù)低。在切削加工中，由于高強(qiáng)韌類難加工材料的強(qiáng)度高，切削時(shí)的切削力大，不但刀具易磨損，而且切屑不易處理。同時(shí)，這類材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，造成切削過程中切削溫度高，刀具易產(chǎn)生磨料磨損、粘結(jié)磨損、 擴(kuò)散磨損和氧化磨損。此外，切削加工時(shí)的切削表面和已加工表面硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)鈦、鎳、鈷及其他合金，這類材料化學(xué)活性大、親和性強(qiáng)，切削加工時(shí)易黏結(jié)在刀具上，與刀具材料

2、產(chǎn)生化學(xué)、物理作用，元素相互擴(kuò)散。鈦合金廣泛應(yīng)用到汽車、化工、體育、醫(yī)學(xué)、建筑、礦山、航空航天和軍事裝備中。超高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、 飛機(jī)起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域， 而且其使用范圍正在不斷地?cái)U(kuò)大到建筑、機(jī)械制造、 車輛和其它軍用及民用裝 備。高溫合金廣泛應(yīng)用到航空航天、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、 汽車、化工設(shè)備、 船舶、原子能等。2.高硬脆類難加工材料這類材料主要包括光學(xué)玻璃、硅片、陶瓷等。 特點(diǎn)主要在于硬度高、脆性大， 其加工機(jī)制與高強(qiáng)韌類金屬材料有顯著差別。這些材料由于耐磨性很好，切削時(shí)起磨料作用，故刀具主要承受磨料磨損，高速切削時(shí)也同時(shí)伴隨著物理、化學(xué)磨損。此外，被加工表面

3、易產(chǎn)生裂紋以及邊緣破損.這些缺陷將顯著降低零件的強(qiáng)度及使用壽命。主要應(yīng)用于主要應(yīng)用于照相器材、儀器儀表、光學(xué)儀器、醫(yī)療儀器，教學(xué)儀器、幻燈機(jī)、投影儀、紫外分析儀、金融機(jī)具、機(jī)場燈具，軍工，科研院校、公安等。硅片到應(yīng)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、和太陽能等。陶瓷廣泛應(yīng)用到電子、信息、航天、能源、軍事和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。3.兼具高強(qiáng)韌和高硬脆類難加工材料這類材料主要包括金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。其特點(diǎn)主要包括具有高比強(qiáng)度、比模量，良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐磨性、高溫性能，低的線膨脹系數(shù)， 高的尺寸穩(wěn)定性等。 在復(fù)合材料的高效機(jī)械加工中會(huì)出現(xiàn)一些常規(guī)材料所沒有的問題，如增強(qiáng)相硬且脆 (或堅(jiān)韌 )，使刀具磨損大；

4、某些基體材料韌且不導(dǎo)熱，加工時(shí)產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，鉆刀具； 層壓復(fù)合材料在加工時(shí)極易分層等。根據(jù)這些特點(diǎn)，加工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的措施， 如選擇合適的刀具和合理的加工余量， 制定專門的加工工藝， 采取適當(dāng)?shù)募庸櫥屠鋮s措施。并設(shè)計(jì)專用的加工夾具以保證加工質(zhì)量。對(duì)以上難加工材料還是主要用機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn)，下面詳細(xì)介紹加工方法，實(shí)現(xiàn)難加工材料的有效加工， 1. 關(guān)鍵在于優(yōu)選刀具材料：高性能高速鋼、 新型硬質(zhì)合金、 涂層刀具、 陶瓷刀具、CBN刀具和金剛石刀具；2. 選擇合適的刀具幾何參數(shù)；3. 采用適當(dāng)?shù)睦鋮s潤滑條件；4. 采用優(yōu)化的加工參數(shù)。高速鋼 High speed steel：高速鋼可以鍛造，淬

5、火前可以切削加工，強(qiáng)度高，所以廣泛用于齒輪刀具、螺紋刀具、拉刀等復(fù)雜刀具。高性能高速鋼：增加V、 Co、Al 、稀土等元素，提高高速鋼的性能。高速鋼 M42：是當(dāng)前航空航天生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的高性能高速鋼，1/11Al 高速鋼 501：在加工高強(qiáng)度鋼等難加工材料時(shí)也具有良好的性能。粉末冶金高速鋼：粉末冶金高速鋼無碳化物偏析，晶粒粉細(xì)小均勻，雜質(zhì)含量少，抗彎強(qiáng)度比冶煉高速鋼提高2倍以上， 在 600時(shí)的高溫硬度高出2 3HRC，刀具壽命提高0.5 2倍。進(jìn)口牌號(hào) ASP2060、 ASP2080 ，國產(chǎn)牌號(hào) M42-P硬質(zhì)合金 Cemented carbide：當(dāng)前硬質(zhì)合金刀具材料的進(jìn)展主要體現(xiàn)在

