范文一：硬脆材料加工技术的研究

T陈振理 (天津市铁合金厂，天津 300400)

I , 摘要, 对硬脆材料的各种用途和加工现状进行了综述，根据硬脆材料抗拉强度低的特点，建立了切削模型。介绍了 切削、磨削等主要的几种加工方法的原理、适用范围及最新研究成果，硬脆材料切削和磨削的机理和实验对比，并对特种加工做A 了简单介绍。

硬脆材料 磨削 切削 切割 刀具 研究 关键词 N

1 综述 性较差，切削热将主要由刀具材料散出，这必将加速J近年来硬脆性材料，尤其是非金属、非导电材料 刀具的磨损。

3 以及半导体等材料，例如玻璃、各种石材、宝石、硅晶 硬脆材料的加工机理、加工技术及应用 I体等，它们的硬度、脆性、耐磨性、抗蚀性、抗氧化性都 3.1 硬脆材料的切削模型N比较高，正是由于这些独特的性质，这些特殊材料在 采用二维切削方式的硬脆材料切削模型。众所周 军用及民用工业等领域应用越来越广泛。 知，硬脆材料的抗拉强度较低，因此，这类材料常受拉 光学玻璃的应用较为普遍，可用来制作精度较高 应力的作用而破坏。由断裂力学的计算表明，在切削 M的透镜等各类光学零件。陶瓷材料相对于光学玻璃由

过程中，切削刃附近所受的拉应力最大。所以，被切削 于有较好的化学稳定性、不易被氧化腐蚀、有较好的

材料首先在切削刃附近形成裂纹。随着切削刃位置的 耐磨性、高硬度以及能耐高温等特点，应用范围更加

E广泛。应用于汽车工业所研制的发动机可实现柴油机 变化，裂纹向前下方扩展，其深度超过切削深度后，转 瞬间快速起动，效率也会更高。据上述，加大对硬脆材 而向前上方发展，最终到达工件的自由表面，形成较 料加工方法研究的力度有很大的意义。 T大的片状切屑，并在被切削表面留下凹痕或裂纹。 硬脆材料加工难度很大，加工时稍不注意就会引 3.2 硬脆材料的切割加工技术 起工件表面的磨损或者破坏。究其原因是其具有较高 A按照切割工具的形状此种材料的切割方法分为 的脆性，断裂韧性比较低，材料本身的弹性强度和弹 如图1 所示的几种。 性极限比较接近。目前，材料去除主要包括以下方式: LL塑性去除、脆性去除和粉末化去除。而这些去除方式 金刚石外圆片锯 圆片锯 在对材料进行去除之后都会产生降低工件强度和表 金刚石内圆片锯 面加工质量等问题。因此，为了解决这些加工问题，需 钢砂锯 要研究一种新型、高效、经济的方法。 硬脆材料切割 带锯金刚石带锯 U 钢片锯

钢丝锯 线锯RG 金刚石串珠锯 金刚石线锯 2 硬脆材料的特性

塑性高的金属材料具有较高的 E,HV 值 (维氏硬 图 1 硬脆材料的切割分类 度)，约为 250，而高脆性的材料，其 E,HV 只有 20。因 3.2.1 圆片锯切割 圆片锯切割分为内、外圆切割 2 此，在切削加工中，硬脆材料的塑性变形区很小。这一 种。 内圆切割时产生的切缝狭窄，而且材料的利

Y特征表明，切削刃在被加工表面留下的隆起较小。从 用率

理论上说，加工硬脆材料所得到的表面粗糙度要比加 较高，对材料本身的损伤极小，具有高质量的切割晶 工塑性材料的小。 体且机床易于调整。正是由于以上这些优点，内圆切 高硬度和断裂韧性的材料容易损坏刀具，因此， 割的发展非常迅速，运用极其广泛，尤其对硅晶体、陶 极难切削。玻璃和高级陶瓷的硬度虽高，但断裂韧性 瓷以及硬质合金等的切割效果显著。但是内圆切割也 却很低，这意味着，如果能有效地利用这类材料的镦 存在缺点，只能进行直线切割而不能进行曲线切割。 裂纹，切削加工所需的能量将会很小。在切削加工中， 外圆切割的应用较早，其切割刀刃是锯片外圆周 材料的导热性也是一个重要的因素。硬脆材料的导热 上的金刚石磨粒。这种切割方式的优点是加工质量

? 〈 研 究 与应 用 〉

?

好，设备操作方便并且效率高。但切割时噪音较大而座标。无论是移动还是定点都会产生局部塑性变，但且刀片刚性差，切割过程中锯片易产生振摆、跑偏，导 是不同于定点压痕的是，移动压头法向接触压力与接 致被切割工件的平行度差。 触形式取决于压头的几何形状。我们可以使用平面应

力塑性分析来预测中央裂纹的长度。经研究，在高载 3.2.2 带状工具切割

带状工具切割中比较有代表性的一种切割方式 荷时，运动压头的残余应力成为主要因素。 是金刚石带锯。它的切割工具是镶焊金刚石烧结块的 3.4 硬脆材料的磨削加工技术 环形锯条。最早出现在市场上的金刚石带锯是在 20 压痕断裂力学模型是把硬脆性材料加工中磨粒 世纪 50 年代，我国在 20 世纪 80 年代前后才逐渐开 与工件之间的相互作用看作小规模的压痕现象，它是 始研制出该类设备。这种切割方式的优点是锯口小、 基于压痕断裂力学模型产生的，如图 2 所示。当磨粒 锯切速度快、刀具材料消耗小、噪音小。缺点是对荒料 与加工材料接触时，磨粒下方工件的材料在压应力的 要求规整、不能进行多片切割等。钢片切割机的原理 作用下发生塑性流动。在载荷不大的情况下，卸载后 类似于钢砂锯，它利用一排一定间隙的张紧的钢片在 由于压力产生的压痕能够保留，材料不会产生裂纹， 工件上作往复运动进行切割。在钢片与工件的接触部 脆性材料在受压过程中也存在一个塑性变形区域，压 位持续地浇注磨液，切割作用的形成是通过钢片将磨 力撤销后无法恢复。在陶瓷材料的加工过程中，可以 液带入工件切缝中。 通过控制载荷来实现对硬脆性材料在塑性域的加工。 3.3 硬脆材料的切削加工技术 Δx=r/f

金刚石刀具切削硬脆材料已成为可能，主要是通

过在延性域超精密加工以获得高质量表面，而延性域

切削的理论依据是压痕断裂力学。

P 3.3.1 定点压头作用 v

学者们在过去几十年里对各种硬脆材料进行了

大量压痕试验，将金刚石压头以一定的垂直力压入材 hC料内部一定的深度，并且观察材料的变形情况。可以

得出如下结论:在很小载荷作用下，即使是硬脆材料 1C也会产生塑性变形。当增加载荷时，材料的变形方式 Ductile 由塑性向脆性破坏转变并且在材料的表面、内部均产 regime

生由于脆性破坏引起的裂纹。在整个转变的过程中，

C 1刚好产生裂纹时所施加的垂直载荷即称为临界载荷，

而相应的压头压入深度称为临界压深。 图 2 裂纹产生机理 我们在印压和刻划实验中得出结论:即便是脆性 从加工过程中所需能量角度来看，产生脆性断裂 材料，在压入深度不大时，同样会产生塑性变形且施 所需的能量大于产生塑性变形所需能量。在加工过程 加载荷存在一定程度上是关系到裂纹产生的长度的。 中，当磨削深度很小时，所需的能量很小，塑性加工就 所以我们提出了以裂纹不扩展到已加工表面的脆性 成为可能。因而，通过对磨削深度的控制可实现对硬 材料的延性域切削方式。 脆性材料的塑性加工。 3.3.2 移动压头作用 硬脆材料的磨削加工主要存在以下问题: 此种作用下的有效磨粒要同时承受运动方向上 (1) 在磨削过程中磨屑容易堵塞砂轮从而导致磨削 的切向载荷和定点压痕下的法向载荷。这种效应和布 力增大，在工件表面产生裂纹; 欣尼奇(Boussinesq)法相类似，我们可以利用米切尔 (2) 砂轮上的磨粒很难保证分布均匀和磨粒的高度

一致，工件加工精度不易保证。 期 期期期 期期期期期期期期期期期期期期期期期期期期期 5355 555555555555555555555 为了解决以上问题，东京大学的中川威雄、日本 5 期 第第第第 第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第 理化学研究所的大森整等人于 1987 年提出了并深入 年年年年 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年 年第 1111 111111111111111111111研究了 ELID 砂轮在线电解修锐技术。 1111 111111111111111111111 0000 000000000000000000000 2222222222222222222222222 2011在线电解修锐磨削为金属结合剂金刚石磨具的 (Michell) 方法来对这两个力同作用与某一点而产生 修锐，提供了新硬脆材料的塑性磨削技术砂轮振 —

的弹性应力场进行建模:动及砂轮在线自动平衡技术思路。以平面磨削为例，

2 3 2 超精密镜面磨削原理如图 3 所示。与直流脉冲电源正 σ=(P/πr )[F(θ，ψ)]+(P /πr )[g(θ，ψ)](1) ij ij λπ ij λπ

式中，μ 和 λ 是勒穆(lame)弹性常数;θ、γ、ψ 是极

? ? 〈 研 究 与 应 用 〉50 - -

硬脆材料加工技术的研究

磨削液 为工件进给速度mm，/s;a为磨削深度，mm;V为砂轮 p s 电极

2 速度，m/s;N为砂轮动态有效磨刃数m，m ;C 为磨削 d

常数。 砂轮 电源 与研磨等磨削方式相比，在实现塑性域磨削这一 T

过程中，磨粒与微晶玻璃表面作用的过程中只有形成

工件 划痕而没有滚动挤压，在塑性阈内的磨削对微晶玻璃 I

工作台 A 表面所造成的裂纹向微晶玻璃的深处延伸的趋势较

小。ELID 磨削过程中磨削力要远远小于普通磨削方 图 3 ELID 磨削技术原理简图 式，由于其磨粒始终保持在锋利的等高微刃切削状 N

态，因此在磨削过程中因为磨粒原因所造成的破碎区 极相接的金属结合剂超硬磨料砂轮与直流脉冲电源

较小，容易实现塑性方式磨削。对微晶玻璃的磨削可 正极相接作阳极，工具同直流脉冲电源负极相接作阴 J以利用 ELID 精密磨削技术实现精密磨削，获得较高 极。通过该技术阳极可以露出锋利的磨粒，堵塞在砂

质量的磨削表面。 轮表层的金属基体可以被电解去除，同时在砂轮表面 I形成一层氧化膜抑制砂轮过度电解，从而使砂轮在磨 3.5 特种加工 N削过程中始终以最佳磨削状态进行加工。该技术在利 3.5.1 碳弧气刨加工

用金属基砂轮进行磨削加工的同时，利用电解方法对 碳弧气刨是用石墨棒或碳棒与工件之间产生电 砂轮进行修整，将砂轮修整与磨削过程结合在一起， 弧，利用电弧的高温将金属熔化，再利用压缩空气将 实现对硬脆材料的超精密镜面磨削。 熔化的金属吹掉的一种刨削金属的方法。碳弧气刨的 M

ELID 磨削非金属硬脆材料技术的发展在国外已 主要特点有:灵活性很大，可进行全位置操作;生产效 经成功地带动了一批新产品、新设备的开发。如东京 率高，劳动强度低，噪声低;设备简单，压缩空气容易 物理化学研究所将 ELID 磨削技术应用于超精密数控 E获得且成本低;在清除焊缝时，有利于焊接质量的提 加工上，成功地加工出光学玻璃和碳化硅陶瓷等材料 高，因其加工过程中表面光亮在电弧下容易发现各种 的高精度非球曲面。日本 Kuroda公司推出了系列 缺陷。 TELID 专用磨床。 3.5.2 电熔爆加工

电熔爆加工技术同碳弧气刨相比也是将熔融的 应用在线电解修锐磨削技术磨削微晶光学玻璃 A金属进行剥离，但是在将金属熔化的过程中是利用电 微晶玻璃和光学玻璃都属于硬脆性材料，用普通机械

熔技术，即通过一个或几个自耗电极与工件之间对金 加工方法无法得到精密光滑表面。可应用 ELID 磨削 LL属加热使金属达到熔融状，再利用高速工作将熔融金 技术对微晶玻璃和光学玻璃进行磨削。在配制微晶玻 属从工件表面剥离。电熔爆技术主要特点如下。 璃 ELID 精密磨削专用磨削液后，利用 ELID 技术对 (1) 电容爆加工技术同传统加工技术相比，加工碳 微晶玻璃进行超精密磨削成为一种非常有效的手段。 化钨、高铬合金、镍基合金、稀土合金、金属陶瓷、钛合 U为对脆性材料在其塑性域内实现超精密磨削加工必 金等各种硬脆性材料，具有效率高、能耗低、成本小等

优点。 须满足以下条件:在砂轮上每一个磨粒的最大切削深

(2) 实现无切削力加工，机床结构减少 80%，机床使 RG度需要小于脆性材料发生脆性破裂的临界切削厚度。

用寿命增加为原来的 5:10 倍。

4 结束语

综上所述，目前国外对硬脆性材料的加工技术比 K2 E lc较先进，而相对落后的处于起步阶段的国内研究现状 (2) a,0,5(1 )( ) c H H 与其广泛的应用是不相协调的，我们要针对应用现状 Y式中:E 为材料的弹性模量，MPa; H 为材料的 大力发展此项加工技术的研究，为国家科技发展提供 显微硬度，GPa;K为材料的断裂韧性，MPa。 lc 强有力保障。 砂轮单颗磨粒的最大切削深度的确定是通过对

磨削过程中砂轮与工件的接触状态进行分析后，得到

公式: 1 4Va 2 w p )a,((3) gmax V N Cd 姨s d r

式中:a为单颗磨粒的最大切削厚度值，mm;Vgmax (收稿 责编 赵实鸣) w2011- 05-31

? 〈 研 究 与 应 用 〉

51 - -

?

mm 1 450 四辊冷轧机组机电设备安装工程的质量控制

曹志强 (天津市金设工程建设监理中心，天津 300203)

, 摘要, 针对冷轧机组机电设备安装工程的工程量大、涉及的专业多等特点，根据监理工作的实践，1对 450 mm四辊 冷 轧机组机电设备安装工程质量进行控制。通过实行加强质量预控、强化质量主动控制、协调各方共同做好冷轧机组机电设备的 试运转等质量控制措施，使四辊冷轧机组机电设备安装工程质量达到了优良标准。

