硬脆性材料复合加工技术综述

陈小丽

（中国燃气涡轮研究院，四川江油621703）

1 引言

硬脆性材料硬度高、熔点高、脆性大，其物理机械性质（特别是韧性和强度）与金属材料的相比有很大的差别，所以，超精密加工非常困难，既不同于一般的高脆性材料（金刚石）的纯断裂过程，更不同于金属材料的塑性剪切过程。

为了获得高质量的硬脆性材料产品，目前许多工业发达国家都在致力于硬脆性材料和难加工材料的超精密加工技术的研究。复合加工技术（CMT,Combined Machining Technology）就是在此背景下开发的先进制造技术，成为21世纪机械制造领域最流行的加工工艺之一。

本文描述硬脆性材料复合加工技术的应用和未来发展趋势，阐释各种复合加工技术的原理和特点。

2 主要种类

复合加工技术（Complex Machining）按其加工特性可分为工艺复合（complex Process）和工序复合（complex Operation）2类。工艺复合是指当工件装入机床后，顺序地或并发地采用多种制造方法，尽可能多地完成零件的表面加工。所谓多种制造方法，既指车、铣、钻、镗、铰、磨、研、抛等不同的机械能源的切削加工方法，也包括其他能源，如电火花、激光和超声波等特种加工方法，甚至包括焊接和成形加工等其他工艺制造方法。

2.1 切削复合加工(CCM)

切削复合加工（CCM，Cutting Combined Machining）主要以改善切屑形成过程为目标，又可分为加热切削和超声复合切削2种。

（1）加热切削。通过对工件局部瞬时加热，改变其物理力学性能和表层的金相组织，以降低工件在切削区材料的强度；提高其塑性，以改善切削加工性能。它是对铸造高锰钢、无磁钢和不锈钢等难切削材料进行高效率切削的方法，如激光加热辅助车削和等离子电弧加热车削。

激光加热辅助车削是在切削过程中，以激光束为热源，对工件进行局部加热，使加热部位的强度和硬度下降，再用刀具车削，从而达到提高加工效率和刀具使用寿命及加工表面质量的目的。激光局部加热可获得流线的连续切屑，并可减少形成积屑瘤的可能性，改善被加工表面的质量（如表面粗糙度、残余应力和微观缺陷等）；降低切削力。此方法具有热量集中与温升迅速、刀具与工件界面热量少和可实现有控局部加热等优点。温度升高使材料的屈服应力明显减小，导致切削力减小，这样既可以使工件的弹性变形减少，易于保证加工精度，又能提高刀具的耐用度，并有利于提高对难切材料的切除率和降低加工成本。如用5 kW的CO2激光器辅助加工高强度钢30NiCrMo166，切削力减小70%，刀具磨损减少90%；提高切削速度，使切削率增大2倍。

等离子弧加热辅助车削是用等离子弧发生器产生的等离子弧加热工件，将该发生器安装于切削刀具前的合适位置，并始终与刀具同步运动；在适当的电参数及切削用量等条件配合下，预先加热切削材料层至高温，实现易切削。采用此方法，切削速度快，效果好；用陶瓷刀具则更能达到理想的切削效果。缺点是必须对弧光加以保护，设备复杂，费用较高。

（2）低温辅助切削加工。在切削过程中采用低温液体（如液氮）或其他冷却方法来冷却刀具或工件，从而降低切削区温度，改变工件材料的物理力学性能，以保证切削过程顺利进行。这种切削方法具有可减小切削力（20%～30%）、大大降低切削温度（200～400℃）、大幅度提高刀具使用寿命（2～5倍）、提高加工表面质量（主要是减少了表面粗糙度）等优点。试验证明其切削钛合金、不锈钢、高强度钢和耐磨铸铁等难加工材料的效果良好。

（3）机械超声振动复合加工。将超声振动附加在机械加工上。在切削过程中，刀具与工件周期地接触与断开，切削速度大小和方向在不断地变化。由于切削速度的变化和加速度的出现，超声振动的能量能减小刀具与工件之间的摩擦，并提高被加工金属工件的塑性，从而可改善车、钻、铣、锪、铰、插和攻螺纹、切断等的切削过程，使得振动切削具有大大减小切削力、明显降低切削温度、增加刀具使用寿命、提高加工精度和表面质量的特点。常见的有超声振动车削、超声铣削和超声振动钻削等。

2.2 磨削复合加工

磨削复合加工(GCM，Grinding Combined Machining)主要用于获得高的形状精度和表面质量。按照工艺机理不同，可以分为以下2种。

（1）基于松散磨料或游离磨料的复合加工。松散磨料加工使用的是柔性材料研具；游离磨料加工是基于磨料流运动，无研具约束，能根据与工件的接触情况自动地调整吃刀量(切削深度)，并使磨粒切削方位随机变换来保持磨粒的锐利性，从而实现微量切削，形成高质量的加工表面。在此基础上，再复合液力、电子、磁场和化学等能量作用，可有选择地控制工件表面不平度突起点的加工，并促进高质量表面的形成。

