超硬材料加工技术及发展现状

超硬材料加工技术及发展现状 吴晨曦， 陈晓明， 成国煌 （武汉理工大学 生物中心，湖北 武汉 !"##$#） 摘 要：介绍了超硬材料常用特种加工方法和机械加工方法，以及各种方法的材料去除机理、特点、发展现状及 趋势等。 关键词：超硬材料%&&特种加工工艺%&&机械加工工艺 中图分类号：!"#$$%!"&& 文献标识码：’ 文章编号：$(()*)+++（)((+）(,*(((+*(, !"#$%&%&’ ()#$&*+*’%), - .)/)+*01)&2 32"24, 5*6 340)67$"68 !"2)6%"+, 9: ;$)&7<%= ;>?@ A%"*71%&’， ;>?@B B4*7$4"&’ -./0123/456 75829/56 :; ?@A5; B;/C29D/8E 0F !24A;060 ?@A5; ,+((#(> =A/;5G CD,26"#2E ’()*&+,+-.&/01.2345-*&5205.-1-&6-1(23*&27&*+-5),8&6,5()0)09&,03&6-5(,0)5,8&6,5()0)09&72.&*4+-.:(,.3&6,1-.),8*，1(-& 6,5()0)09&6-5(,0)*6，5(,.,51-.)*1)5*，.-*-,.5(&*1,14*&,03&3-;-82+6-01&1-03-05<&1-5(02829<&27&-,5(&6-1(23&*2&20=& F)G H*68,E *4+-.:(,.3&6,1-.),8*%&&*+-5),8&6,5()0)09%&&6-5(,0)5,8&6,5()0)09& I 引 言 随着工业发展的需要以及材料科学的不断突破和 创新，各种高强度、高硬度、抗腐蚀和耐高温的新型材 料应运而生。在这些材料中，把具有高强度、超硬度、脆 性大等特点，通常含有一些多组元、活性能大的合金元 素（如 >)，?.，@，A2，?2，B8，’)等）或非金属材料，以及 同时含有金属和非金属的复合材料称之为超硬材料。 如硬质合金、高温合金、钛合金、金刚石、陶瓷等，它们 已在机械、电子、计算机、航天航空等领域显示出广阔 的应用前景。但是，超硬材料的脆硬特性使得其加工性 能差，极易产生微裂纹和烧伤，很大程度上制约了其推 广应用。因此，寻求经济高效的加工技术，已成为国内 外工程界的研究热点。 J 超硬材料的特种加工工艺 超硬材料的加工包括特种加工和机械加工。常用 特种加工方法有电火花加工、激光加工和超声加工等。 !"# 电火花加工（:H7） 电火花加工原理：它是一种电加热加工过程，将工 具电极和工件置于绝缘的工作液中，工件和工具分别 接直流脉冲电源正极和负极，加上电压，因电极之间的 放电效应，产生火花放电，通过悬浮于电介质中高能等 离子体的刻蚀作用，使工件表层材料融熔，气化而去 除。电极之间工件材料微小体积上可集中很高的能量 （C#DIC#$ EF66 G），温度高达 C####J以上，足以使材料 熔化和蒸发。原理示意图如图 C所示。 电火花加工的特点：（C） 适合于难加工材料的加 工。由于材料的去除是靠电热作用实现的，材料的加工 性主要取决于材料的热学性能，如熔点、比热容、导热 系数等，而几乎与其机械性质（硬度、强度等）无关，因 此能突破传统切削加工对刀具的限制，以柔克刚，实现 用软的工具加工硬韧的工件。（G）可加工特殊及复杂 形状的零件。由于加工过程中工具电极和工件不直接 接触，因此适宜加工低刚度工件及细微加工，可以将具 有复杂表面形状的工具电极复制到工件上。 电火花加工的发展现状：电火花加工主要用于穿 孔成型和线切割。国内外近些年来在基础理论研究、新 技术开发、新型高速、高精度 HIA 机床的研制等方面 做了大量工作J有较大发展。（C）电火花加工技术的基 础理论研究，包括电极间的物理和化学反应、放电点的 测量和控制等：东京农工大学的国枝教授已从实验和 + !""#$%专题论坛 !""#$% 机械工程师 理论上对放电点发生部位进行了测量和分析!通过对电 极不同部位加上不同的高电压!实现了对放电发生点的 控制。（"）开发了气体放电加工技术：通过在管状电极 中通入高速气流! 吹走电蚀产物和放电产生的等离子 体!冷却电极表面，具有工件电极损耗小、工件表面热影 响小、对环境没有污染、不易发生火灾等优点。（#）直 线电机在 $%& 和 ’$%& 机床上的应用和加工过程的 自适应控制：直线电机不用滚珠丝杠，没有传动间隙!满 足高速响应的要求，从而改善加工质量。三菱电机公司 开发的 ()*+&,-./型 ’$%& 机床有很强的自适应控 制，其自动穿丝功能使 01" 22 的电极丝在切割 34 22 厚钢板时的剪断及再接时间仅为 54 67587"8。 !"! 激光加工（!"#） 激光加工原理：激光是强度高、方向性好和单色性 好的相干光，具有很好的可聚焦性，焦点处的能量密度 可达 549$5454 ’:/2 "，温度高达万度以上。激光加工就是 利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并 产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来 实现材料的去除。原理示意图如图 "所示。 激光加工的特点：（5） 激光束的激光焦点光斑小; 功率密度高!能对一些高熔点、高强度的合金材料和陶 瓷、金刚石、玻璃之类非金属脆硬材料打孔、切割等，可 以将两种截然不同的材料如金属与非金属焊接在一 起。（"）激光热加工是无接触加工!<对工件的机械损伤 小。（#）激光热加工自动化程度高;可以用计算机进行 控制;加工速度快;可以很方便地进行任何复杂形状的 加工。（=）激光加工的热影响区小;材料变形小;不需要 后续工序处理。（3）可以加工微小零件;达到很高的加 工精度 7#8。 激光加工发展现状：激光能对陶瓷、宝石、玻璃、硬 质合金等实现打孔、焊接、切割、刻线等工艺。采用英国 >?)2@*公司生产的 AB>C34 型 DE "激光器打孔!孔径为 41CF"%4145# 22 ;位置公差 G414F#3 22 ；美国开发的寿 命超 53444 H 光纤激光打标系统，用于众多半导体模制 化合物、引底座、晶片、陶瓷基底和包装上，形成清晰耐 久的标记。激光划线技术已成为生产集成

