复合加工
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2018/11源自文库17 1
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复合加工的方法大多是在机械加工的同时应用 流体力学、化学、光学、电力、磁力和声波等能源 进行综合加工。早期出现的复合加工都是用来解决 难切削材料的加工以及提高其加工效率的，70年代 后期以来的研究则大多着眼于改善加工质量。 • 最普遍使用的复合加工大多是在定形刀刃的切 削加工、非定形刀刃的磨料加工和电火花及电解加 工等常规加工方法基础上，同时或反复使用其他能 量的加工方法。此外，也有不用上述常规的加工方 法而仅依靠化学、光学和液动力等作用的复合加工。 • 目前，复合加工由于集多种加工方法之优势， 已显示出很好的综合应用效果，发展比较迅速，但 并不是所有的复合加工都会取得相辅相成、互相促 进的效果。因为二种加工复合在一起，会有互相促 进的一面，也会有互相制约的一面。合理的、切实 可行的复合加工工艺，还需要人们在不断的科学实 践中创造并完善起来。 2018/11/17 2
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1）机械化学抛光（CMP） 2）化学机械抛光 机械化学抛光(CMP)的加工原理是利用比工件材料 软的磨料（如对Si3N4陶瓷用Cr2O3，对Si晶片用 SiO2），由于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、高温，使能在 很短的接触时间内出现固相反应，随后这种反应生成 物被运动的粒的机械摩擦作用去除，其去除量约可微 小至0.1nm级。因为磨粒是软于工件，故不是以磨削的 作用来去除材料。如果把软质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两者生成的 反方应物，但因磨粒的吸水性而使其表面活性和接触 点温度降低，故加工效率比单用软磨粒与适量抛光剂 的干式或加工为低。 化学机械抛光的工件原理是由溶液的腐蚀作用形成 化学反应薄层，然后由磨粒的机械摩擦作用去除。
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此方法的优点是：切削速度高，效果好， 用陶瓷刀具更能提高切削效果。缺点是：必须 对孤光加以保护，设备复杂，费用较高。 • 激光辅助车削（LAT）是应用激光将金属 工件局部加热，以改善其车削加工性，它是加 热车削的一种新的形式。 • 典型的LAT装置如图10-1所示。激光束经 可转动的反射镜M1的反射，沿着与车床主轴 回转轴线平行方向射向床鞍上的反射镜M2， 再经X向横滑鞍上的反射镜M3及邻近工件的反 射镜M4，最后聚射于工件上。其聚焦点始终 位于车刀切削刃上方如图中距δ处，经激光局 部加热位于切屑形成区的剪切面上的材料。
10.2 复合切削加工（切削复合加工）
它主要以改善切屑形成过程为目标，常用的有 以下两种： • （1）加热切削通过对工件局部瞬时加热，改变其物 理机械性能和表层的个相组织以降低工件在切削区 材料的强度，提高其塑性使切削加工性能改善。它 是对铸造高锰钢、无磁钢和不锈钢等难切材料进行 高效切削的一种方法。常用的有等离子弧加热辅助 车削和激光辅助车削。下面分别加以介绍。 • 等离子弧加热辅助车削是用等离子弧发生器产 生的等离子弧实现对工件加热。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， 在适当电参数及切削用量等条件配合下，不断使待 切削材料层预先加热至高温，达到易切削的目的。
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图10-2 超声振动车削加工 振动切削已作为精密机械加工和难加T材料加工中的一种 新技术，渗透到多个领域中，形成了放电超声振动、电解超 声振动等各种复合加工方法，使传统切削加工技术有了新的 突破。
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10.3 电解机械复合加工
它是指化学加工和机械加工的复合。所谓化 学加工是利用酸、碱和盐等化学溶液对金属或某 些非金属工件表面产生化学反应，腐蚀溶解而改 变工件尺寸和形状的加工方法。如果仅进行局部 有选择性的加工，则需对工件上的非加工表面用 耐腐蚀性涂层覆盖保护起来，而仅露出需加工的 部位。化学机械复合加工是一种超精密的精整加 工方法，可有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导 体晶片，它可防止通常机械加工用硬磨料引起的 表面脆性裂纹和凹痕，避免磨粒的耕犁引起的隆 起以及擦滑引起的划痕，可获得光滑无缺陷的表 面。化学机械复合加工中常用的有下列两种：
