复合材料加工技术现状

复合材料加工技术现状（精选6篇）

复合材料加工技术现状 第1篇

难加工材料的切削加工技术

潘 飞

（常州铁道高等职业技术学校机械工程系

江苏

常州

213011）

摘 要：随着社会的不断发展，对材料的要求也越高，对切削加工也提出了更高的要求。本文针对这一问题，着重讲述切削难加工材料应考虑的几个方面。

关键词：难加工材料；切削加工

近年来，机械产品多功能、高功能化的发展势头十分强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这些要求，则所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性，而具有这些特性的材料其加工难度也特别大，因此又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样随着时代的发展及专业领域的不同而出现，其特有的加工技术也随着时代及各专业领域的研究开发而不断向前发展。另一方面，随着信息化社会的到来，难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流，因此，今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实，加工效率也必然会进一步提高。难加工材料的界定及具体品种，随时代及专业领域而各有不同。

一、切削领域中的难加工材料

在切削加工中，通常出现的刀具磨损包括如下两种形态：(1)由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；(2)由于热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。切削难加工材料时，在很短时间内即出现上述刀具磨损，这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如，多数难加工材料均具有热传导率较低的特点，切削时产生的热量很难扩散，致使刀具刃尖温度很高，切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降，WC(碳化钨)等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。另外，难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或生成其他化合物，这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。在切削高硬度、高韧性被加工材料时，切削刃的温度很高，也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时，与切削一般钢材相比，切削力更大，刀具刚性不足将会引起崩刃等现象，使刀具寿命不稳定，而且会缩短刀具寿命，尤其是加工生成短切屑的工件材料时，会在切削刃附近产生月牙洼磨损，往往在短时间内即出现刀具破损。在切削超耐热合金时，由于材料的高温硬度很高，切削时的应力大量集中在刃尖处，这将导致切削刃产生塑性变形；同时，由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。由于这些特点，所以要求用户在切削难加工材料时，必须慎重选择刀具品种和切削条件，以获得理想的加工效果。

二、难加工材料在切削加工中应注意的问题

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削(钻头、立铣刀的端面切削等)，这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削，刃尖承受的切削力无明显变化，切削热连续作用于切削刃上；铣削则是一种间断切削，切削力是断续作用于刃尖，切削时将发生振动，刃尖所受的热影响，是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行，总的受热量比车削时少。铣削时的切削热是一种断续加热现象，刀齿在非切削时即被冷却，这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验，铣削所用刀具为球头立铣刀，车削为一般车刀，两者在相同的被加工材料和切削条件(由于切削方式不同，切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致)及同一环境条件下进行切削对比试验，结果表明，铣削加工对延长刀具寿命更为有利。利用带有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时，经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况，但仍比车削加工时强。在切削难加工材料时，切削刃受热影响较大，常常会降低刀具寿命，切削方式如为铣削，则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工，中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候，因此，应针对不同切削方式，采取相应的技术措施，提高加工效率。

三、切削难加工材料用的刀具材料

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)的高温硬度是现有刀具材料中最高的，最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体，选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理，这种材料具有优异的耐磨性，也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高，热传导率低，可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具寿命也越长，切削用量也可相应提高。据报道，目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利，热传导率高，刃尖滞留的热量较少，可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时，选用单晶金刚石刀具切削比较稳定，可延长刀具寿命。涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工，但涂层的性能(单一涂层和复合涂层)差异很大，因此，应根据不同的加工对象，选用适宜的涂层刀具材料。据报道，最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂层硬质合金，使涂层刀具的应用范围进一步扩大，并已可用于高速切削加工领域。

四、切削难加工材料的刀具形状

在切削难加工材料时，刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理，对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响，因此，在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是，随着高速铣削技术的推广应用，近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进给速度，因此，对切削刃形状的设计思路也有所改变。对难加工材料进行钻削加工时，增大钻尖角，进行十字形修磨，是降低扭矩和切削热的有效途径，它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内，这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时，切削热极易滞留在切削刃附近，而且排屑也很困难，在切削难加工材料时，这些问题更为突出，必须给以足够的关注。

为了便于排屑，通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口，可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅，这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来，已开发出一些润滑性能良好的涂层物质，这些物质涂镀在钻头表面后，用其加工3～5D的浅孔时，可采用干式钻削方式。孔的精加工历来采用镗削方式，不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式，这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此，这种间断切削用的镗削刀具设计出来后，立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面，目前也采用螺旋切削插补方式，切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。如上所述，这种由原来连续切削向间断切削的转换，是随着对CNC切削理解的加深而进行的，这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时，可保持切削的平稳性，且有利于延长工具寿命。

五、难加工材料的切削条件

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能的提高，高速高精度CNC机床的出现，以及高速铣削方式的引进等，目前，难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。现在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速度的加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式。当然，选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如，钻削不锈钢等材料时，由于材料热传导率很低，因此，必须防止切削热大量滞留在切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃和切削面摩擦生热，这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时，工具形状和夹具应很好配合，这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性，以便在高速回转条件下，保证将每齿进给量提高到最大限度，同时也可延长工具寿命。