电路

模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案

的关键 技术，其划线细、精度高（线宽为 53$"3! 2，槽深为 3$ "44! 2），加工速度快（可达 "44 22:6），成品率可达 II13J 以上 7=8。硬脆材料的激光精加工技术将会在以下 方面取得新的突破：（,）在推广应用激光打孔、切割、 刻线、焊接技术的同时，不断完善和改进工艺措施，扩 大激光加工的应用范围。（K）研究适用于厚壁和复杂 形状零件的激光加工新技术。（/）探索输出功率大、脉 冲特性好、波形稳定的新光源，研制特性好的激光发生 器。（L）试制应用范围广、自动化程度高、加工精度好 的激光加工机。 !"# 超声加工（MN& ） 超声加工原理：有一个作超声振动的工具，在工具 和工件间充满磨粒 （通常为立方氮化硼或碳化硅）的 磨料悬浮液，并对工具施加一个加工压力，通过工具端 部的超声振动，磨料不断冲击工件，造成加工面的冲击 破坏，形成粉末而被去除。超声波加工的实质就是在超 声波振动作用之下磨粒的机械冲击、抛磨及磨料悬浮 液的空化作用等综合效应的结果，其中以磨粒的连续 冲击作用为主。超声加工原理示意图如图 #所示。 超声加工的特点：超声加工是基于局部撞击作用， 因此越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏愈大，愈 易超声加工。（5）适合于加工各种硬脆材料，如玻璃、 陶瓷、石英、锗、硅、金刚石等。（"）工具可用较软的材 料做成较复杂的形状，如孔形、正方形、非圆形，不需要 工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机 床的结构简单，操作、维修方便。（#）由于去除加工材 料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用，故工件表面的 宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变 形及烧伤。 超声加工发展现状：超声加工主要用于对脆硬材 料加工圆孔、型孔、型腔、微细孔、超声复合加工。5IIF & !""#$% 机械工程师 年天津大学研制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工 机床!对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究，与普 通超声加工相比!效率提高了 "!#$倍%"&。超声发生器和 超声振动系统是超声加工装置的核心组成部分，改进 超声加工，主要是围绕两方面展开的。（’）频率跟踪技 术和稳定振幅技术的同时引入。频率跟踪和恒定振幅 控制是超声加工电源两个重要的特性，传统的超声发 生器难以实现频率跟踪!不能适应负载的变化(如工具 的更换、磨损等)*工作稳定性差。通过改进，实现频率自 动跟踪*加快跟踪速度*扩大搜索范围，提高搜索精度； 自动进行输出振幅和功率控制*实现恒振幅和单位负载 恒功率输出*从而提高加工质量和效率%+&。（,）超声加工 通常要求工具端面获得较大的振幅（’$!,$! "）。而一 般使用的超声换能器振子#不论是磁致伸缩式还是压电 式换能器振子#其振动表面的振动速度或位移振幅都比 较小#不能满足加工的要求#通过改进与变幅杆的连接 方式，对振幅进行放大#满足系统的回转精度和超声能 量传递两方面的要求，实现加工目的$%&。此外，变振幅扩 大棒杆为工件加振方式的微细超声加工对碳酸玻璃、 半导体硅等硬脆材料试件进行微孔加工的尝试等# 都 取得了良好的效果$’&。 !"# 特种加工技术的特点 （(）不受材料硬度限制：因为特种加工技术是用 电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材 料，它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能 量，造成瞬时局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材 料。其加工不受工件材料的强度或硬度等力学性能的 限制，故可以加工任何硬的、脆的、耐热的或高熔点金 属以及非金属材料。 （)）以柔克刚：因为工具与工件不直接接触，加工 时无明显的强大机械作用力，故加工脆硬材料时，工具 硬度可低于被加工材料的硬度。 （*）易于加工复杂形面：只需简单的进给运动即 可加工出三维复杂型面，特种加工技术已成为复杂型 面的主要加工手段。 （+）能获得良好的表面质量：由于在特种加工过 程中，工件表面不产生强烈的弹、塑性变形，故有些特 种加工方法可获得较低的表面粗糙度，热应力、残余应 力、冷作硬化、热影响区及毛刺等均比较小。 （,）易复合形成新工艺方法：各种加工方法可以 任意复合，扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优 越性，便于推广应用。 由于特种加工技术具有其它常规加工技术无法比 拟的优点，在现代加工技术中占有越来越重要的地位。 许多现代技术装备，特别是航空航天高技术的一些结 构件，如工程陶瓷、涡轮叶片、燃烧室三维型腔、型孔的 加工和航空陀螺、传感器等精细面尺寸精度达纳米 （-"）级、表面粗糙度 $./010(! "的超精密加工，非采 用特种加工技术不可。如今，特种加工技术的应用已遍 及到各个加工领域。 !"% 特种加工技术的发展趋势 （(）采用自动化技术，建立特种加工的 234-235 与 657系统。 （)）开发新工艺方法及复合工艺。电解电火花加工 （8245）、电解电弧加工 （8235）、电弧尺寸加工 （345）、电火花机械复合加工等复合工艺将成为航空工 业和机械制造业着力发展的加工技术。例如，电解电弧复 合工艺（8235）是电解加工与放电加工迭加而成的工 艺过程，与电解加工相比，单位材料去除率可提高 *009。 （*）趋向精密化研究。高技术的发展促使高技术 产品向超精密化和小型化方向发展，对产品零件的精 度和表面粗糙度提出更加严格的要求。例如，飞机控制 系统由上千个零件组成，其中 )*9的零件精度要求达 到微米级以上，促使加工技术的精密化。 ! 超硬材料的机械加工工艺 机械加工是应用范围最广的传统加工方法机械加 工包括切削加工、磨削加工等。近二十年来，国内外对 超硬材料机械加工的研究集中在材料的去除机理、加 工新工艺等方面 $:&。 &"’ 磨削加工 磨削加工机理：高速旋转砂轮的磨粒对材料表面 进行挤压，通过塑性变形或脆性断裂产生磨削，从而形 成新的表面。 磨削加工特点是采用多刃微小加工，能长时间加 工，并能获得高精度和精确的几何尺寸。 磨削加工的发展现状：磨削是现代机械制造业中 进行精密加工、超精加工的重要工艺技术，近年来世界 磨削技术的发展趋势是超硬磨料;高效磨削工艺;2<2 磨床系统。（(）高速磨削。日本研制的超高速 (=>(?0! )?0 "-.外圆磨床，使用 /01 砂轮，获得圆度误差为 #!2，表面粗糙度 $)’3,! 2 的磨削效果。（,）精密加工 和超精密加工。精密加工当前是指被加工零件的加工 精度为 ’4$3’! 2，表面粗糙度值 $*介于 $3,45676’! 2 的加工技术；超精密加工当前是指被加工零件的尺寸 精度高于 67’! 2，表面粗糙度值 $*8676,"!2 的加工 技术。使用氧化铝，碳化硅、立方氮化硼、金刚石等磨粒 制成的砂轮、砂带对硬脆材料进行磨削加工，加工精度 可达 94676’! 2，表面粗糙度值达 $)67’4676"! 2。（:） 磨削自动化。随着机械制造业向着 ;<= （柔性制造系 统）、/><=（计算机集成制造系统）、><=（智能制造系 , !""#$% 机械工程师 统）高度自动化方向的迅速发展，对磨削加工提出了自 动化的要求。美、日、德、瑞士等国相继成功开发了外圆 磨削中心（!"#）、内圆磨削中心（$"#）、坐标磨削中 心 （%"#）、无心磨削中心 （#"#） 和平面磨削中心 （&"#）等 ’()*’((*。 !"# 切削加工 切削加工机理：切削加工主要是利用单刃超硬刀 具，以微小的切削量去除材料。为了保证加工性能，减 少因脆性破坏在加工表面造成的微裂纹，必须选择合 适的切削条件和切削刃具，减少切削斜角，切削深度微 细化，使被加工物破坏韧性增加，屈服应力减少，产生 塑性变形的材料去除机理 ’(+*。 切削加工的特点是加工形状精确，加工效率高，但 对机床的精度要求也高。 切削加工的发展趋势：主要包括刀具材料和现代 切削技术的发展。（(）刀具材料及发展。切削加工中， 刀具材料对提高加工效率和质量，降低加工成本都有 直接影响。作为刀具材料应满足以下基本要求,!高的 硬度和耐磨性。一般要求切削工具的硬度是工件硬度 的 -倍左右。"足够的强度和韧性。#高耐热性。$良 好的工艺性，如切削性、铸造性、锻造性和热处理性 ’(.*。 目前，国内外用于超硬材料切削的刀具材料主要有： /0#（1）基硬质合金（也称为金属陶瓷）、硬质合金涂 层，陶瓷、聚晶 2#3和立方氮化硼等。具有三高（高可 靠性，高强度，高抗热震性）性能刀具材料的研究开发 是今后高速切削刀具材料研究开发的重点，纳米复合 与涂层，剃度功能和多种增韧补强机制协同作用的刀 具材料的