10.1 概述
• 随着工业的发展和科技的进步，人们已不满足于采用单 一的特种加工方法加工各种难加工材料的状况．而是希望在 生产率、加工精度和适用性等方面比目前有更进一步的突破。 目前，常用的手段就是把几种不向的加工方法(可以全部是特 种加工或特种加工与常规加工)复合在一起，使之相辅相成， 实现在加工工艺上的新突破。 • 复合加工是指用多种能源组合进行材料去除的工艺方法， 以便能提高加工效率或获得很高的尺寸精度、形状精度和表 面完整性。对于陶瓷、玻璃和半导体等高脆性材料，复合加 工是经济、可靠地实现高的成形精度和极低的（可达10nm级 范围）表面粗糙度，并是使表层和亚表层的晶体结构组织的 损伤减少至最低程度的有效方法。
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图10-1 激光辅助车削装置示意图 Ml、M2、M3、M4：反射镜
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• 激光加热的优点是可加热大部分剪切面处材料， 而不会对刀刃或刀具前面上的切屑显著地加热， 因而不会使刀具加热而降低耐用度。 • 通过激光的局部加热可获得： • 1）流线的连续切屑，并可减少形成积屑瘤的可 能性，从而改善被加工表面的质量包括：表面 粗糙度、残余应力和微观缺陷等。 N • 2）切削力的降低。温度的升高使材料的屈服应 力明显减少导致切削力减小，这样既使工件的 弹性变形减少易于保证加工精度，又能提高刀 具的耐用度，并有利于对难切材料的金属切除 率的提高和加工成本的降低。如加工高强度30 C M 166钢和钨铬钴6合金用5KW，C O2 激光器辅助 加工，切削力降低70％，刀具磨损减少90％， 切削速度提高使金属切除率增加二倍。
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（2）机械超声振动复合加工：这种复合加工是 指将超声振动附加在机械加工上。在切削过程 中，刀具与工件周期性地接触与离开，切削速 度的大小和方向存不断地变化：由于切削速度 的变化和加速度的出现，使得振动切削具有切 削力大大减小，切削温度明显降低，刀具寿命 可以提高，加工精度和表面质量可以提高等特 点，特别是在难加工材料（如耐热钢、不锈钢 等硬韧性材料）加工中，收到了异乎寻常的效 果：常见的有超声振动车削、超声振动钻削等， 如图10-2所示为超声振动车削原理图。
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复合加工的方法大多是在机械加工的同时应用 流体力学、化学、光学、电力、磁力和声波等能源 进行综合加工。早期出现的复合加工都是用来解决 难切削材料的加工以及提高其加工效率的，70年代 后期以来的研究则大多着眼于改善加工质量。 • 最普遍使用的复合加工大多是在定形刀刃的切 削加工、非定形刀刃的磨料加工和电火花及电解加 工等常规加工方法基础上，同时或反复使用其他能 量的加工方法。此外，也有不用上述常规的加工方 法而仅依靠化学、光学和液动力等作用的复合加工。 • 目前，复合加工由于集多种加工方法之优势， 已显示出很好的综合应用效果，发展比较迅速，但 并不是所有的复合加工都会取得相辅相成、互相促 进的效果。因为二种加工复合在一起，会有互相促 进的一面，也会有互相制约的一面。合理的、切实 可行的复合加工工艺，还需要人们在不断的科学实 践中创造并完善起来。 2018/11/17 2
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1）机械化学抛光（CMP） 2）化学机械抛光 机械化学抛光(CMP)的加工原理是利用比工件材料 软的磨料（如对Si3N4陶瓷用Cr2O3，对Si晶片用 SiO2），由于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、高温，使能在 很短的接触时间内出现固相反应，随后这种反应生成 物被运动的粒的机械摩擦作用去除，其去除量约可微 小至0.1nm级。因为磨粒是软于工件，故不是以磨削的 作用来去除材料。如果把软质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两者生成的 反方应物，但因磨粒的吸水性而使其表面活性和接触 点温度降低，故加工效率比单用软磨粒与适量抛光剂 的干式或加工为低。 化学机械抛光的工件原理是由溶液的腐蚀作用形成 化学反应薄层，然后由磨粒的机械摩擦作用去除。