四辊冷轧机组 机电设备 安装 质量控制 关键词

1 工程概况 “质量第一，预防为主”的方针，加强施工质量的预持

天津冷轧板材有限公司从意大利 MINO 公司引 控和主动控制，确立以事前预控为主、事中控制为辅、 进了 1 450 mm四辊冷轧机 组 (以下简称冷轧机组)， 事后控制为补的指导思想，全过程全方位有效地控制 年生产能力为 25 万 t 薄板。它采用双机架大轧制力 冷轧机组机电设备安装工程质量。 配置，液压 AGC控制系统 ，主要电控设备和计算机选

3 加强质量预控，认真做好施工前的各项准备工作用西门子产品，属国内同款机组领先水平。冷轧机的

工艺设备共 21 台(套)，总质量 650 t，电气盘(柜)42 3.1 施工图会审

施工图会审的目的是把问题消灭在萌芽状态，以 台，电缆桥架约 2 200 m，各种电缆约 20 000 m，配套

的工艺管道约 3 500 m。机电设备安装工程的施工周 起到事半功倍的作用。主机从国外引进，但转化设计 期为 90 d。由中国第十八冶金建设公司天津公司施 由中冶南方工程技术有限公司负责，这部分转化设计 工，天津市金设工程监理中心负责监理。 施工图是我们会审的重点。会审的方法是在各专业监 2 冷轧机组机电设备安装工程质量控制的指导思想 理人员熟悉设计文件的基础上，发现和提出问题。更 针对冷轧机组机电设备安装工程的工程量大、涉 及重要是通过专业的会审，发现各专业之间的配合或交 的专业多、技术难度大、施工周期短的特点，我们坚 叉存在的问题，如各工艺设备底座的安装尺寸、孔距

与土建基础是否吻合，设备与外部各专业管道接口是

------------------------------------------------

参考文献 工具技术，2007，41(5):3-8,

[1] 陈明君，王立松，梁迎春,脆性材料塑性域的超精密加工方法 [9] Klocke F，Brinksmeier ，EEvansC. High-speedG rinding-Funda)

ments and State of the Art in Europ，eJapan and the USA [J],An) [J].航空精密制造技术，200(14):10-13,

nals of the CIRP，199(72):715-724, [2] 杨俊飞，田欣利，刘超，等,非金属硬脆材料加工技术的最新进

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[7] Zhang C，Ohmori H，Marinescu I ,Grinding of ceramic coatings

with castiron bond diamond wheels [J],M anuf Techno1，2001，18(8):

545-552. 作者简介 [8] 姜峰，李剑峰，孙杰，等,硬脆材料塑性加工技术的研究现状[J], 陈振理，天津大学冶金分校机械系轧钢机械专业，机械工程师，

主要从事动力基建管理工作。

? 〈 其它 〉52 - -

?

verter, with advantageosf stabity, reabity and low an power mentw ith this method. lililif

consumpiton, gave remarkable enesragvying effect in dedusing spark source spectrometry, bworoorn, king curve, Key words:

fan and wasw orthwhile to be promotedin dedusting system. sample, unerctainty, assessment frequency converter, converter, dteingdu sfan, Key words:

control Analysis on the Transient Bulk Temperature Field of

Converter Reducer Gear

Lin Jianzhu DedustingWater System Modification of Boiler

: With the improvement of gear capacity for converter Ma Junying Abstract

The boer dudestng water system wamso died to ilifireducer, theth eories of gear engagementrti,b ology, heat transfer Abstract:

and Hertz contact waeppre lied to researcht he change la w of solve the problemso f discharge wateflor w rate increase which

relative sliding velocity and f riction coefficient of gear t eeth. affected discharge water qulitya. The paper expounds sttheruc -

ture andw orking principle of the modified process andequ ip- The heaftl ux along the line of action was calculated. By means mento f the water systeAm . dust and water separator aleandn cof setting up the finite element analysis model of transient tem-

water pipeline were addetdo achievet he cyclic utilization of peraturef ield for the gear of converter reducether, gear bulk dedusting water system. Thuaspp, roximate 220,000t water was transient temperaturefie ld was achieved. The relationship be- saved a nnually, converted to about 580,000 RMB, which tween workingti me and temperature gradient awnaalsyz ed and broughtb ig economic and social benefit. the results showetd ha t the faster the converter reducegear r

boiler dudesting water, dust and waters eparator, reachedt he heat blaance, the bettert he gear transmission sys- Key words:

precipitation, filtering, benefit tem worked.T he research resultpsr ovided the theory basis for

the safe useo f converter reducer gear and presentmedet htheod

of rapid modeling and a nalysis for transient bulk temperature Life Prolongation Modification Lifting System of on

field. Converter Movable Hood

Chen HongshenLgiu, Sheng, ShiR uihu Key words: converter reducer, gear, transmission, transient

The frequent runningf ailure at the lifting systemo f Abstract: temperaturefield, finite element, scuffing load capacity converter movabhleoo d is analyzed and two main reasons r e a

found: guide rod bendingdu ring lifting, resulting in unsmooth Brittle Material Machining Technique Study on Hard and

lifting; short pu ll rod, resulting in chain breakage and hoo d ChenZ henli

falling due to chain strengthr eduction by heat radiation. In or- The authors ummarizes the current situation of hard Abstract:

der to lower the failure rate att he lifting systemo f converter and brittle material application and machining aendsta blishes a movable hood andpro long its service life, modification was car- cutting model as p er the characteristics of its low tensile ried on and guidero d and pull rod werer edesigned. Actual op- strength. T he principle, application and l atest study resultosf eration showed that themo dification was successful. some machining methofods r c utting and g rinding are intro-

movable h ood, guide rod, pull rod, service life, Key words: duced.C omparisons are made on the mechanism andexp eri-

modification mento f hard andb rittle material cutting and grinding and spe-

cial machiningis also briefly explained.

Assessment of Spark Source Spectrometry for Uncertainty hard and brittle material, grinding, machining, Key words: Measuring and Determining Trace Boron in Steel cutting, blade,s tudy Han Lihua, Gong Yiyong, Han Chunmei The paper a nalyzes the uncertainty sources in the Abstract: o -mechanical E) Quality Control of Installation of Electr measurementof trace boron in low alloy steel by sparks ource quipment of 1 450 mm Four High Cold Rolling Mill 期 期期期 期期期期期期期期期期期期期期期期期期期期期 spectrometryE. stablishing mathematical models of measuring CaoZ hiqiang 5355 555555555555555555555 5 期 process, the authoarnsa lyze the unecrtainty componentosf cor- Characterized by heavyj ob and specialty variety, the Abstract: 第第第第 第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第 年年年年 rection value, working curveli nearization and high and low cal- 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年 installation of electro- mechanical equipmento f 1 450 mm Four 年第 1111 1111111111111111111111111 111111111111111111111 ibration in measurement, and assess theer taunintcy of measur- High Cold Rolling Mill was controlled on quality accordingt o 0000 000000000000000000000 2222222222222222222222222 2011ing results.I t is found at the assessment that litnheea r factor of supervision practice. The installation quality reachedh igh stan- working curvec ontributes the mostto samples ynthesis standard dard by quality control measureso f strengtheningqu ality pre- uncertainty; correction value, to the second, unertcainty induced control, enhancing active quality control and coordinating the by controng sample dveaton. Cautous seecton of reerence lliiiilifrelevant parties for the startup.

matera and control samplei n working curve shouldbe made ilfour high cold rolling mill, eectro- mechanica e- llKey words:

to eventually calculate extended unerctainty in boron measure- quipment,i nstallation, quality control

58 - -

范文二：硬脆材料加工技术发展现状

硬脆材料加工技术发展现状

2008年第5期?专题述评?

文章编号:1001—2265(2008)05—0001—06

硬脆材料加工技术发展现状

张坤领

r

(河池职业学院机电系,广西河池547000)

摘要:文章对硬脆材料的各种加工方法作以综述,介绍了切割技术的种类,适用范

围及最新研究成果;重

点归纳磨削的各种技术,介绍了最新的磨削技术及其发展情况;对研磨抛光及特

种加工技术的原理,概

况发展及其适用范围也作了说明,尤其对近来出现的硬脆材料加工技术进行了

详细介绍,并展望了硬脆

材料的发展情况.

关键词:加工技术;硬脆材料;磨削

中图分类号:TG65文献标识码:A

OverviewtheMachiningTechnologyofHardandBrittleMaterials

ZHANGKun—ling

(DepartmentofMechanicalandElectrical,HechiVocationalCollege,HechiGuangxi547

000,China)

Abstract:Thepaperintendstoprovideasummarizationaboutvariousmachiningtechnolo

gyinhardandbrit_

tlematerials,includingdifferentcuttingmethodsandtheirusageandtheleastresearch;Bys

ummingupvarious

grindingmethods,introducingnewdevelopmentsofgrindingmachiningtechnology;illus

tratingthetechnology

andprincipleofrubbingandpolishingandthesomespecialmachining,especiallythemachi

ningtechnologyof

hardbrittlematerial,machiningtechnologytendencyofhardbrittlematerialwaspredicate

d.

Keywords:machiningtechnology;hardandbrittlematerials;grinding

O引言

随着生产与科技的发展,微电子,光电子,传感器

技术和材料技术的日益进步,硬质合金,淬火钢,光学

玻璃,陶瓷,半导体材料以及花岗岩等硬脆材料,因耐

磨性强,硬度高等优良性能在工业中的应用渐趋普遍.

近年来,硬脆材料,特别是非金属非导电材料及半导体

材料,由于其独特的性质在电子,光学,仪器仪表,航空

航天,国防及民用工业等诸多领域有着越来越广泛的

作用,占据着越来越重要的地位.

比如,光学玻璃用来制作高精度的透镜,反射镜等

各类光学零件;单晶硅,蓝宝石以及其它光电晶体材料

广泛应用于宇航,通讯,电子等高端科技;陶瓷材料的

应用更为普遍,因为具有高硬度,耐磨损,耐高温,化学

稳定性好,不易氧化腐蚀等优点.近年来,它们的应用

得到了飞速的发展.比如适合电子电路用的陶瓷板,

人造卫星中在真空无润滑状态下仍可保证飞行安全运

行的氮化硅轴承等等.

由此可见,加强对各种硬脆材料加工方法的研究.

对各行各业有着非同凡响的战略意义.

1硬脆材料的切割加工技术

当前,按切割工具形状分,硬脆材料的切割方法可

分为如图1所示的几种.

匝)_[

1钢砂锯

料切割H带锯H金刚石带锯

lL{钢片锯

l=二二二二二二二二二二

f钢丝锯

线锯卜H金刚石串珠锯

__金刚石线锯

图1硬脆材料切割技术分类

收稿日期:2007—10—08;修回日期:2007—12—18

作者简介:张坤领(1968一),男,河南长葛人,广西河池职业学院机械讲师,工程师,

天津大学机械制造及其自动化专业工学硕士,主要研究方向为

硬脆材料磨削,(E—mail)lao91ao@163.coin.

?

专题述评?组合机床与自动化加工技术

1.1圆片锯切割

按切割形式,圆片锯切割又分为外圆切割和内圆

切割两种.

外圆切割机以锯片外圆周上的金刚石磨粒作为切

割刀刃,是应用较早的切割方法?.这种设备具有操

作方便,效率高,加工质量好等优点,但噪音较大,刀片

刚性差.切割过程中锯片易产生振摆,跑偏,导致被切

割工件的平行度差.2001年,信息产业部电子第四十

五研究所,开发WQ.502A型自动外圆切割机,实现了

硬脆材料全自动大件切割.

内圆切割机是利用圆锯片内孔圆周上的金刚石磨

料作切割刀刃,周边被张紧在一个框架上,因此,内圆

切割片的刚性好,可做得很薄,目前最薄可达0.1mm.

内圆切割的切缝窄,材料利用率高,机床易于调整,切

割晶体质量高,对材料损伤极小.由于其显着优点,因

此,内圆切割在硬脆材料的切割领域中应用广泛,发展

迅速,特别适于切割硅晶体,陶瓷及硬质合金等硬脆材

料.但是,内圆切割只能进行直线切割,无法切割曲

面.2000年,山东工业大学栾芝芸等设计开发了一种

新型直槽式金刚石节块(图2)及圆片锯,显着改善了

加工过程中的噪音,排屑等问题.

1.2带状工具切割

框架锯是一种古老的使用带状工具的切割设备,

人们对框架锯切割原理进行了深入的研究.现代框

架锯的工艺参数在一定范围内可自动调节,连杆行程

可实现不停机自动补偿.目前,世界上最大的框架锯

一

次可安装180根锯条,能切出10mm厚板材,锯条行

程为80em,采用双连杆驱动,可确保锯路的直线性.

框架锯是生产花岗岩,大理石板材的常用机械设备,特

别适合生产大尺寸板材.不过,金刚石框架锯目前还

不能用于切割较硬的花岗岩石材.这是因为框架锯的

锯条作往复运动,使金刚石烧结块刀头上的金刚石后

部无法形成”鱼尾”状支撑,把持力较小,容易从胎体上

脱落.

金刚石带锯是以镶焊金刚石烧结块的环形锯条为

切割工具.金刚石带锯于20世纪50年代出现于市

场,我国于80年代才开始研制出该类设备.这种设

备有锯口小,锯切速度快,刀具材料消耗小,噪音小等

优点,但它对荒料要求规整,不能进行多片切割.

钢片切割机是利用一排一定间隙的张紧的钢片在

工件上作往复运动进行切割,其原理类似于钢砂锯.

磨液不断地浇注到钢片与工件的接触部位,钢片将磨

液带入工件切缝中形成切割作用.磨液中的磨料通常

为碳化硅.钢片切割机可同时切割几十片,上百片工

件,切割效率高,质量好.磨液经处理后可重复使用,

但切割环境较脏,对环境仍造成一定污染.钢片切割

法适用于大量生产石英谐振器的石英振子,计算机磁

头用的陶瓷铁氧体结合剂,彩电用的延时玻璃片,陶瓷

等的切断,切槽等.

1.3线锯切割

线锯可分为三种:钢丝锯,金刚石线锯和金刚石串

珠锯.

(1)钢丝锯

传统的钢丝锯一般为往复式运动,受到钢丝长度

的限制,切割速度较低.1990年日本的小岛正康研究

了利用单向行程钢丝进行高速,高精度切断加工,解决

了d#8”的大直径硅片的高精度,高效切断加工问题.

