硬脆性材料復(fù)合加工技術(shù)綜述

陳小麗

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

1 引言

硬脆性材料硬度高、熔點(diǎn)高、脆性大，其物理機(jī)械性質(zhì)（特別是韌性和強(qiáng)度）與金屬材料的相比有很大的差別，所以，超精密加工非常困難，既不同于一般的高脆性材料（金剛石）的純斷裂過(guò)程，更不同于金屬材料的塑性剪切過(guò)程。

為了獲得高質(zhì)量的硬脆性材料產(chǎn)品，目前許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于硬脆性材料和難加工材料的超精密加工技術(shù)的研究。復(fù)合加工技術(shù)（CMT,Combined Machining Technology）就是在此背景下開(kāi)發(fā)的先進(jìn)制造技術(shù)，成為21世紀(jì)機(jī)械制造領(lǐng)域最流行的加工工藝之一。

本文描述硬脆性材料復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，闡釋各種復(fù)合加工技術(shù)的原理和特點(diǎn)。

2 主要種類(lèi)

復(fù)合加工技術(shù)（Complex Machining）按其加工特性可分為工藝復(fù)合（complex Process）和工序復(fù)合（complex Operation）2類(lèi)。工藝復(fù)合是指當(dāng)工件裝入機(jī)床后，順序地或并發(fā)地采用多種制造方法，盡可能多地完成零件的表面加工。所謂多種制造方法，既指車(chē)、銑、鉆、鏜、鉸、磨、研、拋等不同的機(jī)械能源的切削加工方法，也包括其他能源，如電火花、激光和超聲波等特種加工方法，甚至包括焊接和成形加工等其他工藝制造方法。

2.1 切削復(fù)合加工(CCM)

切削復(fù)合加工（CCM，Cutting Combined Machining）主要以改善切屑形成過(guò)程為目標(biāo)，又可分為加熱切削和超聲復(fù)合切削2種。

（1）加熱切削。通過(guò)對(duì)工件局部瞬時(shí)加熱，改變其物理力學(xué)性能和表層的金相組織，以降低工件在切削區(qū)材料的強(qiáng)度；提高其塑性，以改善切削加工性能。它是對(duì)鑄造高錳鋼、無(wú)磁鋼和不銹鋼等難切削材料進(jìn)行高效率切削的方法，如激光加熱輔助車(chē)削和等離子電弧加熱車(chē)削。

激光加熱輔助車(chē)削是在切削過(guò)程中，以激光束為熱源，對(duì)工件進(jìn)行局部加熱，使加熱部位的強(qiáng)度和硬度下降，再用刀具車(chē)削，從而達(dá)到提高加工效率和刀具使用壽命及加工表面質(zhì)量的目的。激光局部加熱可獲得流線(xiàn)的連續(xù)切屑，并可減少形成積屑瘤的可能性，改善被加工表面的質(zhì)量（如表面粗糙度、殘余應(yīng)力和微觀(guān)缺陷等）；降低切削力。此方法具有熱量集中與溫升迅速、刀具與工件界面熱量少和可實(shí)現(xiàn)有控局部加熱等優(yōu)點(diǎn)。溫度升高使材料的屈服應(yīng)力明顯減小，導(dǎo)致切削力減小，這樣既可以使工件的彈性變形減少，易于保證加工精度，又能提高刀具的耐用度，并有利于提高對(duì)難切材料的切除率和降低加工成本。如用5 kW的CO2激光器輔助加工高強(qiáng)度鋼30NiCrMo166，切削力減小70%，刀具磨損減少90%；提高切削速度，使切削率增大2倍。

等離子弧加熱輔助車(chē)削是用等離子弧發(fā)生器產(chǎn)生的等離子弧加熱工件，將該發(fā)生器安裝于切削刀具前的合適位置，并始終與刀具同步運(yùn)動(dòng)；在適當(dāng)?shù)碾妳?shù)及切削用量等條件配合下，預(yù)先加熱切削材料層至高溫，實(shí)現(xiàn)易切削。采用此方法，切削速度快，效果好；用陶瓷刀具則更能達(dá)到理想的切削效果。缺點(diǎn)是必須對(duì)弧光加以保護(hù)，設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用較高。