（2）电解在线修整磨削法(ELID，Electro Lytic In process Dressing)。所谓ELID磨削，就是采用具有良好导电性和电解性的金属结合剂制成超微细粒度超硬磨料金刚石或CBN砂轮，与电解方法在线连续修整砂轮。工作时砂轮接正电极，安装在机床上的修整电极为负电极，通过砂轮与电机之间浇注的电解液进行电化学作用。在线修整砂轮使磨料保持刀刃锋利、排列均一，可获得镜面，并有较高的生产率。ELID已成功应用于球面、非球面透镜和模具的超精密加工。加工光学玻璃非球面透镜，面型精度可达到0.2 μm，表面粗糙度Ra可达到20 nm。

目前，对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料均实现了镜面磨削，在同样机床条件下，其磨削表面粗糙度数值与普通砂轮磨削的相比有大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra已达到纳米级，其中，硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达到Ra=0.012 μm。这表明该技术可以实现对脆性材料表面进行超精密延性磨削加工，但是，在加工过程中，砂轮表面氧化膜或砂轮表面层未电解物质被压入工件表面、形成表面层釉化，还有电解磨削液配比等问题，有待于进一步研究。

2.3 磁场辅助研抛加工

磁场辅助加工主要用于解决精密加工的高效性问题。

磁场辅助研抛加工能高效、快速地对各种材料、尺寸和结构的零件进行精加工，是一种投资少、效率高、用途广、质量好的研抛加工方法。通过在磁场作用下形成的磁流体（由磁性颗粒、表面活性剂和液相载体组成），使悬浮其中的非磁性磨料在磁流体的流动和浮力作用下，压向旋转的工件，进行研磨和抛光，从而提高精整加工的质量和效率；可以获得Ra≤0.01 μm的无变质层加工表面，并能研抛表面形状复杂的工件。

常见的磁场辅助研抛加工有磁性浮动抛光和磁性磨料精整加工。

（1）磁性浮动抛光。利用磁流体向强磁场方向移动，而非磁性磨料被排斥向磁感应强度较弱方向的特性，使悬浮于磁流体中的磨料分离出来、聚集在一起；磨料在磁浮力作用下，上浮压向运动的工件，进行研抛加工。在抛光高精度瓷球过程中，抛光轴支撑于空气轴承上，最高转速可达10000 r/min；由于抛光速度很快，其去除率要比传统低速转动研抛的高数十倍；在较低的抛光压力下，其表面粗糙度可达Ra=4 nm，陶瓷球的球度可达0.15 μm，且表面无裂纹和刻痕等损伤。

（2）磁性磨料精整加工。将磁性磨料在磁级N-S之间，沿着磁力线相互有序地链接在一起，聚集成1层弹性的磁性磨料刷；当工件与其作相对运动时，就进行研抛加工。

磁性磨料精整加工所用的磁性磨料是复合磨料，通常将铁磁性物质和具有磨削性能的磨料（通常为粒度1～10 μm的氧化铝、碳化物和金刚石）按一定比例混合，经烧结、粉碎、球磨和筛选后制成，也可以采用电铸或离子粉末烧熔法制作。聚集的磁性磨料刷的厚度约为50～100 μm；由于聚集的磁性磨料刷具有自动成形性，当采用不同磁极形状和设备结构时，可实现对内孔、平面、异形曲面和球面的精整加工。此法可实现高的材料去除率，其精加工效果与工件圆周速度、磁通量密度、工作间隙和工件材料等有关。

2.4 化学机械复合加工

化学机械复合加工是指化学加工和机械加工的复合，是超精密加工方法，主要用于硬脆性材料的超精密和表层及亚表层无损伤加工，可以有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，防止出现机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕，避免磨粒耕犁引起的隆起以及擦滑引起的划痕，可获得光滑无缺陷的表面。

化学机械复合加工主要有2种方式。

（1）机械化学抛光（CPM）。利用比工件材料软的磨料（如加工Si3N4陶瓷用Cr2O3，对Si晶片用SiO2）,由运动的磨粒本身的活性以及因磨粒与工件间在微观接触区的摩擦产生的高压和高温，在很短的接触时间内出现固相反应，随后，这种反应的生成物被运动的磨粒的机械摩擦作用去除，其去除量可达到0.1nm级；磨粒软于工件，所以不是以磨削的作用来去除材料。如果把软性磨粒悬浮于化学溶液中进行湿式加工，则会同时出现溶液和磨粒二者生成的反应物，当因磨粒的吸水性而使其表面活性和接触点温度降低，加工效率比单用软磨粒与适量抛光剂的干式加工的低。可加工直径达300 mm的硅晶片，加工表面粗糙度Ra=1.3～1.9nm。

（2）化学机械抛光。由加工液的腐蚀作用生成化学反应薄层，然后，以磨粒的机械摩擦作用或液体动力作用去除。可用于砷化镓中半导体晶片（用于激光测距）的加工。研磨加工出的球面不球度达0．025 mm，表面粗糙度达Ra=0.003μm。