6、以下幾個(gè)方面涂層技術(shù) ：涂層技術(shù)分為化學(xué)氣相涂層（CVD）和物理氣相涂層（PVD）。涂層材料：傳統(tǒng)： 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，軟涂層刀具：MoS2、 WS2。涂層結(jié)構(gòu)：多層沉積、復(fù)合涂層、納米涂層，涂層數(shù)達(dá)2000層，每層厚度為2.5nm。細(xì)化晶粒 ：減小晶粒尺寸可以提高硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、韌性。普通硬質(zhì)合金的晶粒尺寸約 10微米以下，細(xì)晶粒<1微米、超細(xì)晶粒<0.5 微米。梯度材質(zhì) ：采用梯度材質(zhì)可以兼顧硬質(zhì)合

7、金的硬度和韌性。梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金具有特殊的結(jié)構(gòu)或成分梯度變化， 對(duì)不同的部位賦予不同的性能，使整體制品獲得優(yōu)異的綜合機(jī)械性能。陶瓷刀具 Ceramic高速鋼與硬質(zhì)合金的主要成分鎢、 鈷資源在全球范圍內(nèi)日趨枯竭， 陶瓷刀具材料使用的主要成分鋁、硅、氧、氮等在地殼中含量豐富；分類：氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、氧化鋁氮化硅復(fù)合陶瓷（Sialon ）和晶須增韌陶瓷。優(yōu)點(diǎn)：很高的硬度和耐磨性，硬度達(dá) 93 95HRA，適于加工 50 65HRC的高硬度材料；高溫性能好，在1200 的高溫下仍能進(jìn)行切削； 與金屬的親和力小， 具有良好的抗粘結(jié)性能； 化學(xué)穩(wěn)定性好，擴(kuò)散磨損小，抗氧化能力好；摩擦系數(shù)也低于硬

8、質(zhì)合金。缺點(diǎn)：強(qiáng)度和斷裂韌性較低，脆性較大，導(dǎo)熱性差，抗熱震性不高。發(fā)展和預(yù)測(cè)：提高陶瓷刀具的力學(xué)性能的研究：采熱壓和熱等靜壓工藝，加入各種增韌補(bǔ)強(qiáng)相，如金屬碳化物、氮化物、硼化物、稀土元素及金屬和晶須等。 一些陶瓷刀具的強(qiáng)度和韌性已接近硬質(zhì)合金。陶瓷刀具占刀具市場的份額將增加到 15% 20%，金屬切削加工工業(yè)即將進(jìn)入新的“石器時(shí)代”。超硬刀具：立方氮化硼刀具和金剛石刀具CBN & Diamond立方氮化硼刀具材質(zhì)： 立方氮化硼 (CBN)是氮化硼 (BN) 的同素異構(gòu)體， 其結(jié)構(gòu)、 化學(xué)鍵類型晶格常數(shù)與金剛石相似， 因此具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)度。 PCBN刀具粘結(jié)劑組分包括金屬

9、粘結(jié)劑、 陶瓷粘結(jié)劑和金屬陶瓷組合粘結(jié)劑三大類，CBN含量在 40% 95%之間， CBN晶粒尺寸發(fā)展到微米和亞微米級(jí)。不同的粘結(jié)劑組分、CBN含量和晶粒尺寸適應(yīng)于不同的工件材料和不同的加工條件。性能：硬度：單晶的硬度為8000 9000HV，聚晶燒結(jié)體 PCBN的硬度為3000 5000HV。在切削耐磨材料時(shí)其耐磨性是硬質(zhì)合金刀具的30 50 倍；耐熱性：達(dá)1400 1500，在 800時(shí)的硬度還高于陶瓷和硬質(zhì)合金的常溫硬度；其它：較好的化學(xué)穩(wěn)定性、較好的導(dǎo)熱性和較低的摩擦系數(shù)，用途：硬態(tài)干式切削難加工材料，加工硬度高于50HRC 的材料，實(shí)現(xiàn)高硬度零件的以切代磨加工。金剛石刀具 ：特點(diǎn)：是

10、最硬的刀具 (8000 12000HV)，高的導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)，高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)。用途：加工有色金屬和非金屬材料效果良好。但其主要成分C，在 Fe中有較高的溶解度，所以不能加工鐵族金屬。分類：單晶、聚晶(PCD)、CVD厚膜和 CVD涂層四類單晶金剛石刀具：用單個(gè)金剛石大晶粒做刀具，各向異性，主要用于精密、超精密加工。PCD刀具：將金剛石粉末在高溫高壓下壓制成多晶體壓塊作為刀片，其晶粒呈無序排列，不具方向性。 CVD厚膜金剛石刀具：利用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)沉積厚度達(dá)0.51mm的無襯底的剛2/11石厚層膜，將厚膜切割后釬焊在硬質(zhì)合金基片上作為刀片。同PCD相比，其熱穩(wěn)定性

11、更好，但脆性較高。因?qū)щ娦圆?，不能用電加?EDM)制造成形。 其應(yīng)用領(lǐng)域與PCD相近，由于其高純度以及由此帶來的耐磨性和熱穩(wěn)定性的提高，所以更適應(yīng)于高耐磨工件的加工。CVD涂層金剛石刀具：是在硬質(zhì)合金基體上采用CVD技術(shù)沉積小于 30 m的薄膜。目前 CVD涂層金剛石產(chǎn)品的市場還不是很大。鈦合金及其加工技術(shù)刀具材料及使用條件：低速加工：高鈷高速鋼、高釩高速鋼；中速加工：細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，此時(shí)粘接磨損嚴(yán)重，不宜采用含 Ti 刀具，可采用 Al2O3 涂層刀具； 高速加工： 某些牌號(hào)的 CBN刀具；涂層硬質(zhì)合金刀具、基體含鈦硬質(zhì)合金刀具或含鈦涂層硬質(zhì)合金刀具。刀具幾何參數(shù) 由于回彈嚴(yán)重，后角要大，

