硬脆性材料復合加工技術綜述

陳小麗

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

1 引言

硬脆性材料硬度高、熔點高、脆性大，其物理機械性質（特別是韌性和強度）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）的純斷裂過程，更不同于金屬材料的塑性剪切過程。

為了獲得高質量的硬脆性材料產(chǎn)品，目前許多工業(yè)發(fā)達國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的研究。復合加工技術（CMT,Combined Machining Technology）就是在此背景下開發(fā)的先進制造技術，成為21世紀機械制造領域最流行的加工工藝之一。

本文描述硬脆性材料復合加工技術的應用和未來發(fā)展趨勢，闡釋各種復合加工技術的原理和特點。

2 主要種類

復合加工技術（Complex Machining）按其加工特性可分為工藝復合（complex Process）和工序復合（complex Operation）2類。工藝復合是指當工件裝入機床后，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、銑、鉆、鏜、鉸、磨、研、拋等不同的機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 切削復合加工(CCM)

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

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

激光加熱輔助車削是在切削過程中，以激光束為熱源，對工件進行局部加熱，使加熱部位的強度和硬度下降，再用刀具車削，從而達到提高加工效率和刀具使用壽命及加工表面質量的目的。激光局部加熱可獲得流線的連續(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量（如表面粗糙度、殘余應力和微觀缺陷等）；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現(xiàn)有控局部加熱等優(yōu)點。溫度升高使材料的屈服應力明顯減小，導致切削力減小，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動；在適當?shù)碾妳?shù)及切削用量等條件配合下，預先加熱切削材料層至高溫，實現(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到理想的切削效果。缺點是必須對弧光加以保護，設備復雜，費用較高。

（2）低溫輔助切削加工。在切削過程中采用低溫液體（如液氮）或其他冷卻方法來冷卻刀具或工件，從而降低切削區(qū)溫度，改變工件材料的物理力學性能，以保證切削過程順利進行。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）、提高加工表面質量（主要是減少了表面粗糙度）等優(yōu)點。試驗證明其切削鈦合金、不銹鋼、高強度鋼和耐磨鑄鐵等難加工材料的效果良好。

（3）機械超聲振動復合加工。將超聲振動附加在機械加工上。在切削過程中，刀具與工件周期地接觸與斷開，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、鉆、銑、锪、鉸、插和攻螺紋、切斷等的切削過程，使得振動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量的特點。常見的有超聲振動車削、超聲銑削和超聲振動鉆削等。

2.2 磨削復合加工

磨削復合加工(GCM，Grinding Combined Machining)主要用于獲得高的形狀精度和表面質量。按照工藝機理不同，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動，無研具約束，能根據(jù)與工件的接觸情況自動地調整吃刀量(切削深度)，并使磨粒切削方位隨機變換來保持磨粒的銳利性，從而實現(xiàn)微量切削，形成高質量的加工表面。在此基礎上，再復合液力、電子、磁場和化學等能量作用，可有選擇地控制工件表面不平度突起點的加工，并促進高質量表面的形成。

（2）電解在線修整磨削法(ELID，Electro Lytic In process Dressing)。所謂ELID磨削，就是采用具有良好導電性和電解性的金屬結合劑制成超微細粒度超硬磨料金剛石或CBN砂輪，與電解方法在線連續(xù)修整砂輪。工作時砂輪接正電極，安裝在機床上的修整電極為負電極，通過砂輪與電機之間澆注的電解液進行電化學作用。在線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已成功應用于球面、非球面透鏡和模具的超精密加工。加工光學玻璃非球面透鏡，面型精度可達到0.2 μm，表面粗糙度Ra可達到20 nm。

目前，對硬質合金、陶瓷、光學玻璃等脆性材料均實現(xiàn)了鏡面磨削，在同樣機床條件下，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已達到納米級，其中，硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可達到Ra=0.012 μm。這表明該技術可以實現(xiàn)對脆性材料表面進行超精密延性磨削加工，但是，在加工過程中，砂輪表面氧化膜或砂輪表面層未電解物質被壓入工件表面、形成表面層釉化，還有電解磨削液配比等問題，有待于進一步研究。

2.3 磁場輔助研拋加工

磁場輔助加工主要用于解決精密加工的高效性問題。

磁場輔助研拋加工能高效、快速地對各種材料、尺寸和結構的零件進行精加工，是一種投資少、效率高、用途廣、質量好的研拋加工方法。通過在磁場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和浮力作用下，壓向旋轉的工件，進行研磨和拋光，從而提高精整加工的質量和效率；可以獲得Ra≤0.01 μm的無變質層加工表面，并能研拋表面形狀復雜的工件。

常見的磁場輔助研拋加工有磁性浮動拋光和磁性磨料精整加工。

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

（2）磁性磨料精整加工。將磁性磨料在磁級N-S之間，沿著磁力線相互有序地鏈接在一起，聚集成1層彈性的磁性磨料刷；當工件與其作相對運動時，就進行研拋加工。

磁性磨料精整加工所用的磁性磨料是復合磨料，通常將鐵磁性物質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、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成形性，當采用不同磁極形狀和設備結構時，可實現(xiàn)對內孔、平面、異形曲面和球面的精整加工。此法可實現(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。

2.4 化學機械復合加工

化學機械復合加工是指化學加工和機械加工的復合，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損傷加工，可以有效地加工陶瓷、單晶藍寶石和半導體晶片，防止出現(xiàn)機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，可獲得光滑無缺陷的表面。