2.5 电火花复合加工

电火花复合加工(EDCM，Electrospark Disharge Combined Machining)以火花放电所产生的热能为主，与磨料机械能、超声振动能和电解液化学能等中的1种或几种能量复合，进行加工，以提高表面质量和加工效率。目前，超声波、电火花和机械3元复合加工技术的发展较快。哈尔滨工业大学利用超声波、电火花和磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具有较好的应用前景。

2.6 电解复合加工

电解复合加工（ECM，Electrochemical Combined Machining）以电解的电化学能为主，与磨料的机械能、超声振动和电弧放电能等中的1种或几种能量复合，进行加工，包括电解磨削、电解珩磨和电解研磨等加工工艺。它们的材料去除机理基本相似，就是“电解去除—钝化膜生成—磨出钝化膜—表面活化”的反复进行过程。该复合加工技术是新的复合加工技术，适用于形状复杂的模具型腔光整加工。华南理工大学采用超声电解磨粒复合加工技术，对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用BP神经网络，对加工表面粗糙度进行预测，取得了良好的效果。

3 基本特点和发展趋势

3.1 基本特点

（1）直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种形式能量的综合作用，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击来实现材料的去除。

（2）以柔克刚，获得优异的表面质量。工具与工件不直接接触，加工时无强大机械作用力，故工具硬度可低于被加工材料的硬度，可以经济、可靠地实现高的尺寸精度、形状精度和极低的表面粗糙度（可达10 nm），并能使表面和亚表面的晶体机构组织的损伤减少到最低程度，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切削表面小。

（3）在机械加工的同时，应用流体力学、化学、光学、电力、磁力和声波等能量进行综合加工。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，便于扩大应用范围。复合加工方法与工件的硬度和强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度以及具有其他特殊性能的金属和非金属材料。

由于具有常规加工技术和单一特种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，已成为飞船、飞机、电子、激光核聚变、天文等尖端领域的重要支撑技术和关键技术。许多现代技术装备，特别是航空航天高技术产品的一些结构件，如工程陶瓷、涡轮叶片、燃烧室三维型腔、型孔和航空陀螺、传感器等的加工，必须采用先进的复合加工技术。如今，复合加工技术的应用已遍及各加工领域。

3.2 发展趋势

随着精密加工和超精密加工技术的发展，特别是微细加工、纳米加工、微型机械加工等的发展，复合加工技术已成为主流的制造技术。国外复合加工技术的总体发展趋势主要表现在以下方面。

（1）广泛采用自动化技术。充分利用计算机技术对复合加工设备的控制系统和电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置和数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS系统，这是主要发展趋势。用简单工具、以电极加工复杂的三维曲面，这是电解加工和电火花加工的重要发展方向。已实现用4轴联动线切割机床切出扭曲变截面的叶片。随着设备自动化程度的提高，采用特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标，如英国RR公司已建立了叶片电加工柔性制造系统。

（2）精密机械大量使用脆性材料，促使其他能量形式加工机理的研究益发深入，并正在发展多种多样的适用于各类特殊需求的最佳复合加工方法。

（3）发展虚拟制造技术。在实验基础上，应用计算机仿真，模拟有限元分析方法来精确优化加工参数。如对多样化脆性材料物理化学特性开展研究，旨在开发出对脆性材料进行无微细裂纹且经济性高的有效工艺，并预测各种不同复合加工工艺的物理参数和磨料特性下的表面精整质量、形状精度和材料去除率，以利于对加工过程进行优化控制。

（4）发展复合工艺和新工艺方法。为适应航空产品的高技术性能要求和新型材料的加工要求，将不断开发和应用新型特种加工和现有特种加工的复合工艺。目前的电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM)、电弧尺寸加工(ADM)、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。复合工艺可以扬长避短，取得明显的技术经济效果。例如，电解电弧复合工艺(ECAM)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300%。

（5）开展精密化研究。高技术产品在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了更加严格的要求，精密化研究势在必行。例如，飞机惯性仪表中许多零件要求达到微米级以上；气浮陀螺和静电陀螺的内外支承面的球度为0.5～0.05μm，尺寸精度为0.6 μm，粗糙度为0.025～0.012 μm；激光陀螺的平面反射镜平面度为0.03～0.06 μm，粗糙度为0.012 μm以上；飞机控制系统由上千个零件组成，其中23%的零件精度达到微米级以上。超精密加工技术的发展正向亚微米级(10－9m)迈进。

4 结束语

现代复合加工技术主要是随着高硬度、高强度、高脆性等难切削材料，以及制造所需的精密、细小、形状复杂和结构特殊的零件的应用而产生的，具有其它常规加工技术或单一特种加工技术无法比拟的优点。

中国复合加工技术的总体水平落后于工业发达国家的，有些领域尚属空白，因此，加速先进复合加工技术的发展已成为当务之急，必须给予高度重视。

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