1993年他又研制了一种多线精密切割装置,能使切割

线始终朝一个方向运动,比往复式钢丝锯切割速度提

高1,2倍,可达400,800m/min,通过提高送料速度

可缩短锯切时间,这种钢丝可重复使用5,10次.该

装置可切割单晶硅,石英,陶瓷和水晶等.钢丝锯的主

要特点为:切缝窄,目前最小切缝可达0.2mm,切片量

大,切片成本低;但可靠性差,钢丝耐用度低.不过一

种新型耐用的钢丝绳锯已问世.

(2)金刚石线锯

金刚石线锯是将高硬度,高耐磨性的金刚石磨粒

牢固地电镀在钢丝基体上面制成的一种切割工具.金

刚石线锯不仅可以加工石材,玻璃等普通硬脆材料,而

且因其切缝窄(可小于0.5ram),特别适用于切割宝

石,玛瑙,陶瓷,水晶等贵重的硬脆材料.实验研究表

明,金刚石线锯切割硬脆材料有以下优点:?切割未经

烧结的硬质合金能保证其软的边缘不破损;?脆性晶

体切片用线锯比用砂轮效果好,其振动一旦接触工件

就马上停止;?线锯切割时温度低,可用来切割易炸裂

切割绝缘体不引起崩碎;?能切精密窄缝;? 材料;?

能做大尺寸工件切片?.

钢丝锯和金刚石线锯一般适用于尺寸较小的工件

的窄缝切割,受锯丝长度和寿命的限制,这两种线锯一

般不能用于切割大尺寸工件.

(3)金刚石串珠锯

金刚石串珠锯是近十几年发展较快的切割工具.

它产生于70年代,最初应用于石材的开采,后来广泛

2008年第5期?专题述评?

应用于建筑物,桥梁等混凝土结构的拆除和改造,也用

于切割玻璃等材料.金刚石串珠锯(Diamond

beadsaw)由钢丝绳芯,金刚石串珠和隔离套组成,串珠

以一定间隔穿在绳芯上,并由隔离套分开.串珠锯的

性能,如切割效率,使用寿命等主要取决于金刚石串珠

的物理和机械特性.传统的串珠有两种制造方法,电

镀和热压烧结.最初金刚石串珠是通过电镀的方法制

造的,1983年以后开始用烧结的方法生产.前者只

有一层金刚石磨料,开始时切割速度较快,但磨损速度

也较快;而后者的金刚石磨料可以不断的更新,切割速

度较慢,但使用寿命长.这两种串珠的共同缺点是金

刚石磨粒为随机分布,分布不均.除了制造方法外,材

料组成和工艺条件对串珠特性也有一定影响.最近几

年,有人开始研究以铁作结合剂的串珠,并取得了一定

效果.和传统的磨料相比,金刚石特性优良,金刚

石工具既能加工石材,也可加工玻璃等其它硬脆材料.

因此各国对串珠锯的研究都非常重视.金刚石串珠锯

不但能切割直面,而且还能切割曲面,切割板料时,还

可进行多道串珠锯切割,生产效率非常高,因此,其作

用非常广泛,但受到串珠直径的限制,切缝比较宽,因

此,目前还不能用于细微结构和贵重材料的切割加

工[

.

2硬脆材料的切削加工技术

1984年,鸣龙则彦在日本春,秋季学术演讲会上介

绍了切削予烧结陶瓷的研究成果,对A1,O陶瓷在500

,

1000?,Si,N陶瓷在1100,1400~予烧结,切削成

形后完全烧结,然后精磨制成零件,研究表明:

(1)干式切削中,CBN刀具切削1400~予烧结

si,N寿命最长,陶瓷刀具切削A1:O500,1000?予烧

结陶瓷存在着最佳切削速度.

(2)低温予烧结陶瓷,由于强度低,可用负前角刀

具大进给量切削,加工性最好.

(3)湿式切削,烧结金刚石刀具切削性能最佳.通

过予烧结,不仅比完全烧结后再磨削的成本降低,而且

加工效率大大提高,因此是经济适用的重要工艺.

,中井哲男在《工业材料》上发表了切削完 1983年

全烧结陶瓷的研究成果,研究指出:

(1)材料的硬度和断裂韧性是影响切削力的主要

因素,由于硬度高,刃口难于切入,故径向力远大于其

他分力达5,10倍.

(2)切削用量对温度有影响,其中切削速度影响最

大.

(3)切削中刀具存在机械磨损,他学磨损和剥落,

刃口的剥落是由于在热应力作用下晶界损伤和破裂所

致.

1986年,Toyo大学,KUehara考虑到陶瓷切削的

困难,采用氧乙炔火焰加热切削的方法,对莫来石和氮

化硅陶瓷进行加热切削实验,测定了切削力,表面粗糙

度,刀具磨损和切屑形成,发现由于切削区温度提高,

陶瓷的脆性转化为塑性,在高温条件下两种陶瓷均具

有金属切削的特性,加工表面粗糙度下降,刀具寿命显

着提高,存在的问题在于刀具的冷却问题有待解决.

1992年,日本T.Mafiwaki在CIRP上发表了光学

玻璃延性域切削的文章,指出在切削方向上,将超声振

动作用于金刚石刀具上,进行钠钙玻璃端面切削,可获

得Rmax=30nm的透明表面,实现延性域切削,通过切

槽实验还弄清了由于超声振动,临界切削深度增大了.

1998年,新加玻理化研究所F.Z.Fang进行单晶硅

的金刚石纳米切削,采用0,25.前角刃具进行切深不

断变化的锥面切削,并用SEM和AFT检测,予加工表

面Ra=23.8nm,Rmax=140nm,经延性域切削后,可稳

定的获得Ra=1nm的镜面,并发现:0.前角具有略大于

切深的刀尖钝圆半径,产生了延性域切削所需的流体

静水压力.

2000年,F.Z.Fang又对ZKN7光学玻璃进行延性

域切削,证实在临界切削厚度极限以下,用于裂纹扩展

的能量大于塑性变形能,所以塑性变形起主导作用,可

实现光学玻璃的纳米切削.

3硬脆材料的磨削加工技术

80年初,日本学者富森,贵志浩三,田中义信等发

表了多篇文章,阐述了A1:O,及si,N等陶瓷磨削的基

本规律;影响磨削加工性的主要因素及金刚石砂轮的

磨削性能,至今各国学者对各种先进陶瓷材料如

A12O3,Si3N,ZrO2,Sialon,SiC,Mn—Zn铁氧体,单晶硅,

光学玻璃和金属陶瓷等的磨削力,磨削热,表面质量,

砂轮磨损及修整进行了系统的研究,并研制成多种具

有复杂几何形状的高科技产品,已为许多工业部门所

采用,已达到较高的水平.在这一领域下述几项成果

具有较大的影响.H

3.1硬脆材料超光滑表面磨削的关键技术

(1)在线电解修整金刚石砂轮(ELID)的精密磨削

技术

??

?

专题述评?组合机床与自动化加工技术

ELID磨削技术是El本物理化学研究所大森整等

人于1987年提出的磨削新工艺.其原理是利用弱电

解过程中的阳极溶解现象,对铸铁结合剂(CIB)或铸

铁纤维结合剂(CIFB)砂轮进行在线电解修整.电

解时,砂轮表面的铁元素变成铁离子,从砂轮表面上溶

出,在砂轮表面上生成FeO氧化膜,使不能电解的金

刚石磨粒凸出于砂轮表面.因铁离子不断与电解液中

的氢氧离子发生化学反应,所以在砂轮表面上生成氢

氧化亚铁墨绿色沉淀物;部分又会转变生成氢氧化物

(4Fe(OH))黄褐色沉淀,在砂轮表面上形成钝化膜,

导电性能变弱,使电解修整作用下降.随着磨削过程

的进行,磨粒顶面变平,由于摩擦作用使钝化膜剥离,

砂轮导电性能又恢复,于是电解修锐作用又加强.这

就是在线电解铸铁结合剂金刚石砂轮的动态过程.在

线电解修整的砂轮不仅砂轮被整平,而且始终保持有

足够的容屑空间,极大地改善了金刚石砂轮的磨削性

能,砂轮表面上形成的一定厚度氧化膜层,可减缓或避

免了金刚石砂轮与被磨工件的直接接触.在砂轮高速

旋转时,这一膜层摩擦或刮削被加工表面,实现硬脆材

料光滑表面的超精磨削.电解修整参数对硬脆材料光

滑磨削表面质量有很大影响,电流密度是影响ELID光

滑表面磨削的关键因素,电流密度过大,使砂轮表面电

解溶蚀过度,导致砂轮表面粗糙;电流密度过小,表面

氧化膜层过薄,起不到光滑表面磨削的刮削作用?.

(2)硬脆材料的塑性磨削技术

美国学者T.G.Bifano在1987年提出了塑性磨削

技术,他认为如果将磨削深度控制在几十纳米到几

个纳米之间,则可将硬脆性材料在磨削过程中的去除

机理由脆性崩裂变为塑性流动.

塑性磨削技术是一种纳米级磨削技术,可以获得

只有研磨抛光才能达到的超光滑表面(n为

0.01Ixm).实现塑性磨削的技术关键有三:?应有

足够的机床.砂轮系统刚度,磨床主轴刚度最好在

100N/Ixm以上,以防止振动和外来干扰;?机床主轴

精度高,沿切削方向的高频误差分量小于5nm,总误差

小于50nm;?具有高分辨的进给机构.

(3)砂轮振动及砂轮在线自动平衡技术

砂轮振动是影响光滑表面磨削质量技术的关键之

一

.磨削时,砂轮振动会以两种形式存在,其一是

砂轮未能充分平衡,由主轴周期性旋转而引起的砂轮

振摆;其二是磨粒尖峰受冲击作用,产生不稳定的高频

振荡而造成砂轮的混沌振动.研究表明,砂轮振摆会

使表面粗糙度恶化,磨削表粗糙度与砂轮宽度及砂轮

摆动角有关.为了降低Ra值,必须适当减小砂轮宽

度,将砂轮端面棱角倒圆,并使砂轮的不平衡量降到最

小程度.磨削过程中,嵌在结合剂中的金刚石磨粒与

被磨工件表面相互发生冲击作用时,会使加工表面的

磨痕增大,使表面粗糙度恶化.为了获得光滑表面,必

须使金刚石磨粒的切削刃尖处于同一平面,减小因法

向磨削力作用而引起的金刚石砂轮的法向位移.在硬

脆材料光滑表面的磨削中,为了减小或抑制砂轮振动,

必须解决砂轮平衡技术中的难题.为此,国内外进行

研究较多,主要分为人工平衡,半自动平衡及在线自动

平衡.美国最近研制成功一种Baladyne型氟里昂砂轮

平衡装置,是用氟里昂作为平衡介质的液,汽平衡装

置,使用时,汽态氟里昂冷却后还原为液态,不再流动.

因此当砂轮停止转动时,仍能保持平衡状态,这一点是

其它液体平衡装置所不及的.但是,采用氟里昂式平

衡器,成本高,且对环境有害,不宜推广应用.另外,国

外还开发了光电砂轮动平衡装置及激光平衡装置等.

在国内,山东工业大学研制了砂轮自动平衡智能化监

控系统,可在磨床上实现在线自动平衡,平衡精度超过

了.ISO1940.1973(E)GO.4级的要求.吉林工业大学等

单位研制成了一种新型的砂轮在线液体动平衡装置,

用加速度传感器拾取振动信号,计算机可计算出砂轮

不平衡量的相位,从而可自动向相应的溶液腔体中注

入液体,使溶液腔体中的液体所产生的离心力与砂轮

不平衡所产生的离心力相互抵消,从而实现砂轮的在

线自动平衡.

3.2特种磨削加工技术

(1)高速往复磨削加工

高速往复磨削是德国ELB公司开发的一种新型磨

削方法,它可提高往复工作台速度(约32m/min),减小

工作台行程,缩短模腔状沟槽的磨削时间和短工件的

空磨距离.该磨削方式与缓进给强力磨削相反,工作

台速度为常规往复磨削的2,3倍,由此可增大磨粒切

入深度h…,利用工件的脆性磨除被加工面,实现陶瓷

材料的高效率加工?.

(2)复合磨削加工

超声磨削的原理是对旋转的砂轮施以轴向的超声

波振动,让磨粒冲击工件,从而产生脆性破坏,达到磨

削陶瓷材料的目的.将放电加工和电解加工复合为一

体的磨削方法目前也已达到实用水平,它不仅适用于

2008年第5期?专题述评?

陶瓷材料加工,而且将逐步应用于金属系难切削材料,

烧结金刚石等超硬材料的加工.由于复合磨削加工装

置成本较高,难以引入中小型企业,故目前普及程度有

限.日本工业大学铃木清教授领导的研究小组还开发

出一种磨具不旋转的陶瓷磨削新技术,可对异形孔(如

方孔等)甚至盲孔实施磨削.这种复合超声振动装置

采用了扭转振动与纵向振动相结合的特殊超声振动原

理,可安装在数控机床上进行磨削加工.

3.3高效磨削

高速磨削(HsG——HhSpeedGrinding)是指磨

削速度为45m/s,150m/s的磨削,而?150m/s

的磨削称为超高速磨削.现在工业上实用的磨削速度

已经达到60m/s,250m/s,工件进给速度Vw为(1000

,

10000m/min).在IMT98上,ToyotaMachineryUSA

展出的高速磨床,磨50HRC淬硬钢的传动轴,砂轮线

速度达120m/s.德国早已推出为(140,160)m/s

的CBN磨床.日本也研制了为(160,260)m/s的

超高速外圆磨床,Nissan公司则将200m/s的磨床应用

到了客车引擎生产线上.而德国的Aachen大学则已

经完成了砂轮线速度为500m/s的超高速磨削实

验.国内对高速磨削的研究也有一定程度,湖南大

学早在70年代末就进行了80m/s,120m/s的磨削实

验,东北大学也成功建造了200m/s的超高速磨削实验

台.但是,高速磨削技术仍然是停留在实验室阶段,离

生产应用还有一定距离.

)(cFG——creepFeed 缓进给磨削(蠕动磨削

Grinding)是一种结合大切深和缓进给于一体的高效磨

削技术.它不但工效高,而且磨削精度高和加工表

面质量好.现在应用的磨削深度为(0,30)mm,纵向

进给速度(10,300)mm/min.’

高效深切磨削(HEDG——HiEfficiencyDeep

Grinding)在高速磨削与缓进给磨削的基础上形成的高

效深切磨削工艺,是一种集超高速,大切深,快进给于

一

体的新技术,被誉为”现代磨削技术的高峰”.其

加工表面粗糙度与普通磨削相当,但磨除率却比普通

磨削高(100,1000)倍.现在应用的砂轮线速度已经

达到(80,250)m/s,工件进给速度‰达到(1000,

25000mm/min),磨削深度口达到(0.1,30mm).结

合CBN砂轮与CNC技术,可使单位宽度砂轮上的材料

磨除率高达2000mm/m.s,3000mm/m.s.目前,欧

洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位.