12、>15°；因后角大，前角不能過大，以保證刃口強(qiáng)度；采用大螺旋角銑刀。切削液含極壓添加劑的油基切削液，但建議不含氯；高壓（100bar ）噴射冷卻液可成倍提高刀具耐用度。注意：低速下 YT14和 TC4 具有更強(qiáng)的粘接傾向，易于發(fā)生粘接磨損， 因而 YT14 的磨損率高于YG8，含鈦刀具不適于加工鈦合金；高速下 YG8和 TC4的高元素差別易于導(dǎo)致擴(kuò)散磨損，因而 YT14的磨損率低于 YG8，含鈦刀具適于加工鈦合金；含鈦刀具不適于加工鈦合金的傳統(tǒng)不全面，需要補(bǔ)充修改。高溫合金及其加工技術(shù)刀具材料及使用條件：拉刀、絲錐等： 鈷高速鋼 （ M42） ， V=10m/min ；超細(xì)晶粒

13、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金：V=3070m/min，硬度增高速度降低；Si3N4 陶瓷， Sialon 陶瓷、 Al2O3+TiC復(fù)合陶瓷、 SiC晶須增韌 Al2O3陶瓷（肯納 KY4300） ，V>200m/min；（低速時(shí)磨損加?。?，陶瓷刀具用于半精加工；高含量 CBN刀具刀具幾何參數(shù)：車刀前角 <10°，后角 15°左右；銑刀前角10°左右，后角 15°左右，螺旋角30 45°； 陶瓷刀具、 CBN刀具務(wù)必采用負(fù)前角。 切削液： 高速鋼刀具采用水基切削液，以冷卻為主，防止刀具熱塑變形；硬質(zhì)合金刀具采用極化切削油，抑制粘接、擴(kuò)散

14、磨損；陶瓷、 CBN刀具慎用切削液：利用工件熱軟化，使切削容易，刀具韌性差，防止熱疲勞和激冷裂紋。高強(qiáng)度鋼加工技術(shù)刀具材料選擇高速鋼： Co高速鋼、 Al 高速鋼、粉末冶金高速鋼、涂層高速鋼；硬質(zhì)合金：添加鉭、鈮或稀土元素P 類合金、P 類涂層合金及 TiC 基和 Ti(C 、N) 基合金；陶瓷刀具： Al2O3基陶瓷，如 Al2O3+TiC復(fù)合陶瓷 ( Si3N4陶瓷效果不好 ) ； CBN刀具：低含量高強(qiáng)度材質(zhì)。刀具幾何參數(shù)要求刃部強(qiáng)度高，所以硬質(zhì)合金刀前角-2 ° -4 °，陶瓷和 CBN-10°左右；刀尖圓弧半徑：粗加工時(shí) 1 2 mm；精加工時(shí) 0.5

15、0.8mm。切削用量：切削速度是加工45鋼時(shí)的30%左右，強(qiáng)度越高，速度越低；高速鋼<10m/min，硬質(zhì)合金 3080m/min ，陶瓷、 CBN可達(dá)100150m/min以上， 但一般用于小切深精加工。斷屑技術(shù)：選擇合理的斷屑槽或斷屑臺(tái)，以斷屑為目標(biāo)進(jìn)行切削用量優(yōu)化，采用振動(dòng)斷屑等強(qiáng)制斷屑技術(shù)。冷卻潤滑技術(shù)： 在一定切削用量范圍內(nèi)車削高強(qiáng)度鋼時(shí)，干切削可以顯著提高刀具耐用度，其機(jī)理可能是：在一定切削溫度下刀具和工件材料硬度差增大；刀具的磨損以磨料磨損為主時(shí)， 減小潤滑效果使得粘接區(qū)增大、滑動(dòng)區(qū)減小，從而減小磨料磨損。碳纖維復(fù)合材料加工技術(shù)切削加工性特點(diǎn) Machinability o

16、f CFRP碳纖維硬度達(dá) HV600以上，接近高速鋼硬度，對(duì)刀具造成磨料磨損；加工過程沒有強(qiáng)烈塑性變形，切削溫度低，不會(huì)發(fā)生粘接磨損、擴(kuò)散磨損；材質(zhì)各向異性，纖維向強(qiáng)度高，纖維間、層間強(qiáng)度低， 易于發(fā)生撕裂、 分層等特有的加工質(zhì)量問題；切削加工產(chǎn)生大量有害粉塵，需要加以防護(hù)。刀具選擇：高速鋼刀具無法使用，一般采用K類硬質(zhì)合金刀具，最佳刀具是金剛石刀具。 關(guān)鍵：刃口保持鋒利，可切斷纖維，而不是擠斷。 切削用量： 必須高速加工 V =3/116006000 m/min ；關(guān)鍵：控制V/Vf 比值足夠大。 “快刀斬亂麻”快： 1）鋒利， 2）高速。玻璃、硅片、陶瓷加工技術(shù)1) 切削加工陶瓷材料的切削