（2）低溫輔助切削加工。在切削過(guò)程中采用低溫液體（如液氮）或其他冷卻方法來(lái)冷卻刀具或工件，從而降低切削區(qū)溫度，改變工件材料的物理力學(xué)性能，以保證切削過(guò)程順利進(jìn)行。這種切削方法具有可減小切削力（20%～30%）、大大降低切削溫度（200～400℃）、大幅度提高刀具使用壽命（2～5倍）、提高加工表面質(zhì)量（主要是減少了表面粗糙度）等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)證明其切削鈦合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼和耐磨鑄鐵等難加工材料的效果良好。

（3）機(jī)械超聲振動(dòng)復(fù)合加工。將超聲振動(dòng)附加在機(jī)械加工上。在切削過(guò)程中，刀具與工件周期地接觸與斷開(kāi)，切削速度大小和方向在不斷地變化。由于切削速度的變化和加速度的出現(xiàn)，超聲振動(dòng)的能量能減小刀具與工件之間的摩擦，并提高被加工金屬工件的塑性，從而可改善車(chē)、鉆、銑、锪、鉸、插和攻螺紋、切斷等的切削過(guò)程，使得振動(dòng)切削具有大大減小切削力、明顯降低切削溫度、增加刀具使用壽命、提高加工精度和表面質(zhì)量的特點(diǎn)。常見(jiàn)的有超聲振動(dòng)車(chē)削、超聲銑削和超聲振動(dòng)鉆削等。

2.2 磨削復(fù)合加工

磨削復(fù)合加工(GCM，Grinding Combined Machining)主要用于獲得高的形狀精度和表面質(zhì)量。按照工藝機(jī)理不同，可以分為以下2種。

（1）基于松散磨料或游離磨料的復(fù)合加工。松散磨料加工使用的是柔性材料研具；游離磨料加工是基于磨料流運(yùn)動(dòng)，無(wú)研具約束，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)變換來(lái)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。在此基礎(chǔ)上，再?gòu)?fù)合液力、電子、磁場(chǎng)和化學(xué)等能量作用，可有選擇地控制工件表面不平度突起點(diǎn)的加工，并促進(jìn)高質(zhì)量表面的形成。

（2）電解在線(xiàn)修整磨削法(ELID，Electro Lytic In process Dressing)。所謂ELID磨削，就是采用具有良好導(dǎo)電性和電解性的金屬結(jié)合劑制成超微細(xì)粒度超硬磨料金剛石或CBN砂輪，與電解方法在線(xiàn)連續(xù)修整砂輪。工作時(shí)砂輪接正電極，安裝在機(jī)床上的修整電極為負(fù)電極，通過(guò)砂輪與電機(jī)之間澆注的電解液進(jìn)行電化學(xué)作用。在線(xiàn)修整砂輪使磨料保持刀刃鋒利、排列均一，可獲得鏡面，并有較高的生產(chǎn)率。ELID已成功應(yīng)用于球面、非球面透鏡和模具的超精密加工。加工光學(xué)玻璃非球面透鏡，面型精度可達(dá)到0.2 μm，表面粗糙度Ra可達(dá)到20 nm。

目前，對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃等脆性材料均實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削，在同樣機(jī)床條件下，其磨削表面粗糙度數(shù)值與普通砂輪磨削的相比有大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra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)到Ra=0.012 μm。這表明該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料表面進(jìn)行超精密延性磨削加工，但是，在加工過(guò)程中，砂輪表面氧化膜或砂輪表面層未電解物質(zhì)被壓入工件表面、形成表面層釉化，還有電解磨削液配比等問(wèn)題，有待于進(jìn)一步研究。