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此方法的优点是：切削速度高，效果好， 用陶瓷刀具更能提高切削效果。缺点是：必须 对孤光加以保护，设备复杂，费用较高。 • 激光辅助车削（LAT）是应用激光将金属 工件局部加热，以改善其车削加工性，它是加 热车削的一种新的形式。 • 典型的LAT装置如图10-1所示。激光束经 可转动的反射镜M1的反射，沿着与车床主轴 回转轴线平行方向射向床鞍上的反射镜M2， 再经X向横滑鞍上的反射镜M3及邻近工件的反 射镜M4，最后聚射于工件上。其聚焦点始终 位于车刀切削刃上方如图中距δ处，经激光局 部加热位于切屑形成区的剪切面上的材料。
10.2 复合切削加工（切削复合加工）
它主要以改善切屑形成过程为目标，常用的有 以下两种： • （1）加热切削通过对工件局部瞬时加热，改变其物 理机械性能和表层的个相组织以降低工件在切削区 材料的强度，提高其塑性使切削加工性能改善。它 是对铸造高锰钢、无磁钢和不锈钢等难切材料进行 高效切削的一种方法。常用的有等离子弧加热辅助 车削和激光辅助车削。下面分别加以介绍。 • 等离子弧加热辅助车削是用等离子弧发生器产 生的等离子弧实现对工件加热。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， 在适当电参数及切削用量等条件配合下，不断使待 切削材料层预先加热至高温，达到易切削的目的。
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图10-2 超声振动车削加工 振动切削已作为精密机械加工和难加T材料加工中的一种 新技术，渗透到多个领域中，形成了放电超声振动、电解超 声振动等各种复合加工方法，使传统切削加工技术有了新的 突破。
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10.3 电解机械复合加工
它是指化学加工和机械加工的复合。所谓化 学加工是利用酸、碱和盐等化学溶液对金属或某 些非金属工件表面产生化学反应，腐蚀溶解而改 变工件尺寸和形状的加工方法。如果仅进行局部 有选择性的加工，则需对工件上的非加工表面用 耐腐蚀性涂层覆盖保护起来，而仅露出需加工的 部位。化学机械复合加工是一种超精密的精整加 工方法，可有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导 体晶片，它可防止通常机械加工用硬磨料引起的 表面脆性裂纹和凹痕，避免磨粒的耕犁引起的隆 起以及擦滑引起的划痕，可获得光滑无缺陷的表 面。化学机械复合加工中常用的有下列两种：
10.1 概述
• 随着工业的发展和科技的进步，人们已不满足于采用单 一的特种加工方法加工各种难加工材料的状况．而是希望在 生产率、加工精度和适用性等方面比目前有更进一步的突破。 目前，常用的手段就是把几种不向的加工方法(可以全部是特 种加工或特种加工与常规加工)复合在一起，使之相辅相成， 实现在加工工艺上的新突破。 • 复合加工是指用多种能源组合进行材料去除的工艺方法， 以便能提高加工效率或获得很高的尺寸精度、形状精度和表 面完整性。对于陶瓷、玻璃和半导体等高脆性材料，复合加 工是经济、可靠地实现高的成形精度和极低的（可达10nm级 范围）表面粗糙度，并是使表层和亚表层的晶体结构组织的 损伤减少至最低程度的有效方法。
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图10-1 激光辅助车削装置示意图 Ml、M2、M3、M4：反射镜
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• 激光加热的优点是可加热大部分剪切面处材料， 而不会对刀刃或刀具前面上的切屑显著地加热， 因而不会使刀具加热而降低耐用度。 • 通过激光的局部加热可获得： • 1）流线的连续切屑，并可减少形成积屑瘤的可 能性，从而改善被加工表面的质量包括：表面 粗糙度、残余应力和微观缺陷等。 N • 2）切削力的降低。温度的升高使材料的屈服应 力明显减少导致切削力减小，这样既使工件的 弹性变形减少易于保证加工精度，又能提高刀 具的耐用度，并有利于对难切材料的金属切除 率的提高和加工成本的降低。如加工高强度30 C M 166钢和钨铬钴6合金用5KW，C O2 激光器辅助 加工，切削力降低70％，刀具磨损减少90％， 切削速度提高使金属切除率增加二倍。
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（2）机械超声振动复合加工：这种复合加工是 指将超声振动附加在机械加工上。在切削过程 中，刀具与工件周期性地接触与离开，切削速 度的大小和方向存不断地变化：由于切削速度 的变化和加速度的出现，使得振动切削具有切 削力大大减小，切削温度明显降低，刀具寿命 可以提高，加工精度和表面质量可以提高等特 点，特别是在难加工材料（如耐热钢、不锈钢 等硬韧性材料）加工中，收到了异乎寻常的效 果：常见的有超声振动车削、超声振动钻削等， 如图10-2所示为超声振动车削原理图。