17、加工不僅適用于半燒結(jié)體陶瓷，也適用于完全燒結(jié)體陶瓷。半燒結(jié)體陶瓷的切削加工是為了盡可能減少完全燒結(jié)體陶瓷的加工余量，從而提高加工效率，降低加工成本。日本的研究人員使用各種刀具 在不同溫度下對(duì)Al2O3 陶瓷和 Si3N4 陶瓷半燒結(jié)體進(jìn)行了切削試驗(yàn)。 試驗(yàn)中根據(jù)不同的加工要求，采用了干式切削與濕式切削等方法，獲得了有價(jià)值的研究成果。國外一些研究者針對(duì)完全燒結(jié)體陶瓷的切削加工進(jìn)行了試驗(yàn)研究。日本的研究人員在使用聚晶 金剛石 刀具對(duì) Al2O3 陶瓷與 Si3N4 陶瓷進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，粗粒聚晶金剛石刀具 在切削過程中磨損較小，加工效果較好；在使用金剛石刀具切削ZrO2 陶瓷時(shí)，達(dá)到了類似于切削

18、金屬時(shí)的效果。他們還探討了陶瓷塑性切削極限問題，指出當(dāng) Al2O3 陶瓷的臨界切削深度 apmax 2m 時(shí)， SiC 陶瓷的 apmax 1m ，Si3N4 陶瓷的 apmax 4 m( ap apmax時(shí)，陶瓷材料會(huì)產(chǎn)生脆性破壞；ap apmax時(shí)，則為塑性流動(dòng)式切削)。美國的研究人員對(duì)單晶 鍺進(jìn)行了一系列金剛石車削試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了脆性材料的塑性超精密車削，并提出了臨界切削厚度的計(jì)算公式。用金剛石刀具切削脆性材料并獲得高質(zhì)量的加工表面是近十幾年來發(fā)展起來的新技術(shù)，通常稱為脆性材料的超精密車削加工。2) 研磨、拋光加工研磨、拋光加工是采用游離磨料對(duì)被加工表面材料產(chǎn)生微細(xì)去除作用以達(dá)到加工效

19、果的一種超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工與光整加工中，特別是在用于陶瓷軸承的陶瓷球的精密加工中， 研磨、拋光加工有著不可替代的位置。光學(xué)玻璃、 藍(lán)寶石等光學(xué)材料，硅片、GaAs 基片等半導(dǎo)體材料， Al2O3 陶瓷、 Si3N4 陶瓷等陶瓷材料的鏡面加工大多采用研磨、拋光加工方法。 從材料的去除機(jī)理上看， 研磨加工是介于脆性破壞與彈性去除之間的一種加工方法， 而拋光加工基本上是在材料的彈性去除范圍內(nèi)進(jìn)行。研磨、拋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終工序。研磨、拋光加工的材料去除率與被加工材料的韌性有較大關(guān)系，韌性越高，加工效率越低。3) ELID 磨削加工ELID 磨

20、削技術(shù)是由日本物理化學(xué)研究所的大森整等人于1987 年提出的一種磨削新工藝，其基本原理是利用在線的電解作用對(duì)金屬基砂輪 進(jìn)行修整， 即在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解磨削液并加以直流脈沖電流，使作為陽極的砂輪金屬結(jié)合劑產(chǎn)生陽極溶4/11解效應(yīng)而被逐漸去除，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。ELID 磨削技術(shù)成功地解決了金屬基超硬磨料砂輪修整的難題， 同時(shí)在線電解的微量修整作用使超細(xì)粒度砂輪在磨削過程中能保持鋒銳性， 為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超精密磨削創(chuàng)造了有利條件。日本的研究人員使用 8000(最大磨粒直徑約為2 m) 鑄鐵基 金剛石砂

21、輪 對(duì)硅片進(jìn)行磨削，獲得了最大表面粗糙度值為0.1m 的高精表面。使用青銅基砂輪對(duì)陶瓷材料進(jìn)行精密磨削也達(dá)到了相同的加工效果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用ELID 磨削技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃等脆性材料實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削，磨削表面質(zhì)量與在相同機(jī)床條件下采用普通砂輪磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra 值已達(dá)到納米級(jí)，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可達(dá) Ra0.012 m 。這表明 ELID 磨削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料表面的超精加工，但加工過程中仍存在砂輪表面氧化膜或砂輪表面層的未電解物質(zhì)被壓入工件表面而造成表面層釉化及電解磨削液配比改變等問題，有待于進(jìn)一步研究解決。4) 塑性法加工傳統(tǒng)的材料去