砂带磨削也是一种高效率磨削.其切深达到(3,

5)mm,加工效率比普通磨削高(5,10)倍以上.由于

它属于弹性磨削,有利于解决磨削烧伤和工作变形等

问题.所以,工业发达国家的砂带磨削已占总磨削量

的一半左右.近几年来国外的砂带已用Cubitron

(美国3M公司)和SG磨料取代普通刚玉磨料,同时由

于采用新基体,新结合剂而使砂带寿命延长.

高速重负荷磨削又称荒磨,粗磨,主要用于粗加

工.目前应用的磨削速度达到(80,120)m/s,磨削

压力达(10,12)kN,磨削功率(100,300)kW,最高金

属磨除率达500kg/h,而且机床实现了自动化,大大提

高了生产率.

4特种加工技术

4.1电火花(EDM)加工技术

陶瓷材料电火花加工的技术难度远大于一般金属

材料的电火花加工,这是因为陶瓷具有较大电阻率,超

过了电火花加工范围(电阻率P<100Q?cm)此外,陶

瓷的熔点很高(>2000~),这也增大了加工难度.

因此,必须采取相应措施才能实现陶瓷材料的电火花

加工,通常可采用以下方法:

(1)增大加工电压以提高单个脉冲能量,达到加

强电火花蚀除能力的目的;

(2)提高伺服系统的信号分辨能力,使其能对开

路,放电,短路状态及时作出正确判断,以适应陶瓷加

工的特殊要求.与金属材料相比,陶瓷材料的组织结

构要复杂得多.因此,陶瓷材料的电火花加工是电,

热,流体,化学等综合作用的复杂过程.采用电火花成

型加工及电火花线切割加工HP—SiC陶瓷虽然可行,但

加工效率很低(一般比加工金属材料低一个数量级或

更多).因此,将电火花加工工艺作为HP—SiC陶瓷小

余量型腔,型孔的加工或修整手段较为适宜.据报道,

Charmilles技术公司用电火花工艺加工陶瓷材料的加

工效率已接近用电火花加工金属材料的加工效率.实

验所用陶瓷材料包括高导电陶瓷及各种绝缘陶瓷(加

工时表面需喷涂TiC或TiN等导电化合物).采用电

火花高效加工方式,可减小陶瓷材料表面的微裂纹,提

高工件的拉伸强度,使可减少小批量零件磨削时间的

无余量成形的加工难度大大降低.

4.2激光加工技术

激光用于在陶瓷等超硬材料上加工孔时(功率密

,10W/cm,作用时间10,,10,s),可获得 度10

显着的经济效益.如耐热电路基板大多采用Al,0陶

?

专题述评?组合机床与自动化加工技术

瓷材料制作,加工极为困难,采用CO激光器则可在电

路基板上高效加工出高精度的孔,使加工成本大大降

低.采用英国Frumpt公司生产的TLF750型CO激光

器加工孔径为0.762?0.013mm的孔时,孔的位置公

差<0.0635mm.将激光技术用于陶瓷材料加工是一

种先进工艺,但由于设备昂贵以及大功率激光器安全

性欠佳等原因,目前应用尚不普遍.

4.3振动钻孔技术

振动钻孔技术是在传统钻孔方法的基础上,通过

向刀具(或工件)人为施加一种可控的,有规律的轴向

振动(通常振动频率<200Hz),使刀具(或工件)在振

动的同时进行钻孔.在所加振动的影响下,改变刀

具与工件的运动关系和相互作用条件,从而改善材料

的可加工性,提高刀具的切削性能.振动切削的最大

特点是可以根据工件材料的性能和加工要求改变振动

参数与切削用量的匹配关系,从而能根据需要改变切

削条件,控制切屑的大小和形状.因此,无论加工何种

材料,都能可靠地解决断屑,排屑问题.

4.4超声波微孔加工技术

日本在陶瓷微孔加工中大多采用20kHz超声波和

CO,激光器加工.20kHz超声波加工陶瓷微孔是在不

断供给碳化硼等磨粒与水的混合浆液的同时进行加

工.由于微孔加工所用磨粒粒度很小,因此加工速度

,与超声振动同步的专用工具的设计也很困 很慢;此外

难,因此该方法加工成本极高.CO,激光加工陶瓷微

孔时存在因发热而引起材料龟裂等问题,对激光束直

径也有一定限制.此外,加工深度越大,加工精度越

差.

5研磨抛光工艺的实验研究

研磨抛光历史悠久,应用广泛,而又在不断发展,

各国学者在此领域作了大量的研究工作,对于硅,砷化

钾半导体材料,蓝宝石,铌酸锂(LiNbO)光电子材料,

压电材料,光学玻璃,磁性材料和先进陶瓷等硬脆材料

的研磨抛光技术已达到一个新的水平,发表了大量的

论文论述,我国浙江工业大学袁巨龙教授作了系统的

研究工作,并发表了《功能陶瓷的超精密加工技术》专

着.促进了研磨抛光技术的发展].

5.1先进陶瓷研磨抛光新工艺

(1)弹性发射加工技术(E.E.M).是指加工时研

具与工件不接触,使微粒子冲击工件表面,并产生弹性

?

6?

破坏物质的原子结合,以原子级的加工单位来去除工

件材料,从而获得无损伤的加工表面.其原理是利用

水流加速微细磨粒,以尽可能小的入射角冲击工件表

面,在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相反应,造

成工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互

相扩散,形成与工件表层其它原于结合力较弱的杂质

点缺陷,当磨粒再次撞击这些缺陷时,就会将杂质点原

子与相邻的几个原子一起移去,工件表层凸出的原子

也因受到很大的剪切力而被切除.森勇藏等利用

极微小磨粒,以接近水平的方向和加工表面碰撞,以原

子级加工单位去除材料.由于不与工件表面接触,因

此可得到无损伤表面,当使用聚氨基甲酸脂球为工具

时,采用ZrO?粉末加工单晶硅,表面粗糙度达5埃?.

(2)液体浮动研磨与抛光技术.渡边纯二等采用

的抛光盘沿圆周均布多个斜面槽,通过圆盘转动,由液

体契形成液体动压使工件悬浮,处于浮动间隙中的研

磨抛光粉对工件进行抛光,抛光硬脆材料时可得到不

平度0.3Jixm/qb76mm,表面粗糙度1nm.

(3)界面反应抛光技术.当工件与磨粒摩擦界面

处于高温高压状态时,工件表面上容易形成一层化合

物,在表层深度极浅的反应物很容易通过研抛而去

除:

机械化学固相反应抛光,安永畅男等研究了以

A1O(青玉)和SiO(石英玻璃)在1100K,1300K和

1500K高温高压下接触界面上的界面反应,发现在极

短时间里就生成了数十埃的不稳定的机械化学固相反

应物一蓝晶石,加快了研磨抛光进程,可获得无损伤表

面.

水合反应抛光,杉田忠彰等研究了A1O(青玉),

MgO和SiO(石英玻璃)等氧化物陶瓷的水合反应,在

常温下水合反应很困难,但在高温高压下,A1O(青

玉)的水合反应物为A1(OH),其一般形式为A1O:l:

xHO,在高温高压下形成的水合反应物活性高,故研抛

速度显着提高.

(4)磁悬浮抛光技术.利用磁力悬浮现象,在磁流

体中加入非磁性磨料,当工件相对磨料进行旋转运动

或相对运动时,就实现了工件表面的抛光.1990

年,T.Shimida使用涂覆金刚石的磁性磨粒抛光直径

,弄清了加工特性,当予加工Ra= qb12mm的SiN圆棒

0.45m,经研抛后Ra=0.04jxm,而且得到了半径

0.01mm的倒棱面.

(下转第15页)

2008年第5期?设计与研究?

的参考价值.

4结论

由于CAN总线具有通信速率高,容易实现,性价

比高等特点,使之成为了一种国际标准的现场总线,它

的应用范围已不再局限于汽车等少数行业,而正向自

动控制,航空航天,过程控制,机器人,数控机床等领域

发展.本文采用嵌入式网关技术,结合以太网和CAN

总线的特点,设计了一种适合工业控制领域且通用性

较强的以太网与CAN总线连接方案.该设计方案具

有成本低,可靠性高,处理速度快和通用性强等优点.

其它现场总线与以太网进行连接时如果采取这种方

案,只需更换相应的现场总线控制器和收发器,并对软

件作适当的修改即可.因此,它对于应用嵌入式网关

技术处理现场总线与以太网连接问题有重要的参考价

值.

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273.(编辑李秀敏)

(上接第6页)

6结束语

在材料科学迅猛发展的今天,加工技术的发展趋

势为:?传统精密加工向着超精密加工发展;?高效率

磨削向着以超高速,超重负荷为代表的更高效率磨削

方向发展;?加工自动化正向智能化高层次发展.发

达国家已将高性能工程陶瓷,光学玻璃等硬脆材料列

为优先发展领域.我国继”九五”之后,在”十五”规划

中继续将高温结构材料和陶瓷材料作为国家重点科技

攻关项目.随着对硬脆材料加工机理的深入研究及对

先进加工设备的不断开发,硬脆材料的特种加工和常

规加工技术必将进一步完善和成熟,从而为硬脆材料

开拓出更为广阔的应用景.

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(编辑赵蓉)

?

15?

范文三：硬脆材料高效精密磨粒加工技术

硬脆材料高效精密磨粒加工技术 *

李长河 1 丁玉成 2 卢秉恒 1

西安交通大学 机械工程学院 1 (710049)

青岛理工大学 机械工程学院 2 (266033)

摘 要 分析了硬脆材料加工特点,研究了硬脆材料超高速磨粒加工、延性域磨粒加工、高效率端面磨削加工、 高效率自由磨粒加工和砂带磨削等高效率加工硬脆材料材料去除机制,分析了其关键技术以及国内外研究现状, 为硬脆材料的高效率加工提供合理的技术方案。

关键词 硬脆材料 超高速磨削 延性域磨粒加工 端面磨削 砂带磨削

随着现代高新技术的发展,具有优良性能的硬 脆材料的高效率加工已成为普遍关注的新焦点。硬 脆材料在电子、光学、仪器仪表、航天航空、民用 等行业用来制造高技术产品的前景十分广阔。如大 规模集成电路基片的加工,要求具有极小的不平度 和极低的表面粗糙度, 且加工表面应无杂质和缺陷。 由于其用途特殊,所以要求有很高的加工精度和表 面质量。

陶瓷、单晶硅、人工晶体、红蓝宝石、石材等 硬脆材料的机械加工非常困难、效率低,加工成本 占制品总成本的 30 %~75 %, 有些甚至达到 90 %, 是影响其推广应用的关键因素,世界各发达国家对 硬脆材料加工都给予了高度重视。

美国上世纪 90年代投入 5 000万美元建立陶瓷 可制造技术中心,装备最新磨削加工设备和检测设 备,进行多方面研究工作。日本理化院设立专门研 究部门长期从事硬脆材料加工技术的研究。

1 硬脆材料高效磨粒加工

1.1 硬脆材料超高速磨削

随着现代高科技及产业化发展,工程陶瓷、功 能陶瓷、单晶硅、红蓝宝石和光学玻璃等硬脆材料 获得日益广泛的应用。用超硬磨料在高速或超高速 条件下对硬脆材料进行磨削加工已成为几乎唯一的 加工手段。 在普通磨削条件下, 磨粒浸入工件较深, 磨屑主要以脆性断裂形式完成。超高速磨削单位时 间内参加磨削的磨粒数大大增加,单个磨粒的切削 厚度极薄,容易使陶瓷、玻璃等硬脆材料以塑性变 形形式产生磨屑,大大提高磨削表面质量和效率。 因此超高速磨削能实现对硬脆材料的延性域磨削。 例如,在采用金刚石砂轮以 160 m/s的磨削速度磨 削氮化硅陶瓷,其磨削效率比 80 m/s提高一倍,砂 轮寿命为 80 m/s和 30 m/s时的 1.56倍和 7倍,并 且可获得良好的表面质量。

在超高速磨削条件下,硬脆材料具有良好的磨 削加工性能。 在第 42届国际生产工程研究学会年会 的磨削委员会主题报告中就明确指出, 对工程陶瓷、 功能陶瓷、单晶硅、红蓝宝石和光学玻璃等硬脆材 料的高性能加工应是超高速磨削的重要应用领域。 1.2 硬脆材料延性磨削技术

硬脆材料硬度高、 脆性大, 其加工机制与金属材 料有显著差别。 一般硬脆材料加工以断裂方式去除为 主,它的机制研究建立在断裂力学基础上;而硬脆材 料超精密机械加工以塑性方式去除为主, 去除机制将 从微观角度来分析研究。 目前延性磨削作为硬脆材料 高质量高精度零件的重要加工方法已引起工业界的 特别关注。国内天津大学、湖南大学、东北大学、西 北工业大学、 哈尔滨工业大学等也亦开展了硬脆材料 延性磨削理论与关键技术的研究工作。

陶瓷材料延性域去除方式类似于金属磨削中的 切屑成形过程, 其中涉及了滑擦、 耕犁和切屑形成, 材料是以剪切方式去除的,并产生无裂纹无缺陷表 面的加工技术。 任何脆性材料在一定的加工条件下,

均能够以塑性流动的方式被去除。断裂力学模型预 14

测了产生横向裂纹临界载荷,在低于这一临界载荷 加工条件时,材料将以塑性变形去除为主。对陶瓷 实现延性域磨削和半延性域磨削加工,可以减少工 件表面的微裂纹、裂缝,提高工件的使用性能。延 性域磨削方式虽能获得相当好的表面质量,但效率 较低且加工成本高。研究人员经过大量理论分析和 实验已经证明:要使脆性材料能够实现延性域的精 密磨削,必须满足砂轮单个磨粒的最大切削深度小 于脆性材料的临界切削深度。硬脆材料磨削加工的 基础技术主要包含工具技术、机床技术、测试技术 以及环境技术等。金刚石砂轮硬脆材料磨削的关键 是亚微米级超硬磨料及致密型金刚石砂轮的制备和 修整。其中,激光修整法、游离磨料修整法、杯形 砂轮修整法、电火花修整法、 ELID 技术等具有一 定的实用性。机床对静刚度、动刚度和热刚度均有 严格要求,其中结构设计、微进给机构和石材等结 构材料的选用倍受关注。