设计

领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计

与开发将是超硬切削研究发展的方向 ’(-*。 （+）现代切削技术的发展。高速切削、精密和超精密切 削是当前切削加工的主流技术。高速切削的主要内容 包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切 削等。高速切削是一个相对概念4通常认为高速加工时 的切削速度比常规切削速度高 56()倍以上。高速切削 大致可使切削力减小 (576.)74表面质量提高 (6+ 级4 切削速度和进给速度提高 (576+)74 制造成本降低 ()76(57。高速切削现已广泛应用于航空、航天、汽车、 摩托车、模具、机床等工业金属及其合金、高温耐热合 金、碳纤维增强塑料等复合材料的加工中。发展尖端技 术、国防工业和微电子工业都离不开通过精密和超精 密加工制造的精密零件和产品。用金刚石刀具实施超精 密切削已由过去只能加工铜、铝及其合金等有色金属4 扩展到加工塑料、陶瓷和复合材料。为了切除极薄切屑4 要求金刚石刀具切削刃的刃口半径 % 极小4 经精密研 磨的单晶天然金刚石刀具的刃口半径 % 为 )8)56 )8(& 9，研磨质量高的甚至可达几个 :94能实现纳米级 切削’(5*6’(;*。 ! 结束语 我国加工技术总体水平落后于工业发达国家，集 中表现在设备落后、工艺水平低、研究领域窄，因此必 须重视加工技术的研究。 特种加工方面，着力开展超硬难加工材料的特种 加工设备和工艺的研究，掌握各种加工技术的机理和 规律，建立特种加工的质量