22、除過程一般可分為脆性去除和塑性去除兩種。在脆性去除過程中， 材料去除是通過裂紋的擴(kuò)展和交叉來完成的；而塑性去除則是以剪切加工切屑的形式來產(chǎn)生材料的塑性流。 對(duì)于金屬的加工， 塑性切削機(jī)理很容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于脆性材料如工程陶瓷和光學(xué)玻璃等，采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)及工藝參數(shù)只會(huì)導(dǎo)致脆性去除而沒有顯著的塑性流，在超過強(qiáng)度極限的切削力作用下， 材料的大小粒子發(fā)生脆性斷裂，這無疑將影響被加工表面的質(zhì)量和完整性。 由加工實(shí)踐可知， 在加工陶瓷等脆性材料時(shí)，可采用極小的切深來實(shí)現(xiàn)塑性去除，即材料去除機(jī)理可在微小去除條件下從脆性破壞向塑性變形轉(zhuǎn)變。超精加工技術(shù)的最新進(jìn)展已可將加工進(jìn)給量控制在幾個(gè)納米，從而使脆性材料

23、加工的主要去除機(jī)理有可能由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤?。塑性切屑變形過程可以顯著降低次表面(表層 ) 破壞，這種硬脆材料的新型加工技術(shù)稱為塑性法加工。近年來，許多學(xué)者應(yīng)用金剛石磨削方法對(duì)脆性材料塑性方式磨削的理論和工藝、脆- 塑性轉(zhuǎn)變、 材料特性、 切削力和其它參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究重點(diǎn)是被加工零件的塑性方式表面形成機(jī)理和幾何精度，其中包括相關(guān)機(jī)床和砂輪技術(shù)的研究與開發(fā)。1991 年，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員首先采用四面體(Tetraform) 結(jié)構(gòu)并應(yīng)用具有良好工程性的減振機(jī)理來設(shè)計(jì)機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)，研制出世界上第一臺(tái)Tetraform 1型超精密磨床。用該磨床對(duì)陶瓷、 硅片和單晶石英試件

24、進(jìn)行了大量塑性磨削試驗(yàn)，獲得了高質(zhì)量的樣品，其特點(diǎn)是：(1) 可采用相對(duì)較大的切深( 大至 10m) 進(jìn)行加工； (2) 表面幾何形狀精度高，試件周圍幾乎沒有碾痕； (3) 機(jī)床可在無環(huán)境隔離條件下磨削高質(zhì)量試件；(4) 次表面破壞深度僅為傳統(tǒng)磨削的 1% 2% ，甚至小于拋光加工對(duì)光學(xué)元件的影響。基于 Tetraform 原理， 1995 年英國5/11Fra-zer-Nash 咨詢有限公司和Granfield 精密工程有限公司聯(lián)合研制了Tetraform-2 型多功能磨床。發(fā)展趨勢(shì)表明，脆性材料塑性加工技術(shù)在超精加工領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脆性材料在現(xiàn)代高技術(shù)行業(yè)的

25、諸多領(lǐng)域，特別是在航空航天、光學(xué)及電子領(lǐng)域中，具有十分重要的作用，而且往往對(duì)工件的加工精度和表面質(zhì)量有非常高的要求。但是到目前為止，脆性材料的 加工仍然是一件困難的事情。因?yàn)樗鼈冏钔怀龅囊粋€(gè)特性，就是材料脆性高，斷裂韌性低，材料的彈性極限和強(qiáng)度非常接近。當(dāng)材料所承受的載荷超過彈性極限時(shí)，就發(fā)生斷裂破壞，在己加工表面產(chǎn)生裂紋和凹坑，嚴(yán)重影響其表面質(zhì)量和性能【1 】。所以， 脆性 材料的 可加工性極差。過去，人們一直沿用古老的研磨、拋光工藝，對(duì)脆性材料進(jìn)行光整加工。這些加工方法生產(chǎn)效率低，加工精度不易保證，而且加工過 程不易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，對(duì)于曲面形狀復(fù)雜的工件，甚至無法加工。 因此，已經(jīng) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不

26、能適應(yīng)現(xiàn)代高科技發(fā)展和高效率的要求。超精密加工，主要包括超精密切削(車、銑 )、超精密磨削、超精密研磨(機(jī) 械研磨、機(jī)械化學(xué)研磨、研拋、非接觸式浮動(dòng)研磨、彈性發(fā)射加工等 )以及超精密特種加工 (電子束、離子束以及激光束加工等)。上述各種方法，均能加工出普 通精密加工所達(dá)不到的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。 每種超精密加工方法，都是針對(duì)不同零件的要求而選擇的【2】。 特種加工 是應(yīng)用物理的（力、熱、聲、光、電）或化學(xué)的方法，對(duì)具有特種要求（如高精度）或特殊加工對(duì) 象（如難加工的材料、形狀復(fù)雜或尺寸特微小的材料、剛度極低的材料）進(jìn)行加工的手段（1 ）不用機(jī)械能這些加工方法與工件 的機(jī)械性能無關(guān)，故

27、可加工各種高性能的材料；（ 2）非接觸加工，工件不承受大的作用力；（ 3）微細(xì)加工，工件表面質(zhì)量高。加工余量的去除是微細(xì)進(jìn)行，不僅可加工曲面狹縫，還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面；（ 4 ）簡單進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加工復(fù)雜型面工件；（ 5）各種加工方法可以復(fù)合成新的加工工藝，以便于推廣。由于 特種加工 技術(shù)具有常規(guī)加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在難切削材料、【 3 】 復(fù)雜型面、精細(xì)表面的加工中已成為重要的工藝手段 。一、特種加工 在絕緣工程陶瓷加工中的應(yīng)用 工程陶瓷材料因具有高強(qiáng)度、高硬度、 質(zhì)輕、6/11耐磨、 耐高溫和耐腐蝕等特性 , 而被日益廣泛地應(yīng)用于電子、機(jī)械、冶金、化工及航空航天等領(lǐng)域中。但

