硬脆材料先进加工技术

磁力研磨光整加工（ MAF）目前技术类别
Magnetic Abrasive Grinding Magnetic Fluid Grinding
磁性磨料研磨 磁流体研磨
电化学磁力研磨 Electrochemical Magnetic Abrasive Finishing 磁流变抛光 Magnetorheological Finishing 磁力悬浮研磨 Magnetic Suspension Grinding
此吸附现象在磨削高温条件下会进一步衍化为摩擦化学反应：
Si
摩擦条件下
Si N H Si
O R
Si O R ＋ NH 3
或
NO 2+H 2
生成的固态物-硅脂，小部分溶于磨削液被冲刷带走，大部分附着在Si3N4陶 瓷加工表面上，不但降低了试件表面硬度，而且具有更优异的润滑性能， 进而影响磨削效率和质量
3高能束加工 高能束加工 等离子体加工 等离子体加工
超声辅助加工技术
超声波加工是利用产生超声振动的工具(模具)，带动工具和陶瓷元件间的磨料悬浮液，冲击和抛磨 工件进行加工。随着工具在三维方向上的进给，工具端部的形状被逐步复制在陶瓷工件上。 常用的磨料是碳化硼、碳化硅和氧化铝等。一般选用的工作液为水，为提高材料表面的加工质量， 也可用煤油或机油作液体介质。 其主要应用在深小孔的加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工等难加工作业。
下图为德国DMG公司DMS35Ultrasonic超声振动加工机床，主轴转速3 000～4 0000 r/min，特别适合 加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra＜ 0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔
摩擦化学反应辅助加工 Furey等人1997年研制了能够和硬脆材料发生化学腐蚀的切削液，金刚石砂 轮片切割Si3N4陶瓷试验效率比水基冷却液提高8倍。后人又不断研制出类似 切削液，主要用于Si3N4陶瓷的磨削加工。 Si3N4陶瓷首先会和磨削液中的有机物分子发生如下式所示的化学吸附：
最初是前苏联、美国和日本，他们开发微束等离子弧加工，对陶瓷等非金属薄材进行切割，取得 较好效果。
德国Kjelberg公司的热电阻等离子切割法，成功地把这一技术推向市场，用于切割陶瓷、玻璃、 混凝土等非金属硬脆材料具有很好的效果，切割混凝土现场如左图所示 英国利物浦大学将待加工陶瓷试件安装在具有足够转速的电机上，等离子弧在引燃稳定以后， 将氧化铝试件移至等离子弧上方，试件在电机的带动下快速旋转，被等离子弧熔化的陶瓷熔珠 在快速旋转中抛出，形成陶瓷珠子或者纤维（见右图）
电极 电 电电 源源 源 砂轮 磨削液 工件 工作台
Biblioteka Baidu
ELID工艺特点 工艺特点 1, 磨削过程具有良好的稳定性和可 控性， 易于实现磨削过程的最优化： 2, 加工精度高，表面裂纹少，表面 质量好： 3, 适应性广泛，磨削效率高： 装置简单，成本低，推广性强等。
高速（超高速） 高速（超高速）磨削
高速磨削通常指砂轮速度大于100m/s的磨削。 高速磨削可以对难加工硬脆材料实现延性磨削加工，具有大幅度提高磨削效 率，降低表面粗糙度，延长砂轮寿命，减小磨削力和工件受力变形，提高工 件加工精度，降低磨削温度等优点。
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电火花加工原理示意图
1—工件 4—工具 2—脉冲电源 3—自动进给调节系统 5—工作液 6—过滤器 7—工作液泵
辅助电极电火花加工
在绝缘陶瓷体上涂上一层导电层，直接作为工件电极做电火花放电加工如图（a）。工件电极依靠热膨 胀和局部爆炸,在导电层和绝缘陶瓷中产生热作用在爆炸冲击波作用下蚀除小部分导电层和绝缘陶瓷,形 成一个小凹坑如图（b）。同时，电火花加工时瞬间局部高温使工作液(煤油) 热分解出来的碳、工具电 极(铜块) 溅射出来的金属及其化合物在绝缘陶瓷表面形成新的导电层如图（c）,从而使电火花磨削加工 能连续进行 煤油
属于高压水射流切割（水刀）的一种，是自19世纪80年代迅速发展起来的一种新技术，和 传统加工技术相比，它具有加工时无工具磨损、无热影响，反作用力小、加工柔性高等优 点，特别适于不宜使用热加工技术（如激光、等离子体等）切割的硬质材料，如工业陶瓷、 光学玻璃、太阳能电池薄膜、电子芯片、聚合物等，能够应用于有许多小几何形状的模具 制造及表面微小图样和微小零件切割和钻孔
德国Kjelberg公司用热电阻等离子设备切割混凝土
利物浦大学微波等离子弧加工陶瓷珠子和纤维方法
电火花加工（ 电火花加工（EDM） 加工 ） 金属材料电火花加工过程
进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入 放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时， 两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。 电火花加工在放电的微细通道中瞬时集 中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微 量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒， 被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液 恢复绝缘状态。 紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过 程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀 除较多的金属，具有一定的生产率。 电火花加工在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件 下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对 应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工 出各种复杂的型面。