目前多数脆塑转变理论基于裂纹形成和扩展过 程的研究, 尚未形成完善理论。 如何应用弹塑性力学、 宏微观断裂力学等相关理论, 研究在复杂磨削应力状 态作用下, 硬脆材料在磨削过程中力学损伤的产生形 式、影响因素以及在切削力的作用下的响应特点,建 立磨削过程裂纹损伤层厚度评估及裂纹扩展临界条 件模型;并在硬脆材料延性去除机理基础上,分析磨 削表面完整性与延性磨削条件的关系, 建立脆塑转变 临界条件模型,是非常重要的研究方向。

1.3 硬脆材料高效率端面磨削技术

硬脆材料磨削的砂轮法向力高于切向力,对砂 轮主轴刚度要求很高。采用杯形砂轮端面磨削可以 在一次磨削中实现高效率无损伤加工。国外已采用 端面磨削快速进给深磨法硬脆材料专用数控加工中 心, Si 3N 4陶瓷磨除率达到 50~125 mm3/(mm·s) 。 日本、德国、意大利、美国等都研制出高刚度、高 精度硬脆材料专用磨床。 国内 1988年华中理工大学 左武炘等对端磨法高效率加工石材机制进行了分 析,天津大学林彬等采用大切深缓进给端磨完成了 Si 3N 4陶瓷发动机气门的高效外圆曲面加工, 材料去 除率达到 40~45 mm3/(s·500W) ; 1992年李亨德等 对端面磨削时磨纹的均匀性进行了解析分析; 1997年东北大学对立轴矩台平面磨削过程温度场进行了 理论分析; 2001年天津大学林彬和张洪亮建立了弧 形移动热源理论,揭示了端面磨削过程的磨削热分 布特征; 2003年东北大学周胜等对杯形砂轮端面磨 削轧辊的磨削几何学进行了研究;广东工业大学阎 秋生多年系统从事小直径 CBN 杯形砂轮磨削技术 研究;北京工业大学、南京航空航天大学、等院校 也曾从事端面磨削技术研究。

杯形砂轮在磨削工件过程中,磨削刃可以分为 主磨削部分、过渡区部分和修磨部分。主磨削部分 形成较大的颗粒状或薄片状切屑,是材料的主要去 除区;过渡区部分磨削力逐渐减小,刀具前方发生 材料微细破碎,形成粒状及粉末状的切屑;修磨部 分的去除量很小,起到修形的作用。

杯形砂轮磨削工件时,裂纹主要出现在主磨削 和过渡区部分,而这裂纹随着磨屑去除而消失。对 工件没有任何影响。由于砂轮磨粒在修磨部分的加 工量级逐渐减少,趋近于零,所以可以获得完整的 被加工表面。杯形砂轮磨削工件实际上是一种端面 磨削方法,修磨部分表面磨损量很小,不需要经常 修整砂轮。将其应用到缓进给磨削加工中,就可以 高效、高精度的精密加工陶瓷材料。

大切深、 缓进给端面磨削是适于硬脆材料的高效 率、低成本磨削加工技术。由于该方法磨削力和磨削 功率比较大,会产生大量磨削热,其磨削热计算理论 和磨削冷却技术是核心问题。 机床刚度和磨削动态特 性研究也是核心理论工作。其主要研究内容包括:大 切深、缓进给高效端面磨削机制及实现技术;高速、 超高速端面磨削机理及实现技术; 端面磨削中的磨削 振动机理及其抑制技术;适于高效率、高精度端面磨 削技术的砂轮设计理论与关键技术。

1.4 硬脆材料自由磨粒加工技术

游离磨粒加工是最悠久而又不断发展的加工方 法。它的切削是由游离分散的磨粒作自由滑动、滚 动和冲击来完成的。由于传统的研磨和抛光对工件 的作用方式比较单一,效率和精度受到严重制约, 促使各种复合和特种自由磨粒加工技术得到发展。 1) 电解研磨复合加工 它是电解加工和研磨 加工的组合。研磨加工时,与工件接触的研磨头既 起研磨作用,又是电解加工用的阴极,工件表面在 电解作用下发生阳极溶解,阳极表面形成极薄的氧 化物层,在工件表面凸起的阳极膜被研磨掉,又露 出新的表面并继续电解。电解作用与研磨作用交替 进行,在极短的时间内,可获得十分光洁的镜面。 2) 离心磁力研磨法 利用工具与被加工材料

15

之间的磁性引力进行表面精加工。工具旋转时产生 离心力,磁化工具上吸附着磁性研磨材料,在因旋 转呈裙状扩展的磁性研磨材料适当位置设置被加工 材料,被加工材料因研磨材料的离心力作用而受到 法向力和切向力进行研磨。

3) 柔性振动研磨 以高分子聚合物为载体, 与 磨粒、防粘剂、润滑剂按一定比例混合,成为一种 具有粘弹流体力学性能、易在型腔内流动的磨料。 以一定压力缓慢推进柔性磨料进入孔腔,柔性载体 能把磨料浮托使磨粒刃暴露在外。对工件激振,柔 性载体与孔壁之间则产生高速、高频振动,暴露在 外的磨粒锐刃划擦孔壁,从而达到研磨目的。该方 法可消除电火花、 激光加工留下的表面和微观缺陷。 4) 磁流体研磨 当没有外磁场作用时, 磁流体 的彻体力与普通流体—样是重力,浮力仅由重力产 生;当有外磁场作用时,磁流体在外磁场中受到的 磁力构成磁流体的磁彻体力。磁流体中的非磁性物 质(金刚石或碳化物磨料)产生比重力场中大许多 倍的浮力,利用和控制这种浮力使非磁性磨粒在高 速下产生微切削作用,从而达到研磨目的。

5) 磁流变研磨 该研磨的方式较多, 其中最典 型的是磁浮置研磨。磁流变抛光液在高强磁场作用 下成为具有粘塑性的 Bingham 介质, 并随运动盘的 运动进入工件和运动盘间的小间隙中,形成一个小 的柔性抛光 “磨头” 。 利用 “小磨头” 与工件之间快 速的相对运动,使得工件表面与之接触的区域产生 很大的剪切力,把工件表面材料去除。这种工艺具 有效率高、不产生下表面破坏层、适合复杂表面加 工、材料去除函数固定不变等优点。

6) 化学机械抛光 将待抛光工件在一定的下 压力及抛光液的存在下相对于一个抛光垫作旋转运 动,借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用 来完成对工件表面的材料去除,并获得光洁表面。 7) 超声波抛光 将工件放入磨料悬浮液中并 一起置于超声波场中,依靠超声波的振荡作用,使 磨料在工件表面磨削抛光。在溶液腐蚀、电解的基 础上,再施加超声波振动搅拌溶液,使工件表面溶 解产物脱离,超声波在液体中的空化作用还能够抑 制腐蚀过程,利于表面光亮化。

8) 磨粒喷射加工 它是一种用高速射流(气 体、液体或气体与液体的混合物)喷射游离磨粒, 磨粒以很高的速度冲击或抛磨工件表面,从而去除 表面材料的磨料去除加工方法。磨粒喷射加工有高 去除率加工和微去除加工之分。高去除率磨粒喷射 加工采用液体、气体或气液混合流体为介质,混入 粗粒径磨粒,经加压混流系统和喷嘴形成高压 (100~400 MPa) 、高速(500~900 m/s)的束流对 工件进行加工。磨粒冲击工件表面时其动能转变为 材料变形能,形成切屑去除材料。其加工面积和加 工深度取决于加工束径、入射角度、喷射速度、压 力及压射距离等。该方法主要用于难加工材料(钛 合金、超级合金、玻璃、陶瓷等)的切割、小孔加 工、 图案喷刻及模具凹腔加工, 铸、 锻件表面清理, 钢板除锈、去涂层,油漆、电镀表面的预加工等。 磨粒喷射加工有如下特点:(1)磨粒喷射加工是 冷切削,不影响和改变热敏感合金的特性,工件表 面不产生应力和热损伤; (2)磨粒喷射光整加工后的 表面有散乱的纹理,表面粗糙度 R a 值在 0.15~1.6 μm之间, 为防止在加工表面形成弯月形洼坑, 喷嘴 必须作不停的运动; (3)磨粒喷射用磨料粉末应仔细 分级筛选,以保证形成合适的射流; (4)喷射加工要 在防尘罩内或在吸力足够的吸尘器附近进行。 高去除率磨粒喷射可以根据被加工材料选择磨 料,如铁砂、氧化铝、碳化硅等磨料。碳化硅磨料 比氧化铝磨料的材料去除率高。磨料速度总是比携 带它的流体速度低。用液体运载比用气体能使磨料 获得较高的速度与动能,可获得较高的加工效率。 压力提高会给技术上带来困难并使设备费用上升。 喷嘴中心线与工件表面切线之间夹角的喷射角一般 取 30o~60o。 从喷射出口沿喷嘴中心线至加工表面 的距离一般取喷射口直径的 6~8倍。

1.5 超声波振动磨削技术

大量研究和实验表明,在陶瓷加工中引入超声 波振动,不仅能够大幅度提高磨削效率,而且能有 效地改善陶瓷磨削表面质量。其基本原理是利用陶 瓷材料受力时裂纹会扩展这一特点对旋转的砂轮施 以轴向或横向的超声波振动,让磨粒冲击工件,从 而产生脆性破坏,达到磨削陶瓷材料的目的。超声 磨削时由于砂轮和工件表面间有微小的间隙,磨削 液容易进入, 切屑容易排出, 可有效防止砂轮堵塞; 振动也使砂轮的自锐性增强从而保持良好的切削能 力。超声波振动磨削技术的主要方法是:在加工工 具或加工材料上施加超声波振动,在工具和工件之 间加入液体磨料,并以较小的压力贴压在工件上。

16

1.6 ELID镜面磨削技术

ELID (Electrolytic In-process Dressing)磨削技 术是一种对金属结合剂超硬磨料在线电解修整的复 合磨削技术。其基本原理是利用金属基砂轮基体导 电和可电解的特性,用在线电解的方法对砂轮表面 的基体材料进行去除, 而磨粒本身不会被电解破坏。 采用 ELID 技术可以解决金属结合剂超硬磨料微粉 砂轮进行磨削时,砂轮表面极易堵塞的问题,保证 砂轮在磨削过程中始终保持锐利状态。此技术可对 工程结构陶瓷进行高效镜面磨削,其表面粗糙度 R a 值达 10 nm以下的水平。因而可部分替代传统的研 磨抛光工艺并且技术简便易于实现,在大型和超大 型结构陶瓷件制造中以及电子工业的陶瓷基板纳米 级表面中发挥作用。

1.7 精密砂带磨削技术

砂带磨削是以砂带作为磨具并辅之以接触轮 (或压磨板) 等完成对工件的磨削加工过程。 其中, 砂带是用粘结剂将磨粒粘结在纸、布等挠性材料上 制成的带状工具。其基本组成为:基材、磨料和粘 结剂,被称为砂带的三要素。砂带磨削作为一种在 材料表面精密加工中有着“万能磨削”和“冷态磨 削” 之称的新型涂附磨削工艺, 在现代制造工业中, 其已经被当作与砂轮磨削同等重要的加工方法。 砂带磨削是一种新的高效磨削技术, 具有磨削、 研磨及抛光的多重作用, 能进行外圆、 内圆、 平面、 型面的磨削,可以获得高的加工精度和表面质量, 应用前景和应用范围非常广泛。目前,在工业发达 国家, 砂带磨削已占总磨削量的 50 %以上。 砂带由 基底(牛皮布纸或聚脂织物)、结合剂(树脂、动 物胶等)和磨粒(刚玉、碳化硅等)三部分组成。 其中砂带表层上的磨粒非常均匀,是通过静电植砂 而成,使得每颗磨粒的锐部都向上,采用先进的测 量装置(β射线)连续控制砂带的厚度,均匀地将 锐利的磨粒进行排列,其等高性好,有效切削面积 大,切除率高,克服了普通砂轮上磨粒杂乱无章排 列的特点。又因为它属于弹性磨削,所以工件变形 小,磨削表面温度低,已加工表面的冷硬层和残留 应力仅为砂轮磨削的 1/10左右。 近年来出现了一种 超精密砂带磨削技术,即磨削加工、研磨加工、振 动加工三合一的复合加工,主要用于精密元件的加 工。 近年国外将砂带磨削用于精密、 超精密加工, 精 度 已 达 微 米 级 , 表 面 粗 糙 度 已 达 到 R a 0.01~ 0.25μm 。对磨削深度的微量控制是提高砂带磨削精 度的先决条件。

2 结语

由于硬脆材料的高硬度和高脆性,在进行加工 时会产生各种类型的表面或亚表面损伤,这将极大 破坏工件表面完整性,进而限制了高效率材料去除 加工。本文分析的高效率硬脆材料磨粒加工技术, 就是在保证材料高表面完整性和尺寸精度的同时, 获得最大的材料去除率, 对工业生产具有指导意义。 参考文献

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17

范文四：硬脆材料加工技术发展现状

文章编号 :1001-2265(2008) 05-0001-06

收稿日期 :2007-10-08; 修回日期 :2007-12-18

作者简介 :张坤领 (1968 ), 男 , 河南长葛人 , 广西河池职业学院机械讲师 , 工程师 , 天津大学机械制造及其自动化专业工学硕士 , 主要研究方向为

硬脆材料磨削 , (E-m ail) lao9lao @163. com 。

硬脆材料加工技术发展现状

张坤领

(河池职业学院 机电系 , 广西 河池 547000)

摘要 :文章对硬脆材料的各种加工方法作以综述 , 介绍了切割技术的种类 、 适用范围及最新研究成果 ; 重 点归纳磨削的各种技术 , 介绍了最新的磨削技术及其发展情况 ; 对研磨抛光及特种加工技术的原理 、 概 况发展及其适用范围也作了说明 , 尤其对近来出现的硬脆材料加工技术进行了详细介绍 , 并展望了硬脆 材料的发展情况 。

关键词 :加工技术 ; 硬脆材料 ; 磨削 中图分类号 :TG65 文献标识码 :A

Overvie w t heM achi n ing Technology of Hard and Brittle M aterials

Z HANG Kun li n g

(Depart m ent ofM echan ica l and E lectrica, l H ech iVocationa l College , H echi Guangx i 547000, China) Abst ract :The paper intends t o pr ovide a su m marization about various mac hining technology in har d and brittle materials , including dif f er ent cutting met hods and t heir usage and t he least resear ch ; By su m ming up various grinding met hods , intr oducing ne w develop ments of grinding machining technology; illustr ating t he t echnology and principle of r ubbing and polishing and the some specialmachining , especially t he ma chining techno logy of har d brittle material , mac hining techno logy tendency of har d brittle material was pr edicated . K ey w ords :machining techno logy ; har d and brittle mat erials ; grinding