28、由于工程陶瓷具有很高的硬度和較大的脆性,給其成形加工帶了很大的困難。 機(jī)械磨削是目前最常用的工程陶瓷加工方法,該加工方法需用昂貴的金剛石砂輪和高剛度的磨床 ,加工成本高、效率低 ,且磨削時(shí)砂輪和工件之間存在強(qiáng)烈的作用力 ,易使工件表面產(chǎn)生微裂紋而降低零件的使用壽命。為此 ,人們開展了絕緣工程陶瓷的激光加工、超聲加工、電火花加工、等離子弧加工、磁力研磨,以及 相關(guān)的相復(fù)合加工等技術(shù),并取得了較大的研究進(jìn)展【 4 】。1. 激光加工工程陶瓷目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶瓷材料激光加工技術(shù)的研究主要集中在打孔、切割、劃 線和型腔加工等方面。洪蕾等人用自行研制的機(jī)械斬光盤調(diào)Q CO2 ，沖激光器對(duì)Si3N4 陶瓷

29、切割試驗(yàn)表明,在高峰值能量 ( 15 kW)、短脈沖寬度 (1 s) 、高脈 沖頻率 (20kHz)和適當(dāng)?shù)钠骄β?(300 W)條件下 ,采用高速 (>220 mm/ s) 多次 重復(fù)走刀切割工藝 ,可以得到無裂紋的精細(xì)切口。 陳可心等人采用 0.25 MPa氧氣 作輔助氣體 , 用800 W的連續(xù)波 CO2激光在厚度 13.5 mm 的氮化硅陶瓷上加工出了直徑 0.72 mm 的無損傷深孔 ,深徑比達(dá) 18.755 。 Tsai Chwan2Huei等人提出了基于裂紋加工單元的激光銑削方法,他們采用 CO2和Nd : YAG 激光器對(duì) Al2O3陶瓷進(jìn)行了基于裂紋加工單元的激光銑削

30、加工,并在 Al2O3 陶瓷零件上加工出了形狀較復(fù)雜的型腔。 研究結(jié)果表明 ,采用該方法進(jìn)行激光銑削所需要的功率比通 常的方法低。 HenryMatt 等人對(duì) TBC陶瓷、聚晶金剛石、硬質(zhì)合金和不銹鋼等材料的激光銑削工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。為把激光加工技術(shù)更好地應(yīng)用于陶瓷加工中,人們還探討了激光預(yù)熱輔助切削或磨削等方法,其目的是增強(qiáng)陶瓷被加工部位的韌性,以達(dá)到降低切削或磨削 力、提高加工效率和質(zhì)量等目的。I. D.Marinescu 等人對(duì) Al2O3 、 Ferrite 、 ZrO2和 Si3N4 4 種材料進(jìn)行了激光預(yù)熱磨削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)激光預(yù)熱磨削不僅能減少磨削過程中溫度的影響作用 , 而且還能

31、降低陶瓷的硬度 , 增大去除量而不引起磨削裂紋。 美國 Purduce大學(xué)的 C. J . Rozzi 等人對(duì)激光輔助切削工程陶瓷技術(shù)進(jìn)行了研究 ,建立了激光輔助切削ZrO2 、 Si3N4等陶瓷 材料的 瞬時(shí)三維溫度場傳遞的物理、數(shù)學(xué)模型,并總結(jié)出了相應(yīng)的加工規(guī)律。2. 超聲加工工程陶瓷 與電火花加工、 電解加工、 激光加工等 特種加工 技術(shù)相比 ,超聲加工既不依 賴于 材料的 導(dǎo)電性 , 又沒有熱物理作用 ,加工后工件表面無組織改變、殘余應(yīng)力及燒傷等現(xiàn)象等發(fā)生 ;加工過程中宏觀作用力小,適合于加工不導(dǎo)電工程陶瓷。T. B. THOE等人對(duì)超聲加工 Al2O3 、 ZrO2 、 SiC 等陶

32、瓷的工藝規(guī)律和加工機(jī)理進(jìn)行了研究 ,給出了的研究結(jié)果 ,并用超聲加工技術(shù)在Si3N4 陶瓷上加工出了航空航天用的渦輪葉片。研究資料表明，采用超聲磨削工程陶瓷時(shí),當(dāng)磨削深度小于某臨界值時(shí), 工程 陶瓷的去除機(jī)理與金屬磨削相似, 工件材料在磨刃的作用下通過塑性流動(dòng)形成切屑 ,避免了較深變質(zhì)層的形成,塑性磨削可以獲得 Ra < 0. 01 m的表面質(zhì)量。超聲磨削工程陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是加工效率比普通磨削高一倍以上 ,可采用較大的磨削用量 ,能有效防止砂輪堵塞,減少砂輪的修整時(shí)間。3. 3. 電火花加工工程陶瓷在用電火花工藝加工工程陶瓷方面,日本長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)福澤康與豐田工 業(yè)大學(xué)毛利尚武的研究成果最