2.3 磁場(chǎng)輔助研拋加工

磁場(chǎng)輔助加工主要用于解決精密加工的高效性問(wèn)題。

磁場(chǎng)輔助研拋加工能高效、快速地對(duì)各種材料、尺寸和結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行精加工，是一種投資少、效率高、用途廣、質(zhì)量好的研拋加工方法。通過(guò)在磁場(chǎng)作用下形成的磁流體（由磁性顆粒、表面活性劑和液相載體組成），使懸浮其中的非磁性磨料在磁流體的流動(dòng)和浮力作用下，壓向旋轉(zhuǎn)的工件，進(jìn)行研磨和拋光，從而提高精整加工的質(zhì)量和效率；可以獲得Ra≤0.01 μm的無(wú)變質(zhì)層加工表面，并能研拋表面形狀復(fù)雜的工件。

常見(jiàn)的磁場(chǎng)輔助研拋加工有磁性浮動(dòng)拋光和磁性磨料精整加工。

（1）磁性浮動(dòng)拋光。利用磁流體向強(qiáng)磁場(chǎng)方向移動(dòng)，而非磁性磨料被排斥向磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱方向的特性，使懸浮于磁流體中的磨料分離出來(lái)、聚集在一起；磨料在磁浮力作用下，上浮壓向運(yùn)動(dòng)的工件，進(jìn)行研拋加工。在拋光高精度瓷球過(guò)程中，拋光軸支撐于空氣軸承上，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000 r/min；由于拋光速度很快，其去除率要比傳統(tǒng)低速轉(zhuǎn)動(dòng)研拋的高數(shù)十倍；在較低的拋光壓力下，其表面粗糙度可達(dá)Ra=4 nm，陶瓷球的球度可達(dá)0.15 μm，且表面無(wú)裂紋和刻痕等損傷。

（2）磁性磨料精整加工。將磁性磨料在磁級(jí)N-S之間，沿著磁力線(xiàn)相互有序地鏈接在一起，聚集成1層彈性的磁性磨料刷；當(dāng)工件與其作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就進(jìn)行研拋加工。

磁性磨料精整加工所用的磁性磨料是復(fù)合磨料，通常將鐵磁性物質(zhì)和具有磨削性能的磨料（通常為粒度1～10 μm的氧化鋁、碳化物和金剛石）按一定比例混合，經(jīng)燒結(jié)、粉碎、球磨和篩選后制成，也可以采用電鑄或離子粉末燒熔法制作。聚集的磁性磨料刷的厚度約為50～100 μm；由于聚集的磁性磨料刷具有自動(dòng)成形性，當(dāng)采用不同磁極形狀和設(shè)備結(jié)構(gòu)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)孔、平面、異形曲面和球面的精整加工。此法可實(shí)現(xiàn)高的材料去除率，其精加工效果與工件圓周速度、磁通量密度、工作間隙和工件材料等有關(guān)。

2.4 化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工

化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工是指化學(xué)加工和機(jī)械加工的復(fù)合，是超精密加工方法，主要用于硬脆性材料的超精密和表層及亞表層無(wú)損傷加工，可以有效地加工陶瓷、單晶藍(lán)寶石和半導(dǎo)體晶片，防止出現(xiàn)機(jī)械加工用硬磨料引起的表面脆性裂紋和凹痕，避免磨粒耕犁引起的隆起以及擦滑引起的劃痕，可獲得光滑無(wú)缺陷的表面。

化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工主要有2種方式。

（1）機(jī)械化學(xué)拋光（CPM）。利用比工件材料軟的磨料（如加工Si3N4陶瓷用Cr2O3，對(duì)Si晶片用SiO2）,由運(yùn)動(dòng)的磨粒本身的活性以及因磨粒與工件間在微觀(guān)接觸區(qū)的摩擦產(chǎn)生的高壓和高溫，在很短的接觸時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)固相反應(yīng)，隨后，這種反應(yīng)的生成物被運(yùn)動(dòng)的磨粒的機(jī)械摩擦作用去除，其去除量可達(dá)到0.1nm級(jí)；磨粒軟于工件，所以不是以磨削的作用來(lái)去除材料。如果把軟性磨粒懸浮于化學(xué)溶液中進(jìn)行濕式加工，則會(huì)同時(shí)出現(xiàn)溶液和磨粒二者生成的反應(yīng)物，當(dāng)因磨粒的吸水性而使其表面活性和接觸點(diǎn)溫度降低，加工效率比單用軟磨粒與適量拋光劑的干式加工的低。可加工直徑達(dá)300 mm的硅晶片，加工表面粗糙度Ra=1.3～1.9nm。

