1、硬脆材料先進加工技術(shù),報告人：溫寧,在線電解修銳磨削（ELID）,ELID磨削原理如圖所示。金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪與電源正極相接做陽極，工具電極做陰極，在砂輪和電極的間隙中通過電解磨削液，利用電解過程中的陽極溶解效應(yīng)，對砂輪表層的金屬基體進行電解去除，從而逐漸露出嶄新鋒利的磨粒，形成對砂輪的修整作用：同時形成一層鈍化膜附著于砂輪表面，抑制砂輪過度電解，從而使砂輪始終以最佳磨削狀態(tài)連續(xù)進行磨削加工。所以該技術(shù)將砂輪修整與磨削過程結(jié)合在一起，利用金屬基砂輪進行磨削加工的同時利用電解方法對砂輪進行修整，從而實現(xiàn)對硬脆材料的連續(xù)超精密鏡面磨削。,1 先進磨削技術(shù),1, 磨削過程具有良好的穩(wěn)定性和可控性

2、， 易于實現(xiàn)磨削過程的最優(yōu)化： 2, 加工精度高，表面裂紋少，表面質(zhì)量好： 3, 適應(yīng)性廣泛，磨削效率高： 裝置簡單，成本低，推廣性強等。,ELID工藝特點,高速（超高速）磨削,高速磨削通常指砂輪速度大于100m/s的磨削。 高速磨削可以對難加工硬脆材料實現(xiàn)延性磨削加工，具有大幅度提高磨削效率，降低表面粗糙度，延長砂輪壽命，減小磨削力和工件受力變形，提高工件加工精度，降低磨削溫度等優(yōu)點。,磁力研磨光整加工技術(shù),磁力研磨光整加工（ Magnetic Abrasive Finishing，MAF) 是一種把磁場能應(yīng)用于傳統(tǒng)的研磨技術(shù)中，開發(fā)出的一種新興的磨削加工技術(shù)，通過磁極產(chǎn)生的磁場力作用到磁性

3、磨料(填充在磁極與工件之間)上形成一個與加工面形狀相當?shù)拇帕ρ心ニⅲ瑢ぜ砻孢M行磨削加工的方法。 這種加工方法具有高效率、高精度和高表面質(zhì)量的特點，適合于平面、球面、圓柱面和其它復(fù)雜形狀零件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。同時磁性研磨加工技術(shù)可以很好地與數(shù)控機床、加工中心和機器人技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)光整加工的自動化。 不僅應(yīng)用于模具的精加工中，而且在制藥業(yè)、航空航天業(yè)、大規(guī)模集成電路、精密儀器和精密量具等行業(yè)也將有很好的應(yīng)用前景，是一種有效的光整加工方法之一。,2 輔助能量加工技術(shù),磁流體研磨,電化學(xué)磁力研磨,磁性磨料研磨,磁流變拋光,磁力懸浮研磨,磁力研磨光整加工（ MAF）目前技術(shù)類別,M

4、agnetic Fluid Grinding,Magnetic Abrasive Grinding,Electrochemical Magnetic Abrasive Finishing,Magnetorheological Finishing,Magnetic Suspension Grinding,超聲輔助加工技術(shù),超聲波加工是利用產(chǎn)生超聲振動的工具(模具)，帶動工具和陶瓷元件間的磨料懸浮液，沖擊和拋磨工件進行加工。隨著工具在三維方向上的進給，工具端部的形狀被逐步復(fù)制在陶瓷工件上。 常用的磨料是碳化硼、碳化硅和氧化鋁等。一般選用的工作液為水，為提高材料表面的加工質(zhì)量，也可用煤油或機油作液體

5、介質(zhì)。 其主要應(yīng)用在深小孔的加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工等難加工作業(yè)。,下圖為德國DMG公司DMS35Ultrasonic超聲振動加工機床，主軸轉(zhuǎn)速3 0004 0000 r/min，特別適合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。與傳統(tǒng)加工方式相比，生產(chǎn)效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra0.2m，可加工0.3 mm精密小孔,超聲加工的特點 （1）適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、石墨、瑪瑙、寶石、金剛石等。對于導(dǎo)電的硬質(zhì)金屬材料(如淬火鋼、硬質(zhì)合金等)也能進行加工，但加工生產(chǎn)率較低。 （2）由于工具可用較軟的材料做成較復(fù)雜

6、的形狀，故不需要使工具和工件做比較復(fù)雜的相對運動，因此超聲加工機床的結(jié)構(gòu)比較簡單，操作、維修方便。 （3）由于去除加工余量是靠極小的磨料瞬時局部的撞擊作用，所以工具對工件加工表面宏觀作用力小，熱影響小，不會引起變形和燒傷。表面粗糙度可達Ra10.1um或更低，加工精度可達0.010.02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度的工件。,摩擦化學(xué)反應(yīng)輔助加工,Furey等人1997年研制了能夠和硬脆材料發(fā)生化學(xué)腐蝕的切削液，金剛石砂輪片切割Si3N4陶瓷試驗效率比水基冷卻液提高8倍。后人又不斷研制出類似切削液，主要用于Si3N4陶瓷的磨削加工。,Si3N4陶瓷首先會和磨削液中的有機物分子發(fā)生如下式所