0 引言

随着生产与科技的发展 , 微电子、 光电子、 传感器 技术和材料技术的日益进步 , 硬质合金、 淬火钢、 光学 玻璃、 陶瓷、 半导体材料以及花岗岩等硬脆材料 , 因耐 磨性强、 硬度高等优良性能在工业中的应用渐趋普遍。 近年来 , 硬脆材料 , 特别是非金属非导电材料及半导体 材料 , 由于其独特的性质在电子、 光学、 仪器仪表、 航空 航天、 国防及民用工业等诸多领域有着越来越广泛的 作用 , 占据着越来越重要的地位。

比如 , 光学玻璃用来制作高精度的透镜、 反射镜等 各类光学零件 ; 单晶硅、 蓝宝石以及其它光电晶体材料 广泛应用于宇航、 通讯、 电子等高端科技 ; 陶瓷材料的 应用更为普遍 , 因为具有高硬度、 耐磨损、 耐高温、 化学 稳定性好、 不易氧化腐蚀等优点。近年来 , 它们的应用 得到了飞速的发展。比如适合电子电路用的陶瓷板 ,

人造卫星中在真空无润滑状态下仍可保证飞行安全运 行的氮化硅轴承等等。

由此可见 , 加强对各种硬脆材料加工方法的研究 , 对各行各业有着非同凡响的战略意义。

1 硬脆材料的切割加工技术

当前 , 按切割工具形状分 , 硬脆材料的切割方法可 分为如图 1

所示的几种。

图 1 硬脆材料切割技术分类

12008年第 5期

专题述评

1. 1 圆片锯切割

按切割形式 , 圆片锯切割又分为外圆切割和内圆 切割两种。

外圆切割机以锯片外圆周上的金刚石磨粒作为切 割刀刃 , 是应用较早的切割方法 [1]。这种设备具有操 作方便、 效率高、 加工质量好等优点 , 但噪音较大 , 刀片 刚性差。切割过程中锯片易产生振摆、 跑偏 , 导致被切 割工件的平行度差。 2001年 , 信息产业部电子第四十 五研究所 , 开发 WQ 502A 型自动外圆切割机 , 实现了 硬脆材料全自动大件切割 [2]。

内圆切割机是利用圆锯片内孔圆周上的金刚石磨 料作切割刀刃 , 周边被张紧在一个框架上 , 因此 , 内圆 切割片的刚性好 , 可做得很薄 , 目前最薄可达 0 1mm 。 内圆切割的切缝窄 , 材料利用率高 , 机床易于调整 , 切 割晶体质量高 , 对材料损伤极小。由于其显著优点 , 因 此 , 内圆切割在硬脆材料的切割领域中应用广泛 , 发展 迅速 , 特别适于切割硅晶体、 陶瓷及硬质合金等硬脆材 料。但是 , 内 圆切割只 能进行 直线切割 , 无法切 割曲 面。 2000年 , 山东工业大学栾芝芸等设计开发了一种 新型直槽式金刚石节块 (图 2) 及圆片锯 , 显著改善了 加工过程中的噪音、 排屑等问题 [3]。

1. 2 带状工具切割

框架锯是一种古老的使用带状工具的切割设备 , 人们对框架锯切割原理进行了深入的研究 [4]。现代框 架锯的工艺参数在一定范围内可自动调节 , 连杆行程 可实现不停机自动补偿。目前 , 世界上最大的框架锯 一次可安装 180根锯条 , 能切出 10mm 厚板材 , 锯条行 程为 80c m , 采用双连杆驱动 , 可确保锯路的直线性 [5]。 框架锯是生产花岗岩、 大理石板材的常用机械设备 , 特 别适合生产大尺寸板材。不过 , 金刚石框架锯目前还 不能用于切割较硬的花岗岩石材。这是因为框架锯的 锯条作往复运动 , 使金刚石烧结块刀头上的金刚石后 部无法形成 ! 鱼尾 ? 状支撑 , 把持力较小 , 容易从胎体上 脱落。

金刚石带锯是以镶焊金刚石烧结块的环形锯条为 切割工具。金刚石带锯于 20世纪 50年代出 现于市 场 , 我国于 80年代才开始研制出该类设备 [6]。这种设 备有锯口小 , 锯切速度快 , 刀具材料消耗小、 噪音小等 优点 , 但它对荒料要求规整 , 不能进行多片切割。 钢片切割机是利用一排一定间隙的张紧的钢片在 工件上作往复运动进 行切割 , 其原理类 似于钢砂 锯。 磨液不断地浇注到钢片与工件的接触部位 , 钢片将磨 液带入工件切缝中形成切割作用。磨液中的磨料通常 为碳化硅。钢片切割机可同时切割几十片、 上百片工 件 , 切割效率高 , 质量好。磨液经处理后可重复使用 , 但切割环境较脏 , 对环境仍造成一定污染。钢片切割 法适用于大量生产石英谐振器的石英振子 , 计算机磁 头用的陶瓷铁氧体结合剂 , 彩电用的延时玻璃片 , 陶瓷 等的切断、 切槽等 [7]。

1. 3 线锯切割

线锯可分为三种 :钢丝锯、 金刚石线锯和金刚石串 珠锯。

(1) 钢丝锯

传统的钢丝锯一般为往复式运动 , 受到钢丝长度 的限制 , 切割速度较低。 1990年日本的小岛正康研究 了利用单向行程钢丝进行高速、 高精度切断加工 , 解决 了 8#的 大直 径硅片 的高精 度、 高效切 断加工 问题。 1993年他又研制了一种多线精密切割装置 , 能使切割 线始终朝一个方向运动 , 比往复式钢丝锯切割速度提 高 1~2倍 , 可达 400~800m /mi n , 通过提高送料速度 可缩短锯切时间 , 这种钢丝可重复使用 5~10次。该 装置可切割单晶硅、 石英、 陶瓷和水晶等。钢丝锯的主 要特点为 :切缝窄 , 目前最小切缝可达 0 2mm , 切片量 大 , 切片成本低 ; 但可靠性差 , 钢丝耐用度低。不过一 种新型耐用的钢丝绳锯已问世 [8 9]。

(2) 金刚石线锯

金刚石线锯是将高硬度、 高耐磨性的金刚石磨粒 牢固地电镀在钢丝基体上面制成的一种切割工具。金 刚石线锯不仅可以加工石材、 玻璃等普通硬脆材料 , 而 且因其切缝 窄 (可小 于 0 5mm ), 特别适 用于 切割宝 石、 玛瑙、 陶瓷、 水晶等贵重的硬脆材料。实验研究表 明 , 金刚石线锯切割硬脆材料有以下优点 :? 切割未经 烧结的硬质合金能保证其软的边缘不破损 ; %脆性晶 体切片用线锯比用砂轮效果好 , 其振动一旦接触工件 就马上停止 ; &线锯切割时温度低 , 可用来切割易炸裂 材料 ; ? 切割绝缘体不引起崩碎 ; (能切精密窄缝 ; ) 能做大尺寸工件切片 [10]。

钢丝锯和金刚石线锯一般适用于尺寸较小的工件 的窄缝切割 , 受锯丝长度和寿命的限制 , 这两种线锯一 般不能用于切割大尺寸工件 [7]。

(3) 金刚石串珠锯

金刚石串珠锯是近十几年发展较快的切割工具。 它产生于 70年代 , 最初应用于石材的开采 , 后来广泛

专题述评 组合机床与自动化加工技术

应用于建筑物、 桥梁等混凝土结构的拆除和改造 , 也用 于切割 玻 璃 等 材 料 [11 12]。金 刚 石 串 珠 锯 (D ia m ond bead sa w ) 由钢丝绳芯、 金刚石串珠和隔离套组成 , 串珠 以一定间隔穿在绳芯上 , 并由隔离套分开。串珠锯的 性能 , 如切割效率、 使用寿命等主要取决于金刚石串珠 的物理和机械特性。传统的串珠有两种制造方法 , 电 镀和热压烧结。最初金刚石串珠是通过电镀的方法制 造的 , 1983年以后开始用烧结的方法生产 [13]。前者只 有一层金刚石磨料 , 开始时切割速度较快 , 但磨损速度 也较快 ; 而后者的金刚石磨料可以不断的更新 , 切割速 度较慢 , 但使用寿命长。这两种串珠的共同缺点是金 刚石磨粒为随机分布 , 分布不均。除了制造方法外 , 材 料组成和工艺条件对串珠特性也有一定影响。最近几 年 , 有人开始研究以铁作结合剂的串珠 , 并取得了一定 效果 [14]。和传统的磨料相比 , 金刚石特性优良 , 金刚 石工具既能加工石材 , 也可加工玻璃等其它硬脆材料。 因此各国对串珠锯的研究都非常重视。金刚石串珠锯 不但能切割直面 , 而且还能切割曲面 , 切割板料时 , 还 可进行多道串珠锯切割 , 生产效率非常高 , 因此 , 其作 用非常广泛 , 但受到串珠直径的限制 , 切缝比较宽 , 因 此 , 目前还不 能用 于细 微结 构和贵 重材 料的 切割 加 工 [7]。

2 硬脆材料的切削加工技术

1984年 , 鸣龙则彦在日本春、 秋季学术演讲会上介

绍了切削予烧结陶瓷的研究成果 , 对 A l 2 O

3

陶瓷在 500

~1000? , S i 3N 4陶瓷在 1100~1400? 予烧结 , 切削成 形后完全烧结 , 然后精磨制成零件 , 研究表明 :

(1) 干 式 切削 中 , CB N 刀具 切削 1400? 予烧 结 S i 3N 4寿命最长 , 陶瓷刀具切削 A l 2O 3500~1000? 予烧 结陶瓷存在着最佳切削速度。

(2) 低温予烧结陶瓷 , 由于强度低 , 可用负前角刀 具大进给量切削 , 加工性最好。

(3) 湿式切削 , 烧结金刚石刀具切削性能最佳。通 过予烧结 , 不仅比完全烧结后再磨削的成本降低 , 而且 加工效率大大提高 , 因此是经济适用的重要工艺。 1983年 , 中井哲男在 +工业材料 , 上发表了切削完 全烧结陶瓷的研究成果 , 研究指出 :

(1) 材料的硬度和断裂韧性是影响切削力的主要 因素 , 由于硬度高 , 刃口难于切入 , 故径向力远大于其 他分力达 5~10倍。

(2) 切削用量对温度有影响 , 其中切削速度影响最 大。

(3) 切削中刀具存在机械磨损 , 他学磨损和剥落 , 刃口的剥落是由于在热应力作用下晶界损伤和破裂所 致。

1986年 , Toyo 大学 , K. Uehara 考虑到陶瓷切削的 困难 , 采用氧乙炔火焰加热切削的方法 , 对莫来石和氮 化硅陶瓷进行加热切削实验 , 测定了切削力 , 表面粗糙 度 , 刀具磨损和切屑形成 , 发现由于切削区温度提高 , 陶瓷的脆性转化为塑性 , 在高温条件下两种陶瓷均具 有金属切削的特性 , 加工表面粗糙度下降 , 刀具寿命显 著提高 , 存在的问题在于刀具的冷却问题有待解决。 1992年 , 日本 T. M ari w aki 在 C I R P 上发表了光学 玻璃延性域切削的文章 , 指出在切削方向上 , 将超声振 动作用于金刚石刀具上 , 进行钠钙玻璃端面切削 , 可获 得 Rm ax =30nm 的透明表面 , 实现延性域切削 , 通过切 槽实验还弄清了由于超声振动 , 临界切削深度增大了。 1998年 , 新加玻理化研究所 F . Z . Fang 进行单晶硅 的金刚石纳米切削 , 采用 0~25? 前角刃具进行切深不 断变化的锥面切削 , 并用 SE M 和 AFT 检测 , 予加工表 面 Ra =23 8n m, Rm ax =140nm, 经延性域切削后 , 可稳 定的获得 Ra =1nm 的镜面 , 并发现 :0? 前角具有略大于 切深的刀尖钝圆半径 , 产生了延性域切削所需的流体 静水压力。

2000年 , F . Z . Fang 又对 ZKN7光学玻璃进行延性 域切削 , 证实在临界切削厚度极限以下 , 用于裂纹扩展 的能量大于塑性变形能 , 所以塑性变形起主导作用 , 可 实现光学玻璃的纳米切削 [15]。

3 硬脆材料的磨削加工技术

80年初 , 日本学者富森 , 贵志浩三 , 田中义信等发 表了多篇文章 , 阐述了 A l 2O 3及 S i 3N 4等陶瓷磨削的基 本规律 ; 影响磨削加工性的主要因素及金刚石砂轮的 磨削性 能 , 至 今 各 国 学 者 对 各 种 先 进 陶 瓷 材 料 如 A l 2O 3, Si 3N 4, Zr O 2, Sia l o n , Si C , M n Zn 铁氧体 , 单晶硅 , 光学玻璃和金属陶瓷等的磨削力 , 磨削热 , 表面质量 , 砂轮磨损及修整进行了系统的研究 , 并研制成多种具 有复杂几何形状的高科技产品 , 已为许多工业部门所 采用 , 已达到较高的水平。在这一领域下述几项成果 具有较大的影响。 [15]

3. 1 硬脆材料超光滑表面磨削的关键技术

(1) 在线电解修整金刚石砂轮 (EL I D ) 的精密磨削 技术

3

2008年第 5期 专题述评

ELI D 磨削技术是日本物理化 学研究所大森整等 人于 1987年提出的磨削新工艺。其原理是利用弱电 解过程中的阳极溶解 现象 , 对铸铁结合剂 (C I B ) 或铸 铁纤维结合剂 (C I FB ) 砂轮进行在线电解修整 [18]。电 解时 , 砂轮表面的铁元素变成铁离子 , 从砂轮表面上溶 出 , 在砂轮表面上生成 Fe 2O 3氧化膜 , 使不能电解的金 刚石磨粒凸出于砂轮表面。因铁离子不断与电解液中 的氢氧离子发生化学反应 , 所以在砂轮表面上生成氢 氧化亚铁墨绿色沉淀物 ; 部分又会转变生成氢氧化物 (4Fe(OH ) 3) 黄褐色沉淀 , 在砂轮表面上形成钝化膜 , 导电性能变弱 , 使电解修整作用下降。随着磨削过程 的进行 , 磨粒顶面变平 , 由于摩擦作用使钝化膜剥离 , 砂轮导电性能又恢复 , 于是电解修锐作用又加强。这 就是在线电解铸铁结合剂金刚石砂轮的动态过程。在 线电解修整的砂轮不仅砂轮被整平 , 而且始终保持有 足够的容屑空间 , 极大地改善了金刚石砂轮的磨削性 能 , 砂轮表面上形成的一定厚度氧化膜层 , 可减缓或避 免了金刚石砂轮与被磨工件的直接接触。在砂轮高速 旋转时 , 这一膜层摩擦或刮削被加工表面 , 实现硬脆材 料光滑表面的超精磨削。电解修整参数对硬脆材料光 滑磨削表面质量有很大影响 , 电流密度是影响 ELI D 光 滑表面磨削的关键因素 , 电流密度过大 , 使砂轮表面电 解溶蚀过度 , 导致砂轮表面粗糙 ; 电流密度过小 , 表面 氧化膜层过薄 , 起不到光滑表面磨削的刮削作用 [16]。 (2) 硬脆材料的塑性磨削技术