（2）化學(xué)機(jī)械拋光。由加工液的腐蝕作用生成化學(xué)反應(yīng)薄層，然后，以磨粒的機(jī)械摩擦作用或液體動(dòng)力作用去除。可用于砷化鎵中半導(dǎo)體晶片（用于激光測(cè)距）的加工。研磨加工出的球面不球度達(dá)0．025 mm，表面粗糙度達(dá)Ra=0.003μm。

2.5 電火花復(fù)合加工

電火花復(fù)合加工(EDCM，Electrospark Disharge Combined Machining)以火花放電所產(chǎn)生的熱能為主，與磨料機(jī)械能、超聲振動(dòng)能和電解液化學(xué)能等中的1種或幾種能量復(fù)合，進(jìn)行加工，以提高表面質(zhì)量和加工效率。目前，超聲波、電火花和機(jī)械3元復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展較快。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用超聲波、電火花和磨料復(fù)合加工技術(shù)對(duì)不銹鋼進(jìn)行加工，解決了電火花小孔加工中生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼顧的矛盾，具有較好的應(yīng)用前景。

2.6 電解復(fù)合加工

電解復(fù)合加工（ECM，Electrochemical Combined Machining）以電解的電化學(xué)能為主，與磨料的機(jī)械能、超聲振動(dòng)和電弧放電能等中的1種或幾種能量復(fù)合，進(jìn)行加工，包括電解磨削、電解珩磨和電解研磨等加工工藝。它們的材料去除機(jī)理基本相似，就是“電解去除—鈍化膜生成—磨出鈍化膜—表面活化”的反復(fù)進(jìn)行過(guò)程。該復(fù)合加工技術(shù)是新的復(fù)合加工技術(shù)，適用于形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工。華南理工大學(xué)采用超聲電解磨粒復(fù)合加工技術(shù)，對(duì)形狀復(fù)雜的模具型腔光整加工進(jìn)行了研究，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得了良好的效果。

3 基本特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)

3.1 基本特點(diǎn)

（1）直接借助電能、熱能、聲能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能及特殊機(jī)械能等多種形式能量的綜合作用，造成瞬時(shí)或局部熔化，以強(qiáng)力、高速爆炸、沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的去除。

（2）以柔克剛，獲得優(yōu)異的表面質(zhì)量。工具與工件不直接接觸，加工時(shí)無(wú)強(qiáng)大機(jī)械作用力，故工具硬度可低于被加工材料的硬度，可以經(jīng)濟(jì)、可靠地實(shí)現(xiàn)高的尺寸精度、形狀精度和極低的表面粗糙度（可達(dá)10 nm），并能使表面和亞表面的晶體機(jī)構(gòu)組織的損傷減少到最低程度，熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)及毛刺等表面缺陷均比機(jī)械切削表面小。

（3）在機(jī)械加工的同時(shí)，應(yīng)用流體力學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、電力、磁力和聲波等能量進(jìn)行綜合加工。各種加工方法可以任意復(fù)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，形成新的工藝方法，更突出其優(yōu)越性，便于擴(kuò)大應(yīng)用范圍。復(fù)合加工方法與工件的硬度和強(qiáng)度等機(jī)械性能無(wú)關(guān)，故可加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度以及具有其他特殊性能的金屬和非金屬材料。