化學機械復合加工主要有2種方式。

（1）機械化學拋光（CPM）。利用比工件材料軟的磨料（如加工Si3N4陶瓷用Cr2O3，對Si晶片用SiO2）,由運動的磨粒本身的活性以及因磨粒與工件間在微觀接觸區(qū)的摩擦產(chǎn)生的高壓和高溫，在很短的接觸時間內出現(xiàn)固相反應，隨后，這種反應的生成物被運動的磨粒的機械摩擦作用去除，其去除量可達到0.1nm級；磨粒軟于工件，所以不是以磨削的作用來去除材料。如果把軟性磨粒懸浮于化學溶液中進行濕式加工，則會同時出現(xiàn)溶液和磨粒二者生成的反應物，當因磨粒的吸水性而使其表面活性和接觸點溫度降低，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300 mm的硅晶片，加工表面粗糙度Ra=1.3～1.9nm。

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

2.5 電火花復合加工

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

2.6 電解復合加工

電解復合加工（ECM，Electrochemical Combined Machining）以電解的電化學能為主，與磨料的機械能、超聲振動和電弧放電能等中的1種或幾種能量復合，進行加工，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”的反復進行過程。該復合加工技術是新的復合加工技術，適用于形狀復雜的模具型腔光整加工。華南理工大學采用超聲電解磨粒復合加工技術，對形狀復雜的模具型腔光整加工進行了研究，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡，對加工表面粗糙度進行預測，取得了良好的效果。

3 基本特點和發(fā)展趨勢

3.1 基本特點

（1）直接借助電能、熱能、聲能、光能、電化學能、化學能及特殊機械能等多種形式能量的綜合作用，造成瞬時或局部熔化，以強力、高速爆炸、沖擊來實現(xiàn)材料的去除。

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

（3）在機械加工的同時，應用流體力學、化學、光學、電力、磁力和聲波等能量進行綜合加工。各種加工方法可以任意復合，揚長避短，形成新的工藝方法，更突出其優(yōu)越性，便于擴大應用范圍。復合加工方法與工件的硬度和強度等機械性能無關，故可加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點、高強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)加工技術和單一特種加工技術無法比擬的優(yōu)點，在現(xiàn)代加工技術中占有越來越重要的地位，已成為飛船、飛機、電子、激光核聚變、天文等尖端領域的重要支撐技術和關鍵技術。許多現(xiàn)代技術裝備，特別是航空航天高技術產(chǎn)品的一些結構件，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，必須采用先進的復合加工技術。如今，復合加工技術的應用已遍及各加工領域。

3.2 發(fā)展趨勢

隨著精密加工和超精密加工技術的發(fā)展，特別是微細加工、納米加工、微型機械加工等的發(fā)展，復合加工技術已成為主流的制造技術。國外復合加工技術的總體發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）廣泛采用自動化技術。充分利用計算機技術對復合加工設備的控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)進行優(yōu)化，建立綜合參數(shù)自適應控制裝置和數(shù)據(jù)庫等，進而建立特種加工的CAD/CAM和FMS系統(tǒng)，這是主要發(fā)展趨勢。用簡單工具、以電極加工復雜的三維曲面，這是電解加工和電火花加工的重要發(fā)展方向。已實現(xiàn)用4軸聯(lián)動線切割機床切出扭曲變截面的葉片。隨著設備自動化程度的提高，采用特種加工柔性制造系統(tǒng)已成為各工業(yè)國家追求的目標，如英國RR公司已建立了葉片電加工柔性制造系統(tǒng)。

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

（3）發(fā)展虛擬制造技術。在實驗基礎上，應用計算機仿真，模擬有限元分析方法來精確優(yōu)化加工參數(shù)。如對多樣化脆性材料物理化學特性開展研究，旨在開發(fā)出對脆性材料進行無微細裂紋且經(jīng)濟性高的有效工藝，并預測各種不同復合加工工藝的物理參數(shù)和磨料特性下的表面精整質量、形狀精度和材料去除率，以利于對加工過程進行優(yōu)化控制。

（4）發(fā)展復合工藝和新工藝方法。為適應航空產(chǎn)品的高技術性能要求和新型材料的加工要求，將不斷開發(fā)和應用新型特種加工和現(xiàn)有特種加工的復合工藝。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)、電火花機械復合加工等復合工藝將成為航空工業(yè)和機械制造業(yè)著力發(fā)展的加工技術。復合工藝可以揚長避短，取得明顯的技術經(jīng)濟效果。例如，電解電弧復合工藝(ECAM)是電解加工與放電加工迭加而成的工藝過程，與電解加工相比，單位材料去除率可提高300%。

（5）開展精密化研究。高技術產(chǎn)品在向超精密化和小型化方向發(fā)展，對產(chǎn)品零件的精度和表面粗糙度提出了更加嚴格的要求，精密化研究勢在必行。例如，飛機慣性儀表中許多零件要求達到微米級以上；氣浮陀螺和靜電陀螺的內外支承面的球度為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；飛機控制系統(tǒng)由上千個零件組成，其中23%的零件精度達到微米級以上。超精密加工技術的發(fā)展正向亞微米級(10－9m)邁進。

4 結束語

現(xiàn)代復合加工技術主要是隨著高硬度、高強度、高脆性等難切削材料，以及制造所需的精密、細小、形狀復雜和結構特殊的零件的應用而產(chǎn)生的，具有其它常規(guī)加工技術或單一特種加工技術無法比擬的優(yōu)點。

中國復合加工技術的總體水平落后于工業(yè)發(fā)達國家的，有些領域尚屬空白，因此，加速先進復合加工技術的發(fā)展已成為當務之急，必須給予高度重視。

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