33、具有代表性,他們提出了用輔助電極的方法加工絕 緣陶瓷材料。該方法是利用放置在陶瓷表面的金屬輔助電極被擊穿放電時(shí)的熔化和碳化等作用 ,來形成絕緣陶瓷表面的導(dǎo)電層以進(jìn)行電火花加工的。此后 ,他們又 探討了采用物理蒸汽沉積 TiN來形成絕緣陶瓷表面導(dǎo)電層的電火花加工方法,以 及用廉價(jià)的石墨膠體溶液涂敷在工件表面,經(jīng)過烘干等工序形成輔助電極的方法。 Apiwat Muttamara等人用普通電火花成形機(jī)和輔助電極電火花加工系統(tǒng)相結(jié)合 ,以直徑 45m 銅鎢電極在 0.3 mm厚的Si3N4 陶瓷工件上成功地加工出了直徑 55m的微孔。4.電解電火花復(fù)合加工絕緣工程陶瓷電解電火花復(fù)合加工時(shí),工具電極和輔

34、助電極分別接電源的負(fù)、正極 ,工作液為電解液,由電解液的導(dǎo)電作用和電化學(xué)反應(yīng)來形成火花放電的7/11條件 ,達(dá)到放電蝕除加工的目的。劉永紅等人提出了絕緣陶瓷材料的 充氣電解電火花復(fù)合加工方法 ,研究結(jié)果 表明該加工方法具有生產(chǎn)率高和能耗小等優(yōu)點(diǎn)。B. Bhattacharyya等人使用 NaOH 溶液作電解液對(duì)高純Al2O3的加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加工電壓越高材料去除速度越高 ,但微裂紋和其他缺陷也相應(yīng)增加;電解液濃度越高材料去除率越高, 但過切 現(xiàn)象也越嚴(yán)重。試驗(yàn)顯示能夠同時(shí)獲得較高材料去除率和尺寸精度的加工參數(shù)為: 加工電壓 80 V 左右 ,電解液是 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40% 的溶液。另外 ,

35、工具電極的尖端形狀也是影響電解電火花復(fù)合加工的一個(gè)重要因素,端部為錐形尖端形狀的電極要比端部為圓柱形的加工效果好。5.等離子弧切割 等離子弧切割可加工所有導(dǎo)電材料, 生產(chǎn)成本低、切割速度快、生產(chǎn)率高。對(duì)于非金屬可以采用非轉(zhuǎn)移型等離子弧進(jìn)行切割,非轉(zhuǎn)移型等離子弧在切割時(shí)陽極斑點(diǎn)在噴嘴上 ,大量熱能經(jīng)水冷散失 ,因此能量利用率低。由于受弧柱形態(tài)及溫度場分布限制 ,該加工技術(shù)很難勝任較大厚度工件的切割。大連理工大學(xué)進(jìn)行了絕緣陶瓷材料附加陽極等離子弧切割技術(shù)的研究工作,其基本原理是在被加工陶瓷件下方設(shè)置一個(gè)附加電極,利用陰極與附加電極之間產(chǎn)生的等離子弧進(jìn)行切割加工。他們用該方法對(duì)6 mm厚的 Al2O

36、3陶瓷板進(jìn)行了切割試驗(yàn) , 得到了上口寬5. 0 mm ,下口寬 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應(yīng)用 世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家把高能束流譽(yù)為“21世紀(jì)加工技術(shù)”，它是當(dāng)今科技 與制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是制造工藝發(fā)展的前沿領(lǐng)域和重要方向，也是航空工 業(yè)必不可少的 特種加工 技術(shù)。 高能束流加工是高能量密度束流實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和構(gòu)件加工的新鮮型 特種加工 方法，可以用于焊接、切割、打孔、噴吐、刻蝕、表面改性處理。高能束正朝著高精度、大功率、高速度及自動(dòng)控制與組合化加工方向發(fā)展。1 激光加工 激光加工就是利用材料在激光照射下瞬時(shí)急劇熔化和氣化，并產(chǎn)生強(qiáng)烈

37、的沖擊波，使熔化物包扎爆炸式地噴射和去除來實(shí)現(xiàn)加工。激光打孔是最早實(shí)用化的激光加工，加工范圍（ 0.05 8） mm ，主要應(yīng)用于小孔、窄縫等微細(xì)加工，如圖2 所示。在飛機(jī)機(jī)翼上打 5 萬個(gè)直徑為 0.064mm的小孔，可以大大減小氣流對(duì)飛機(jī)的阻力，取得節(jié)油40% 的良好效果。迄今為止，激光束是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻孔系加工的首先工藝；同時(shí)歐洲一些國家，利用激光對(duì)航天器機(jī)身等一些特種材料的 焊 接基本取代了傳統(tǒng)的焊接工具和方法。2 電子束加工技術(shù)電子束加工是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦，形成 高能量密度的極細(xì)束流，以及高的速度轟擊工件被加工部位，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而導(dǎo)致該部位的材料在極短