美国学者 T . G. B ifano 在 1987年提出了塑性磨削 技术 [18], 他认为如果将磨削深度控制在几十纳米到几 个纳米之间 , 则可将硬脆性材料在磨削过程中的去除 机理由脆性崩裂变为塑性流动。

塑性磨削技术是一种纳米级磨削技术 , 可以获得 只有 研 磨 抛 光 才 能 达 到 的 超 光 滑 表 面 (Ra 为 0 01 m ) [17]。实现塑性磨削的技术关键有三 :? 应有 足 够的 机 床 砂 轮 系 统刚 度 , 磨 床 主轴 刚 度 最 好 在 100N / m 以上 , 以防止振动和外来干扰 ; %机床主轴 精度高 , 沿切削方向的高频误差分量小于 5nm, 总误差 小于 50nm; &具有高分辨的进给机构。

(3) 砂轮振动及砂轮在线自动平衡技术

砂轮振动是影响 光滑表面 磨削质量 技术的关 键 之一 [17]。磨削时 , 砂轮振动会以两种形式存在 , 其一 是砂轮未能充分平衡 , 由主轴周期性旋转而引起的砂 轮振摆 ; 其二是磨粒尖峰受 冲击作用 , 产生不稳定 的 高频振荡而造成砂轮的混沌振动。研究表明 , 砂轮振 摆会使表面粗 糙度恶 化 , 磨 削表粗 糙度 与砂 轮宽 度 及砂 轮摆 动角 有关 。为 了降 低 R a 值 , 必须 适 当 减 小砂 轮宽度 , 将砂 轮 端面 棱 角 倒圆 , 并 使砂 轮 的 不 平衡 量降到最小程 度。磨 削过 程中 , 嵌 在结 合剂 中 的金 刚石磨 粒与 被 磨工 件 表 面相 互 发 生冲 击 作 用 时 , 会使加 工表面的磨 痕增大 , 使表 面粗糙 度恶 化。 为了 获得光滑表面 , 必 须使 金刚石 磨粒 的切 削刃 尖 处于 同一平面 , 减小因 法向 磨削力 作用 而引 起的 金 刚石 砂轮的法向位移。在硬脆材料光滑表 面的磨削 中 , 为了减 小 或抑 制 砂轮 振 动 , 必 须 解 决砂 轮 平 衡 技术中 的难题。 为 此 , 国 内 外 进 行 研究 较 多 , 主 要 分为 人工平衡、 半自 动平 衡及 在线自 动平 衡。美 国 最近 研制 成功 一 种 B aladyne 型 氟 里 昂砂 轮 平 衡 装 置 , 是用氟 里昂作为平 衡介质 的液、 汽平衡 装置 , 使 用时 , 汽 态 氟 里 昂 冷 却 后 还 原 为 液 态 , 不 再 流 动。 因此 当砂轮 停止 转 动 时 , 仍 能 保持 平 衡 状态 , 这 一 点是 其它液体平衡 装置 所不 及的。 但是 , 采 用氟 里 昂式 平 衡 器 , 成 本 高 , 且 对 环 境 有 害 , 不 宜 推 广 应 用。 另外 , 国外还开发 了光 电砂轮 动平 衡装 置及 激 光平 衡装置等。在国 内 , 山 东工业 大学 研制 了砂 轮 自动 平衡智能化监控 系统 , 可在磨 床上 实现 在线 自 动平 衡 , 平 衡精度超过了 ISO 1940 1973(E ) G0 4级 的要 求。吉林工业大学等单位研制成了一 种新型的 砂轮 在线液体动平衡 装置 , 用加速 度传 感器 拾取 振 动信 号 , 计 算 机可 计 算出 砂 轮 不平 衡 量 的相 位 , 从 而可 自动向相应的溶 液腔 体中 注入 液体 , 使 溶液 腔 体中 的液体所产生的离心力与砂轮不平衡 所产生的 离心 力相互抵消 , 从而实现砂轮的在线自动平衡。 3 2 特种磨削加工技术

(1) 高速往复磨削加工

高速 往复磨 削 是德 国 ELB 公 司 开 发的 一 种 新 型磨 削 方 法 , 它 可 提 高 往 复 工 作 台 速 度 (约 32m / m i n ) , 减 小工 作台 行 程 , 缩 短模 腔 状沟 槽 的磨 削 时 间和 短工件的空磨距离。该磨削方式与缓 进给强力 磨削 相反 , 工作台速度为 常规 往复 磨削的 2~3倍 , 由此 可增大磨 粒切 入 深度 h max , 利 用 工件 的脆 性 磨 除被 加工面 , 实现陶瓷材料的高效率加工 [19]。 (2) 复合磨削加工

超声磨削的原理是对旋转的砂轮施以轴向的超声 波振动 , 让磨粒冲击工件 , 从而产生脆性破坏 , 达到磨 削陶瓷材料的目的。将放电加工和电解加工复合为一 体的磨削方法目前也已达到实用水平 , 它不仅适用于

专题述评 组合机床与自动化加工技术

陶瓷材料加工 , 而且将逐步应用于金属系难切削材料、 烧结金刚石等超硬材料的加工。由于复合磨削加工装 置成本较高 , 难以引入中小型企业 , 故目前普及程度有 限。日本工业大学铃木清教授领导的研究小组还开发 出一种磨具不旋转的陶瓷磨削新技术 , 可对异形孔 (如 方孔等 ) 甚至盲孔实施磨削。这种复合超声振动装置 采用了扭转振动与纵向振动相结合的特殊超声振动原 理 , 可安装在数控机床上进行磨削加工 [20]。

3 3 高效磨削

高速磨削 (HSG H i g h Speed Grinding ) 是 指磨 削速度 Vs 为 45m /s~150m /s的磨削 , 而 Vs . 150m /s的磨削称为超高速磨削。现在工业上实用的磨削速度 已经达到 60m /s~250m /s, 工件进给速度 Vw 为 (1000 ~10000m /min) 。在 I M T98上 , Toyo ta M ach i n er y USA 展出的高速磨床 , 磨 50HRC 淬硬钢的传动轴 , 砂轮线 速度达 120m /s 。 德国早已推出 Vs 为 (140~160) m /s的 CBN 磨床。日本也研制了 Vs 为 (160~260) m /s 的 超高速外圆磨床 , N issan 公司则将 200m /s 的磨床应用 到了客车引擎生产线上。而 德国的 A achen 大学则已 经完 成 了 砂 轮 线 速 度 为 500m /s的 超 高 速 磨 削 实 验 [21]。国内对高速磨削的研究也有一定程度 , 湖南大 学早在 70年代末 就进行了 80m /s 、 120m /s的磨 削实 验 , 东北大学也成功建造了 200m /s的超高速磨削实验 台。但是 , 高速磨削技术仍然是停留在实验室阶段 , 离 生产应用还有一定距离。

缓进 给 磨 削 (蠕 动 磨 削 ) (CFG C reep Feed Grinding) 是一种结合大切深和缓进给于一体的高效磨 削技术 [21]。它不但工效高 , 而且磨削精度高和加工表 面质量好。现在应用的磨削深度为 (0~30) mm, 纵向 进给速度 (10~300) mm /min 。

高 效 深 切 磨 削 (HEDG H i g h E fficiency D eep Grinding) 在高速磨削与缓进给磨削的基础上形成的高 效深切磨削工艺 , 是一种集超高速、 大切深、 快进给于 一体的新技术 , 被誉为 ! 现代磨削技术的高峰 ? [21]。其 加工表面粗糙度与普通磨削相当 , 但磨除率却比普通 磨削高 (100~1000) 倍。现在应用的砂轮线速度已经 达到 (80~250) m /s, 工件进 给速度 Vw 达到 (1000~ 25000mm /min), 磨削深度 a p 达到 (0 1~30mm ) 。结 合 CBN 砂轮与 C NC 技术 , 可使单位宽度砂轮上的材料 磨除率高达 2000mm 3/m. s~3000mm 3/m.s 。 目前 , 欧 洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位。

砂带磨削也是一种高效率磨削。其切深达到 (3~ 5) mm, 加工效率比普通磨削高 (5~10) 倍以上。由于 它属于弹性磨削 , 有利于解决磨削烧伤和工作变形等 问题。所以 , 工业发达国家的砂带磨削已占总磨削量 的一半左右 [21]。近几 年来国 外的砂 带已 用 Cubitron (美国 3M 公司 ) 和 SG 磨料取代普通刚玉磨料 , 同时由 于采用新基体、 新结合剂而使砂带寿命延长。

高速重 负荷 磨削又称荒磨、 粗磨 , 主要用于粗加工 [21]。 目前应 用的 磨削速 度达到 (80~120)m /s , 磨削压力达 (10~ 12) k N, 磨削 功率 (100~300) k W , 最高金属磨除率达 500kg / h , 而 且机床 实现 了自动 化 , 大大 提高了 生产率 。

4 特种加工技术

4 1 电火花 (EDM ) 加工技术 [20]

陶瓷材料电火花加工的技术难度远大于一般金属 材料的电火花加工 , 这是因为陶瓷具有较大电阻率 , 超过了电火花加工范围 (电阻率 <100! c="" m="" )="" 此="" 外="" ,="" 陶瓷的熔点很高="" (t="" m="">2000? ), 这也增大了加 工难度。因此 , 必须采取相应措施才能实现陶瓷材料 的电火花加工 , 通常可采用以下方法 :

(1) 增大加工电压以提高单个脉冲能量 , 达到加 强电火花蚀除能力的目的 ;

(2) 提高伺服系统的信号分辨能力 , 使其能对开 路、放电、短路状态及时作出正确判断 , 以适应陶瓷 加工的特殊要求。与金属材料相比 , 陶瓷材料的组织 结构要复杂得多。因此 , 陶瓷材 料的电 火花 加工是 电、热、流体、化学等综合作用的复杂过程。采用电 火花成型加工及电火花线切割加工 H P Si C 陶瓷虽然 可行 , 但加工效率很低 (一般比加工金属材料低一个 数量级或更多 ) 。因此 , 将电火花加工工艺作为 H P Si C 陶瓷小余量型腔、型孔的加工或修整手段较为适 宜。据报道 , Char m illes 技术公司用 电火花工艺加工 陶瓷材料的加工效率已接近用电火花加工金属材料的 加工效率。实验所用陶瓷材料包括高导电陶瓷及各种 绝缘陶瓷 (加工时表面需喷涂 T i C 或 T i N 等导电化合 物 ) 。采用电火花高效加工方式 , 可减小陶瓷材料表 面的微裂纹 , 提高工件的拉伸强度 , 使可减少小批量 零件磨削时间的无余量成形的加工难度大大降低。 4 2 激光加工技术

激光用于在陶瓷等超硬材料上加工孔时 (功率密 度 107~108W /cm 2, 作用时间 10-3~10-5s), 可获 得显著的经济效益。如耐热电路基板大多采用 A l 2O 3 5

2008年第 5期 专题述评

陶瓷材料制作 , 加工极为困难 , 采用 CO 2激光器则可 在电路基板上高效加工出高精度的孔 , 使加工成本大 大降低。采用英国 Frum pt 公司生产的 TLF750型 CO 2激光器加工孔径为 0 762/0 013mm 的孔时 , 孔的位 置公差 <0 0635mm="" 。将激光技术用于陶瓷材料加工="" 是一种先进工艺="" ,="" 但由于设备昂贵以及大功率激光器="" 安全性欠佳等原因="" ,="" 目前应用尚不普遍="">

4 3 振动钻孔技术

振动钻孔技术是在传统钻孔方法的基础上 , 通过 向刀具 (或工件 ) 人为施加一种可控的、有规律的轴 向振动 (通常 振 动频 率 <200h z),="" 使刀="" 具="" (或="" 工="" 件="" )="" 在振动的同时进行钻孔="" [22]。在所加振动的影响="" 下="" ,="" 改变刀具与工件的运动关系和相互作用条件="" ,="" 从="" 而改善材料的可加工性="" ,="" 提高刀具的切削性能。振动="" 切削的最大特点是可以根据工件材料的性能和加工要="" 求改变振动参数与切削用量的匹配关系="" ,="" 从而能根据="" 需要改变切削条件="" ,="" 控制切屑的大小和形状。因此="" ,="" 无论加工何="" 种材料="" ,="" 都能="" 可靠地="" 解决断="" 屑、排="" 屑问="">

4 4 超声波微孔加工技术

日本在陶瓷微孔加工中大多采用 20kH z 超声波和 CO 2激光器加工。 20k H z 超声波加工陶瓷微孔是在不断 供给碳化硼等磨粒与水的混合浆液的同时进行加工。 由于微孔加工所用磨粒粒度很小 , 因此加工速度很慢 ; 此外 , 与超声振动同步的专用工具的设计也很困难 , 因此该方法加工成本极高。 C O 2激光加工陶瓷微孔时 存在因发热而引起材料龟裂等问题 , 对激光束直径也 有一定限制。此外 , 加工深度越大 , 加工精度越差 [20]。

5 研磨抛光工艺的实验研究

研磨抛光历史悠久 , 应用广泛 , 而又在不断发展 , 各国学者在此领域作了大量的研究工作 , 对于硅 , 砷 化钾半导体材料 , 蓝宝石 , 铌酸锂 (Li N bO 3) 光电子 材料 , 压电材料 , 光学玻璃 , 磁性材料和先进陶瓷等 硬脆材料的研磨抛光技术已达到一个新的水平 , 发表 了大量的论文论述 , 我国浙江工业大学袁巨龙教授作 了系统的研究工作 , 并发表了 +功能陶瓷的超精密加 工技术 , 专著。促进了研磨抛光技术的发展 [15]。 5. 1 先进陶瓷研磨抛光新工艺