标准

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，提供完善的检测手 段，朝着采用自动化技术、开发复合工艺、新工艺方法 和精密化研究方向努力。 常规机械加工方面，针对难加工材料的特点4 解决 切削中存在的刀具“尖锐”与“耐磨”的矛盾，积极研 发超硬磨削加工技术，使之朝着高速、精密及超精密磨 削方向发展。 ［参考文献］ ［(］ 王振龙，迟关心，狄士春，赵万生8钛合金深小孔的微细超声电 火花加工技术［%］8兵工学报，+)))，+(（-）：.-<6.-=8 ［+］ 徐盛林8日本电火花加工技术的发展现状［%］8电加工与模具， +))(，（.）：(.6(<8 ［.］ 陈章8 激光精密加工技术及其应用 ［%］8 热加工技术，+))+， （;）：+>6+=8 ［-］ 黄春峰8工程陶瓷的加工技术［%］8机械，+))+，+=（(）：(6.8 ［5］ 于思远，林彬，林滨8国内外先进陶瓷材料加工技术的进展［%］8 金刚石与磨料磨具工程，+))(，（-）：.<6.=8 ［<］ 刘殿通，于思远，刘金华，刘文芝，陈锡让8程控超声加工电源的 频率跟踪和恒幅控制［%］8电加工与模具，+)))，（+）：+.6+58 ［>］ 戴向国，傅水根，王先逵，张桂香 8新型超声变幅杆结构设计 ［%］8现代制造工程，+))+，（-）：-+6-.8 ［;］ 杨晓辉，增泽隆久（日）8采用工件加振方式的微细超声加工特 性的研究［%］8电加工与模具，+)))，（.）：+=6.+8 ［=］ 2?0@AB9 /CD，EF:@"F:G A0B8$:H?I:FH0D:FJ %DBI:FJ DK LFMN0:? /DDJC OLF:BKFMHBI? ，+))+，（-+）：..(6..-8 ［()］ 贺永，董海，马勇8工程陶瓷磨削力的研究现状与进展［%］8金 刚石与磨料磨具工程，+))+，P(Q：-)6--8 ［((］ 曲贵龙8磨削加工技术的发展与趋势［%］8磨床与磨削，+)))， （-）：+-6+>8 ［(+］ 蒋成禹8材料加工原理［L］8哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， +))(8 ［(.］ 王贵成，张银喜8精密与特种加工［L］8武汉理工大学出版社， +))(8 ［(-］ R?FHN，28%83?S?JDT9?:HC 0: FTTJ0MFH0D:C DK 2#3 HDDJ0:G［%］8%DBI:FJ DK LFH?I0FJC 2IDM?CC0:G /?MN:DJDGU，+))(，（((<）：.(6.;8 ［(5］ 李湘钒8工程陶瓷零件的车削工艺探讨［%］8苏州大学学报， +))+，（(）：>)6>.8 ［(<］ 程伟，叶伟昌8切削加工和刀具技术的现状与发展程［%］8工具 技术，+))+，.<（>）：.6>8 ［(>］ 赵素勤8现代切削技术的发展趋势［%］8华北航天工业学院学 报，+))+，（+）：+;6.)8 ［(;］ 刘会英8切削加工的发展趋势［%］8航空精密制造技术，+))+， （.）：+)6++8 （编辑 昊 天） 作者简介：吴晨曦 （(=>(@），男4工程师，现主要从事材料加工工作。 收稿日期：+)).@)(@+; !!!!!!!!!! <