7、示的化學(xué)吸附：,此吸附現(xiàn)象在磨削高溫條件下會進一步衍化為摩擦化學(xué)反應(yīng)：,生成的固態(tài)物-硅脂，小部分溶于磨削液被沖刷帶走，大部分附著在Si3N4陶瓷加工表面上，不但降低了試件表面硬度，而且具有更優(yōu)異的潤滑性能，進而影響磨削效率和質(zhì)量,等離子體加工,最初是前蘇聯(lián)、美國和日本，他們開發(fā)微束等離子弧加工，對陶瓷等非金屬薄材進行切割，取得較好效果。,德國Kjelberg公司用熱電阻等離子設(shè)備切割混凝土,英國利物浦大學(xué)將待加工陶瓷試件安裝在具有足夠轉(zhuǎn)速的電機上，等離子弧在引燃穩(wěn)定以后，將氧化鋁試件移至等離子弧上方，試件在電機的帶動下快速旋轉(zhuǎn)，被等離子弧熔化的陶瓷熔珠在快速旋轉(zhuǎn)中拋出，形成陶瓷珠子或者纖維（

8、見右圖）,德國Kjelberg公司的熱電阻等離子切割法，成功地把這一技術(shù)推向市場，用于切割陶瓷、玻璃、混凝土等非金屬硬脆材料具有很好的效果，切割混凝土現(xiàn)場如左圖所示,利物浦大學(xué)微波等離子弧加工陶瓷珠子和纖維方法,3高能束加工,電火花加工（EDM）,電火花加工在導(dǎo)電超硬材料，難加工材料及精密復(fù)雜型面的加工中發(fā)揮了重要的作用，然而它卻不適用于非導(dǎo)電材料的加工。解決非導(dǎo)電材料的電火花加工問題方面目前較為成熟的加工方法有： 輔助電極電火花加工，電火花電解磨削加工（MEEC），電解電火花加工等。,進行電火花加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或?qū)⒐ぷ饕撼淙敕烹婇g隙。通過間隙自動控

9、制系統(tǒng)控制工具電極向工件進給，當兩電極間的間隙達到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。 電火花加工在放電的微細通道中瞬時集中大量的熱能，溫度可高達一萬攝氏度以上，壓力也有急劇變化，從而使這一點工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作液恢復(fù)絕緣狀態(tài)。 緊接著，下一個脈沖電壓又在兩電極相對接近的另一點處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復(fù)上述過程。這樣，雖然每個脈沖放電蝕除的金屬量極少，但因每秒有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬，具有一

10、定的生產(chǎn)率。 電火花加工在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進給，最后便加工出與工具電極形狀相對應(yīng)的形狀來。因此，只要改變工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對運動方式，就能加工出各種復(fù)雜的型面。,金屬材料電火花加工過程,1工件 2脈沖電源 3自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng) 4工具 5工作液 6過濾器 7工作液泵,電火花加工原理示意圖,輔助電極電火花加工,在絕緣陶瓷體上涂上一層導(dǎo)電層，直接作為工件電極做電火花放電加工如圖（a）。工件電極依靠熱膨脹和局部爆炸,在導(dǎo)電層和絕緣陶瓷中產(chǎn)生熱作用在爆炸沖擊波作用下蝕除小部分導(dǎo)電層和絕緣陶瓷,形成一個小凹坑如圖（

11、b）。同時，電火花加工時瞬間局部高溫使工作液(煤油) 熱分解出來的碳、工具電極(銅塊) 濺射出來的金屬及其化合物在絕緣陶瓷表面形成新的導(dǎo)電層如圖（c）,從而使電火花磨削加工能連續(xù)進行,電火花、電解、磨削加工工藝(MEEC)是一種以機械磨削為主的三復(fù)合加工方法。其工作原理是在砂輪旋轉(zhuǎn)的過程中，當不導(dǎo)電部分與工件相接觸時磨粒對工件產(chǎn)生機械磨削作用，當導(dǎo)電部分接近工件時，由噴射到砂輪和工件間的磨削液引起電解作用而改善加工表面質(zhì)量。在導(dǎo)電部分脫離工件表面的瞬間所發(fā)生的火花放電，除了在一定程度上去除工件材料外，由此產(chǎn)生的高溫還使砂輪上磨粒周圍的結(jié)合劑熔化和氣化而保持砂輪的鋒利，并使陶瓷等某些工件材料因受

12、熱而利于磨削。該法能對無法采用電火花、電解加工的非導(dǎo)電材料(陶瓷)進行加工。,電火花電解磨削加工（MEEC）,電解電火花加工(ECDM),ECDM是將電化學(xué)加工(ECM)與放電加工(EDM)結(jié)合起來的可控在線電化學(xué)加工。瑞士蘇黎士的M.Schoepf等人稱其為整形修銳金屬結(jié)合劑砂輪和經(jīng)濟高效地磨削陶瓷材料的理想方法，目前多用于玻璃材料加工。,微流道法加工硼硅玻璃SEM照片,ECDM微流道加工法,磨料水射流切割,屬于高壓水射流切割（水刀）的一種，是自19世紀80年代迅速發(fā)展起來的一種新技術(shù)，和傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，它具有加工時無工具磨損、無熱影響，反作用力小、加工柔性高等優(yōu)點，特別適于不宜使用熱加工技術(shù)（如激光、等離子體等）切割的硬質(zhì)材料，如工業(yè)陶瓷、光學(xué)玻璃、太陽能電池薄膜、電子芯片、聚合物等，能夠應(yīng)用于有許多小幾何形狀的模具制造及表面微小圖樣和微小零