(1) 弹性发射加工技术 (E . E . M ) 。是指加工 时研具与工件不接触 , 使微粒子冲击工件表面 , 并产 生弹性破坏物质的原子结合 , 以原子级的加工单位来 去除工件材料 , 从而获得无损伤的加工表面。其原理 是利用水流加速微细磨粒 , 以尽可能小的入射角冲击 工件表面 , 在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相 反应 , 造成工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨 粒原子互相扩散 , 形成与工件表层其它原于结合力较 弱的杂质点缺陷 , 当磨粒再次撞击这些缺陷时 , 就会 将杂质点原子与相邻的几个原子一起移去 , 工件表层 凸出的原子也因受到很大 的剪切力而被 切除 [24]。森 勇藏等利用极微小磨粒 , 以接近水平的方向和加工表 面碰撞 , 以原子级加工单位去除材料。由于不与工件 表面接触 , 因此可得到无损伤表面 , 当使用聚氨基甲 酸脂球为工具时 , 采用 Zr O 2粉末 加工单晶硅 , 表面 粗糙度达 5埃 [15]。

(2) 液体浮动研磨与抛光技术。渡边纯二等采用 的抛光盘沿圆周均布多个斜面槽 , 通过圆盘转动 , 由 液体契形成液体动压使工件悬浮 , 处于浮动间隙中的 研磨抛光粉对工件进行抛光 , 抛光硬脆材料时可得到 不平度 0 3 m / 76mm, 表面粗糙度 1nm [25]。

(3) 界面反应抛光技 术。当工件与磨粒摩擦界面处 于高温高压状态时 , 工件表面上容易形成一层化合物 , 在表层深度极浅的反应 物很容易通过研抛而 去除 [24]:机械化 学固相反 应抛光 , 安永畅男 等研 究了以 A l 2O 3(青 玉 ) 和 Si O 2(石 英 玻 璃 ) 在 1100K, 1300K 和 1500K 高温高压下接触界面上的界面反应 , 发现在极短时间里就生成了数十埃的不稳定的机械化 学固相反应物 -蓝晶石 , 加快了研磨抛光进程 , 可获 得无损伤表面。

水合 反应 抛光 , 杉 田忠 彰等 研究 了 A l 2O 3(青 玉 ), M g O 和 S i O 2(石英玻璃 ) 等氧化物陶瓷的水合 反应 , 在常温下水合反应很困难 , 但在高温高压下 , A l 2O 3(青玉 ) 的水合反应物为 A l (OH ) 3, 其一般形 式为 A l 2O 3*x H 2O, 在高温高压下形成的水合反应物 活性高 , 故研抛速度显著提高 [15]。

(4) 磁悬浮抛光技术。利用磁力悬浮现象 , 在磁 流体中加入非磁性磨料 , 当工件相对磨料进行旋转运 动或 相 对 运 动 时 , 就 实 现 了 工 件 表 面 的 抛 光 [24]。 1990年 , T. Shi m ida 使用涂覆 金刚石的磁性 磨粒抛 光直径 12mm 的 S i 3N 4圆棒 , 弄清了加工特性 , 当予 加工 Ra =0 45 m , 经研抛后 Ra =0 04 m, 而且得 到了半径 0 01mm 的倒棱面 [15]。

(下转第 15页 )

专题述评 组合机床与自动化加工技术

的参考价值。

4 结论

由于 CAN 总线具有通信速率高、 容易实 现、 性价 比高等特点 , 使之成为了一种国际标准的现场总线 , 它 的应用范围已不再局限于汽车等少数行业 , 而正向自 动控制、 航空航天、 过程控制、 机器人、 数控机床等领域 发展。本文采用嵌入式网关技术 , 结合以太网和 CAN 总线的特点 , 设计了一种适合工业控制领域且通用性 较强的以太网与 C AN 总线连接方案。该设计方案具 有成本低、 可靠性高、 处理速度快和通用性强等优点。 其它现场总线与以 太网进行连接时 如果采取这 种方 案 , 只需更换相应的现场总线控制器和收发器 , 并对软 件作适当的修改即可。因此 , 它对于应用嵌入式网关 技术处理现场总线与以太网连接问题有重要的参考价 值。

[参考文献 ]

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(上接第 6页 )

6 结束语

在材料科学迅猛发展的今天 , 加工技术的发展趋 势为 :? 传统精密加工向着超精密加工发展 ; %高效率 磨削向着以超高速 , 超重负荷为代表的更高效率磨削 方向发展 ; &加工自动化正向智能化高层次发展。发 达国家已将高性能工程陶瓷 , 光学玻璃等硬脆材料列 为优先发展领域。我国继 ! 九五 ? 之后 , 在 ! 十五 ? 规划 中继续将高温结构材料和陶瓷材料作为国家重点科技 攻关项目。随着对硬脆材料加工机理的深入研究及对 先进加工设备的不断开发 , 硬脆材料的特种加工和常 规加工技术必将进一步完善和成熟 , 从而为硬脆材料 开拓出更为广阔的应用景。

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(编辑 赵蓉 ) 15

2008年第 5期 设计与研究

范文五：硬脆材料加工技术的研究

TIANJIN METALLURGY

硬脆材料加工技术的研究

1综述

近年来硬脆性材料, 尤其是非金属 、 非导电材料 以及半导体等材料, 例如玻璃 、 各种石材 、 宝石 、 硅晶 体等, 它们的硬度 、 脆性 、 耐磨性 、 抗蚀性 、 抗氧化性都 比较高, 正是由于这些独特的性质, 这些特殊材料在 军用及民用工业等领域应用越来越广泛 。

光学玻璃的应用较为普遍, 可用来制作精度较高 的透镜等各类光学零件 。 陶瓷材料相对于光学玻璃由 于有较好的化学稳定性 、 不易被氧化腐蚀 、 有较好的 耐磨性 、

高硬度以及能耐高温等特点, 应用范围更加 广泛 。 应用于汽车工业所研制的发动机可实现柴油机 瞬间快速起动, 效率也会更高 。 据上述, 加大对硬脆材 料加工方法研究的力度有很大的意义 。

硬脆材料加工难度很大, 加工时稍不注意就会引 起工件表面的磨损或者破坏 。 究其原因是其具有较高 的脆性, 断裂韧性比较低, 材料本身的弹性强度和弹 性极限比较接近 。

目前, 材料去除主要包括以下方式:塑性去除 、 脆性去除和粉末化去除 。 而这些去除方式 在对材料进行去除之后都会产生降低工件强度和表 面加工质量等问题 。

因此, 为了解决这些加工问题, 需 要研究一种新型 、 高效 、 经济的方法 。 2硬脆材料的特性

塑性高的金属材料具有较高的 E /HV 值 (维氏硬 度 ) , 约为 250, 而高脆性的材料, 其 E /HV 只有 20。 因 此, 在切削加工中, 硬脆材料的塑性变形区很小 。 这一 特征表明, 切削刃在被加工表面留下的隆起较小 。 从 理论上说, 加工硬脆材料所得到的表面粗糙度要比加 工塑性材料的小 。

高硬度和断裂韧性的材料容易损坏刀具,因此, 极难切削 。 玻璃和高级陶瓷的硬度虽高,

但断裂韧性 却很低, 这意味着, 如果能有效地利用这类材料的镦 裂纹, 切削加工所需的能量将会很小 。 在切削加工中, 材料的导热性也是一个重要的因素 。 硬脆材料的导热

性较差, 切削热将主要由刀具材料散出, 这必将加速 刀具的磨损 。

3硬脆材料的加工机理 、 加工技术及应用 3.1

硬脆材料的切削模型

采用二维切削方式的硬脆材料切削模型 。 众所周 知, 硬脆材料的抗拉强度较低, 因此, 这类材料常受拉 应力的作用而破坏 。 由断裂力学的计算表明,

在切削 过程中, 切削刃附近所受的拉应力最大 。 所以, 被切削 材料首先在切削刃附近形成裂纹 。 随着切削刃位置的 变化, 裂纹向前下方扩展, 其深度超过切削深度后, 转 而向前上方发展, 最终到达工件的自由表面, 形成较

大的片状切屑, 并在被切削表面留下凹痕或裂纹 。 3.2

硬脆材料的切割加工技术

按照切割工具的形状此种材料的切割方法分为 如图 1所示的几种 。

3.2.1圆片锯切割

圆片锯切割分为内 、 外圆切割 2种 。

内圆切割时产生的切缝狭窄, 而且材料的利用率

较高, 对材料本身的损伤极小, 具有高质量的切割晶 体且机床易于调整 。 正是由于以上这些优点,

内圆切 割的发展非常迅速, 运用极其广泛, 尤其对硅晶体 、 陶 瓷以及硬质合金等的切割效果显著 。

但是内圆切割也 存在缺点, 只能进行直线切割而不能进行曲线切割 。

外圆切割的应用较早, 其切割刀刃是锯片外圆周 上的金刚石磨粒 。 这种切割方式的优点是加工质量

硬脆材料加工技术的研究

陈振理 (天津市铁合金厂, 天津 300400)

[摘要]对硬脆材料的各种用途和加工现状进行了综述, 根据硬脆材料抗拉强度低的特点, 建立了切削模型 。 介绍了切 削 、 磨削等主要的几种加工方法的原理 、 适用范围及最新研究成果, 硬脆材料切削和磨削的机理和实验对比, 并对特种加工做 了简单介绍 。

关键词

硬脆材料 磨削 切削 切割 刀具 研究

硬脆材料切割

圆片锯

带锯

线锯

金刚石外圆片锯

金刚石内圆片锯

钢砂锯

金刚石带锯 钢片锯 钢丝锯

金刚石线锯

金刚石串珠锯 图 1

硬脆材料的切割分类

§

〈 研 究 与 应 用 〉

§

49--

32011年 第 5期

v

P

C 1

C h

Δx =r /f

C 1

Ductile regime

TIANJIN METALLURGY

极相接的金属结合剂超硬磨料砂轮与直流脉冲电源 正极相接作阳极, 工具同直流脉冲电源负极相接作阴 极 。 通过该技术阳极可以露出锋利的磨粒, 堵塞在砂 轮表层的金属基体可以被电解去除, 同时在砂轮表面 形成一层氧化膜抑制砂轮过度电解, 从而使砂轮在磨 削过程中始终以最佳磨削状态进行加工 。 该技术在利 用金属基砂轮进行磨削加工的同时, 利用电解方法对 砂轮进行修整,将砂轮修整与磨削过程结合在一起, 实现对硬脆材料的超精密镜面磨削 。

ELID 磨削非金属硬脆材料技术的发展在国外已 经成功地带动了一批新产品 、 新设备的开发 。 如东京 物理化学研究所将 ELID 磨削技术应用于超精密数控 加工上, 成功地加工出光学玻璃和碳化硅陶瓷等材料 的高精度非球曲面 。 日本 Kuroda 公司推出了系列 ELID 专用磨床 。

应用在线电解修锐磨削技术磨削微晶光学玻璃 微晶玻璃和光学玻璃都属于硬脆性材料, 用普通机械 加工方法无法得到精密光滑表面 。 可应用 ELID 磨削 技术对微晶玻璃和光学玻璃进行磨削 。 在配制微晶玻 璃 ELID 精密磨削专用磨削液后,利用 ELID 技术对 微晶玻璃进行超精密磨削成为一种非常有效的手段 。 为对脆性材料在其塑性域内实现超精密磨削加工必 须满足以下条件:在砂轮上每一个磨粒的最大切削深 度需要小于脆性材料发生脆性破裂的临界切削厚度 。

a c =0.15(E

(K lc 2(2)

式中:E 为材料的弹性模量, MPa ; H 为材料的

显微硬度, GPa ; K lc 为材料的断裂韧性, MPa 。

砂轮单颗磨粒的最大切削深度的确定是通过对 磨削过程中砂轮与工件的接触状态进行分析后, 得到 公式:

a g max =(

4V w

V s N d C

p

d r

姨

) 1(3)

式中:a g max 为单颗磨粒的最大切削厚度值, mm ; V w

为工件进给速度, mm/s; a p 为磨削深度, mm ; V s 为砂轮 速度, m/s; N d 为砂轮动态有效磨刃数, mm 2; C 为磨削

常数 。

与研磨等磨削方式相比, 在实现塑性域磨削这一 过程中, 磨粒与微晶玻璃表面作用的过程中只有形成

划痕而没有滚动挤压, 在塑性阈内的磨削对微晶玻璃

表面所造成的裂纹向微晶玻璃的深处延伸的趋势较 小 。 ELID 磨削过程中磨削力要远远小于普通磨削方 式,由于其磨粒始终保持在锋利的等高微刃切削状

态, 因此在磨削过程中因为磨粒原因所造成的破碎区

较小, 容易实现塑性方式磨削 。 对微晶玻璃的磨削可 以利用 ELID 精密磨削技术实现精密磨削,获得较高 质量的磨削表面 。 3.5

特种加工 3.5.1碳弧气刨加工

碳弧气刨是用石墨棒或碳棒与工件之间产生电

弧, 利用电弧的高温将金属熔化, 再利用压缩空气将 熔化的金属吹掉的一种刨削金属的方法 。

碳弧气刨的 主要特点有:灵活性很大, 可进行全位置操作; 生产效

率高, 劳动强度低, 噪声低; 设备简单, 压缩空气容易 获得且成本低; 在清除焊缝时, 有利于焊接质量的提 高, 因其加工过程中表面光亮在电弧下容易发现各种 缺陷 。

3.5.2电熔爆加工

电熔爆加工技术同碳弧气刨相比也是将熔融的 金属进行剥离, 但是在将金属熔化的过程中是利用电 熔技术, 即通过一个或几个自耗电极与工件之间对金 属加热使金属达到熔融状, 再利用高速工作将熔融金 属从工件表面剥离 。 电熔爆技术主要特点如下 。

(1) 电容爆加工技术同传统加工技术相比,加工碳

化钨 、 高铬合金 、 镍基合金 、 稀土合金 、 金属陶瓷 、 钛合 金等各种硬脆性材料, 具有效率高 、 能耗低 、 成本小等 优点 。

(2) 实现无切削力加工, 机床结构减少 80%, 机床使

用寿命增加为原来的 5~10倍 。 4结束语

综上所述, 目前国外对硬脆性材料的加工技术比 较先进, 而相对落后的处于起步阶段的国内研究现状 与其广泛的应用是不相协调的, 我们要针对应用现状 大力发展此项加工技术的研究, 为国家科技发展提供 强有力保障 。

(收稿 2011-05-31责编 赵实鸣 )

工

工件

砂轮

磨削液

电源

电极

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32011年 第 5期

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