38、的時(shí)間內(nèi)達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起該處材料的 熔化或蒸發(fā)。其中電子束焊槍可用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵、活門等系統(tǒng)采用由薄壁膜片（最薄厚度為0.01mm ）焊接而成膜片組，最后焊接成的有靜密封環(huán)組成以及薄壁多層波紋管與圓盤、殼體焊接組成的波紋管組件。這些組件都是 發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件， 結(jié)構(gòu)特殊且均為薄壁件焊接，焊后尺寸要求高。普通焊接法熱輸入大，變形大，同時(shí)受結(jié)構(gòu)的限制難以加工，而電子束焊接正好發(fā)揮了這一方面的優(yōu)勢(shì)，使焊接質(zhì)量滿足了設(shè)計(jì)技術(shù)要求。同時(shí)電子束還可鉆制深徑比為 20：1 的微孔，鉆空還可是斜空和彎孔。3 磨粒流加工磨粒流加工（ Abrasive Flow Machining ，簡稱 A

39、FM ）是通過磨料流運(yùn)動(dòng)且無研具約束， 因而能根據(jù)與工件的接觸情況自動(dòng)地調(diào)整吃刀量（切削深度），并使 磨粒切削方位隨機(jī)變換易于保持磨粒的銳利性，從而實(shí)現(xiàn)微量切削形成高質(zhì)量的加工表面。 該工藝在美國及其他國家的航天領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，解決了精密復(fù)雜零件主要采用的技術(shù)有超聲振動(dòng)磨粒流加工、磁磨粒流加工等。根據(jù)國內(nèi)外磨粒流加工現(xiàn)狀，西南科技大學(xué)聯(lián)合中國燃?xì)鉁u輪研究院，在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的支持下，課題編號(hào) 2002AA421220，利用振動(dòng)原理共同研制了三維振動(dòng)強(qiáng)化拋光裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)異型曲面的高效、低成本強(qiáng)化拋光加工。 三維振動(dòng)強(qiáng)化拋光裝置，工作原理是通過電激振振動(dòng)臺(tái)，使零件與強(qiáng)化拋光磨流介質(zhì)之間產(chǎn)

40、生碰撞、摩擦，徹底改變零件微觀不平度，且形成穩(wěn)定的殘余應(yīng)力，可部分或完全消除結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，達(dá)到提高零件的抗疲勞強(qiáng)度、抗裂性、硬度，從而提高工件使用壽命8/11振動(dòng)強(qiáng)化拋光加工。在實(shí)際使用中出現(xiàn)的低效率、低壽命、低抗疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)束語絕緣工程陶瓷因其獨(dú)特的力學(xué)、化學(xué)、聲學(xué)和電學(xué)等性能, 在現(xiàn)代工業(yè)中得到了日益廣泛 的應(yīng)用 ,同時(shí)對(duì)其制品的加工精度和表面質(zhì)量的要求也越來越高。采用單獨(dú)的機(jī)械加工方法或單一的特種加工 方法 ,都難以圓滿實(shí)現(xiàn)其加工要求, 這就要求人們?cè)趯?duì)絕緣工程陶瓷 材料的 機(jī)械磨削、激光加工、超聲加工和電火花加工的加工工藝、加工機(jī)理進(jìn)行研究的同時(shí) ,更多地注重于研究開發(fā)復(fù)合加

41、工技術(shù) , 尤其是電火花、電化學(xué)等和機(jī)械磨削相復(fù)合的加工技術(shù)的研究開發(fā)工作。特種加工 技術(shù)伴隨著我國航天的發(fā)展而逐步壯大，起到的作用有目共睹， 由 于特種加工 技術(shù)具有其它常規(guī)加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已成為航天制造技術(shù)的重要支撐和關(guān)鍵技術(shù)。為了保證航天技術(shù)的可靠性，進(jìn)一步掌握特種加工 的加工規(guī)律，實(shí)現(xiàn)零件加工質(zhì)量的零缺陷十分重要。復(fù)合加工技術(shù)的研究開發(fā)是進(jìn)一步擴(kuò)大特種加工 技術(shù)在航天技術(shù)應(yīng)用。2 鈦合金使用特種加工方法（ 1）電化學(xué)加工適用于各種沖、壓、鍛模及三維成型曲面的加工。電化學(xué)加工的特點(diǎn)加工的質(zhì)量高，無機(jī)械切削力，工件表面無殘余應(yīng)力、飛邊、毛刺和棱角；一次完成加工，加工的面積大，效率高；對(duì)環(huán)境有一定的污染。電火花線切割適用于各種沖模及二維曲面的成型截割。電火花線切割的特點(diǎn)電火花加工是通過工件和工具電極間的放電而有控制地去除工件材料，以及使材料變形、 改變性能或被鍍覆的特種加工。其中成形加工適用于各種孔、槽模具，還可刻字、表面強(qiáng)化、涂覆等；切割加工適用于各種沖模、 粉末冶金模及 工件，各種樣板、磁鋼及硅鋼片的沖片，鉬、鎢、半導(dǎo)體或貴重金屬。激光加工精密加工小孔、窄縫及成形切割、刻蝕激光加工的特點(diǎn)1 ）幾乎可以加工所有的金屬和非金屬材料。2 ）可進(jìn)行微細(xì)和精密加工：激光能聚焦成極小的光斑，如微細(xì)窄縫和微型孔的加工。3 ）遠(yuǎn)離激光器的隔