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2 辅助能量加工技术 磁力研磨光整加工技术
磁力研磨光整加工（ Magnetic Abrasive Finishing，MAF) 是一种把磁场能应用于传统的研磨技术中，开发出的一种新兴的磨削加工技术，通过磁极产生的磁 场力作用到磁性磨料(填充在磁极与工件之间)上形成一个与加工面形状相当的磁力研磨刷，对工件表 面进行磨削加工的方法。 这种加工方法具有高效率、高精度和高表面质量的特点，适合于平面、球面、圆柱面和其它复杂形 状零件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。同时磁性研磨加工技术可以很好地与数控机床、加 工中心和机器人技术结合，实现光整加工的自动化。 不仅应用于模具的精加工中，而且在制药业、航空航天业、大规模集成电路、精密仪器和精密量具 等行业也将有很好的应用前景，是一种有效的光整加工方法之一。
电解电火花加工(ECDM) ECDM是将电化学加工(ECM)与放电加工(EDM)结合起来的可控在线电化学加工。 瑞士苏黎士的M.Schoepf等人称其为整形修锐金属结合剂砂轮和经济高效地磨 削陶瓷材料的理想方法，目前多用于玻璃材料加工。
ECDM微流道加工法 微流道法加工硼硅玻璃SEM照片
磨料水射流切割
切割硼化钛陶瓷断面（x7）
切口横截面的结构形状（x7）
上部区域 纯水型 磨料型
中部区域
下部区域
高压水射流切割的两种类型
磨料水射流抛光技术
磨料水射流抛光技术是在磨料水射流加工技术的基础上发展起来的集流 体力学、表面技术于一体的一种新型精密加工技术。目前，国内外对于 它的研究还比较少，只有少数学者进行了探索性实验研究，尚未形成系 统的研究成果。
超声加工的特点
（1）适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化 硅等)、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料(如淬火钢、硬 质合金等)也能进行加工，但加工生产率较低。 （2）由于工具可用较软的材料做成较复杂的形状，故不需要使工具和工件做比较复杂的相对运 动，因此超声加工机床的结构比较简单，操作、维修方便。 （3）由于去除加工余量是靠极小的磨料瞬时局部的撞击作用，所以工具对工件加工表面宏观作 用力小，热影响小，不会引起变形和烧伤。表面粗糙度可达Ra1～0.1um或更低，加工精度可达 0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的工件。
喷嘴 （a） 喷嘴 煤油 导电层 绝缘陶瓷 （b） 块状工 具电极
陶 瓷 导电层
块状工具电极
煤油 陶 瓷 导电层 煤油 新的导电层 陶 瓷 导电层
块状工具电极
脉 冲 电 源
（c） 辅助电极电火花加工示意图
块状工具电极
电火花电解磨削加工（MEEC）
电火花、电解、磨削加工工艺(MEEC)是一种以机械磨削为主的三复合加工方法。其工作原理是在砂 轮旋转的过程中，当不导电部分与工件相接触时磨粒对工件产生机械磨削作用，当导电部分接近工 件时，由喷射到砂轮和工件间的磨削液引起电解作用而改善加工表面质量。在导电部分脱离工件表 面的瞬间所发生的火花放电，除了在一定程度上去除工件材料外，由此产生的高温还使砂轮上磨粒 周围的结合剂熔化和气化而保持砂轮的锋利，并使陶瓷等某些工件材料因受热而利于磨削。该法能 对无法采用电火花、电解加工的非导电材料(陶瓷)进行加工。
硬脆材料先进加工技术
报告人：温宁
1 先进磨削技术 在线电解修锐磨削（ 在线电解修锐磨削（ELID） ）
ELID磨削原理如图所示。金属结合剂超硬磨料砂轮与电源正极相接做阳极，工具电极做阴极，在砂轮和 电极的间隙中通过电解磨削液，利用电解过程中的阳极溶解效应，对砂轮表层的金属基体进行电解去除， 从而逐渐露出崭新锋利的磨粒，形成对砂轮的修整作用：同时形成一层钝化膜附着于砂轮表面，抑制砂 轮过度电解，从而使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以该技术将砂轮修整与磨削过程结 合在一起，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，从而实现对硬脆材料的 连续超精密镜面磨削。
电火花加工在导电超硬材料，难加工材料及精密复杂型面的加工中发挥了重要的作用，然而它却不 适用于非导电材料的加工。解决非导电材料 非导电材料的电火花加工问题方面目前较为成熟的加工方法有： 非导电材料 辅助电极电火花加工，电火花电解磨削加工（ ），电解电火花加工等 辅助电极电火花加工，电火花电解磨削加工（MEEC），电解电火花加工等。 ），电解电火花加工等。