由于具有常規(guī)加工技術(shù)和單一特種加工技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代加工技術(shù)中占有越來(lái)越重要的地位，已成為飛船、飛機(jī)、電子、激光核聚變、天文等尖端領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。許多現(xiàn)代技術(shù)裝備，特別是航空航天高技術(shù)產(chǎn)品的一些結(jié)構(gòu)件，如工程陶瓷、渦輪葉片、燃燒室三維型腔、型孔和航空陀螺、傳感器等的加工，必須采用先進(jìn)的復(fù)合加工技術(shù)。如今，復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用已遍及各加工領(lǐng)域。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨著精密加工和超精密加工技術(shù)的發(fā)展，特別是微細(xì)加工、納米加工、微型機(jī)械加工等的發(fā)展，復(fù)合加工技術(shù)已成為主流的制造技術(shù)。國(guó)外復(fù)合加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）廣泛采用自動(dòng)化技術(shù)。充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)復(fù)合加工設(shè)備的控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，建立綜合參數(shù)自適應(yīng)控制裝置和數(shù)據(jù)庫(kù)等，進(jìn)而建立特種加工的CAD/CAM和FMS系統(tǒng)，這是主要發(fā)展趨勢(shì)。用簡(jiǎn)單工具、以電極加工復(fù)雜的三維曲面，這是電解加工和電火花加工的重要發(fā)展方向。已實(shí)現(xiàn)用4軸聯(lián)動(dòng)線(xiàn)切割機(jī)床切出扭曲變截面的葉片。隨著設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，采用特種加工柔性制造系統(tǒng)已成為各工業(yè)國(guó)家追求的目標(biāo)，如英國(guó)RR公司已建立了葉片電加工柔性制造系統(tǒng)。

（2）精密機(jī)械大量使用脆性材料，促使其他能量形式加工機(jī)理的研究益發(fā)深入，并正在發(fā)展多種多樣的適用于各類(lèi)特殊需求的最佳復(fù)合加工方法。

（3）發(fā)展虛擬制造技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真，模擬有限元分析方法來(lái)精確優(yōu)化加工參數(shù)。如對(duì)多樣化脆性材料物理化學(xué)特性開(kāi)展研究，旨在開(kāi)發(fā)出對(duì)脆性材料進(jìn)行無(wú)微細(xì)裂紋且經(jīng)濟(jì)性高的有效工藝，并預(yù)測(cè)各種不同復(fù)合加工工藝的物理參數(shù)和磨料特性下的表面精整質(zhì)量、形狀精度和材料去除率，以利于對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制。

（4）發(fā)展復(fù)合工藝和新工藝方法。為適應(yīng)航空產(chǎn)品的高技術(shù)性能要求和新型材料的加工要求，將不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新型特種加工和現(xiàn)有特種加工的復(fù)合工藝。目前的電解電火花加工(ECDM)、電解電弧加工(ECAM)、電弧尺寸加工(ADM)、電火花機(jī)械復(fù)合加工等復(fù)合工藝將成為航空工業(yè)和機(jī)械制造業(yè)著力發(fā)展的加工技術(shù)。復(fù)合工藝可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，取得明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。例如，電解電弧復(fù)合工藝(ECAM)是電解加工與放電加工迭加而成的工藝過(guò)程，與電解加工相比，單位材料去除率可提高300%。

（5）開(kāi)展精密化研究。高技術(shù)產(chǎn)品在向超精密化和小型化方向發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品零件的精度和表面粗糙度提出了更加嚴(yán)格的要求，精密化研究勢(shì)在必行。例如，飛機(jī)慣性?xún)x表中許多零件要求達(dá)到微米級(jí)以上；氣浮陀螺和靜電陀螺的內(nèi)外支承面的球度為0.5～0.05μm，尺寸精度為0.6 μm，粗糙度為0.025～0.012 μm；激光陀螺的平面反射鏡平面度為0.03～0.06 μm，粗糙度為0.012 μm以上；飛機(jī)控制系統(tǒng)由上千個(gè)零件組成，其中23%的零件精度達(dá)到微米級(jí)以上。超精密加工技術(shù)的發(fā)展正向亞微米級(jí)(10－9m)邁進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代復(fù)合加工技術(shù)主要是隨著高硬度、高強(qiáng)度、高脆性等難切削材料，以及制造所需的精密、細(xì)小、形狀復(fù)雜和結(jié)構(gòu)特殊的零件的應(yīng)用而產(chǎn)生的，具有其它常規(guī)加工技術(shù)或單一特種加工技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

中國(guó)復(fù)合加工技術(shù)的總體水平落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的，有些領(lǐng)域尚屬空白，因此，加速先進(jìn)復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展已成為當(dāng)務(wù)之急，必須給予高度重視。

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