如前所述，难加工材料的最佳切削方法是不断发展的，新的难加工材料不断出现，对新材料的加工总是不断困扰着工程技术人员。最近，新型加工中心、切削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速，而且在切削加工之外，CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展，难加工材料的加工技术选择范围已大为扩展。当然，有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解，还不能尽如人意，正因为如此，而对难加工材料的不断涌现，人们总是感到加工技术有些力不从心。例如，前述车削加工由连续切削向间断切削转换，便有利于延长工具寿命，新型涂层硬质合金刀具的使用，使难加工材料切削技术水平得到进一步提高。在难加工材料的切削加工中应特别重视工具寿命的稳定，不仅工件材料要和刀具性能妥善配伍，而且对加工尺寸、加工表面粗糙度、形状精度等的要求也极严格，因此，不仅应特别注意刀具选用，对工件的夹持方式等相关技术也不能掉以轻心。今后，难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削加工等计算机控制的生产方式，因此，数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的完善，都极为重要。难加工材料切削加工中，适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据，均应作为基础数据加以积累，使零件生产方式沿着以IT化为基础的方向发展，这样，难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。

复合材料加工技术现状 第2篇

快速凝固技术的发展，把液态成型加工推进到远离平衡的状态，极大地推动了非晶、细晶、微晶等非平衡新材料的发展。传统的快速凝固追求高的冷却速度而限于低维材料的制备，非晶丝材、箔材的制备。近年来快速凝固技术主要在两个方面得到发展：①利用喷射成型、超高压、深过冷，结合适当的成分设计，发展体材料直接成型的快速凝固技术；②在近快速凝固条件下，制备具有特殊取向和组织结构的新材料。目前快速凝固技术被广泛地用于非晶或超细组织的线材、带材和体材料的制备与成型。2.半固态成型

半固态成型是利用凝固组织控制的技术.20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的Flemings教授等首先提出了半固态加工技术，打破了传统的枝晶凝固式，开辟了强制均匀凝固的先河。半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成形两类：前者是将制备的半固态浆料直接成型，如压铸成型（称为半固态流变压铸）；后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热，使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型（称为半固态触变挤压）3.无模成型

为了解决复杂形状或深壳件产品冲压、拉深成型设备规模大、模具成本高、生产工艺复杂、灵活度低等缺点，满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，20世纪80年代以来，柔性加工技术的开发受到工业发达国家的重视。典型的无模成型技术有增量成型、无摸拉拔、无模多点成型、激光冲击成型等。4.超塑性成型技术

超塑性成型加工技术具有成型压力低、产品尺寸与形状精度高等特点，近年来发展方向主要包括两个方面：一是大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑性成型，如铝合金汽车覆盖件、大型球罐结构、飞机舱门，与盥洗盆等；二是难加工材料的精确成形加工，如钛合金、镁合金、高温合金结构件的成形加工等。5.金属粉末材料成型加工

粉末材料的成型加工是一种典型的近终形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备预成型一体化；可自由组装材料结构从而精确调控材料性能；既可用于制备陶瓷、金属材料，也可制备各种复合材料。它是近20年来材料先进制备与成型加工技术的热点与主要发展方向之一。自1990年以来，世界粉末冶金年销售量增加了近2倍。2003年北美铁基粉末。相关的模具、工艺设备和最终零件产品的销售额已达到91亿美元，其中粉末冶金零件的销售为64亿美元。美国企业生产的粉末冶金产品占全球市场的一半以上。可以预见，在较长一段时间内，粉末冶金工业仍将保持较高的增长速率。粉末材料成型加工技术的研究重点包括粉末注射成型胶态成型、温压成型及微波、等离子辅助低温强化烧结等。6.陶瓷胶态成型

20世纪80年代中期，为了避免在注射成型工艺中使用大量的有机体所造成的脱脂排胶困难以及引发环境问题，传统的注浆成型因其几乎不需要添加有机物、工艺成本低、易于操作制等特点而再度受到重视，但由于其胚体密度低、强度差等原因，他并不适合制备高性能的陶瓷材料。进入90年代之后，围绕着提高陶瓷胚体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的问题，开发了多种原位凝固成型工艺，凝胶注模成型工艺、温度诱导絮凝成形、胶态振动注模成形、直接凝固注模成形等相继出现，受到严重重视。原位凝固成形工艺被认为是提高胚体的均匀性，进而提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，得到了迅速的发展，已逐步获得实际应用。

7.激光快速成型

激光快速成形技术，是20实际90年代中期由现代材料技术、激光技术和快速原型制造术相结合的近终形快速制备新技术。采用该技术的成形件完全致密且具有细小均匀的内部组织，从而具有优越的力学性能和物理化学性能，同时零件的复杂程度基本不受限制，并且可以缩短加工周期，降低成本。目前发达国家已进入实际应用阶段，主要应用于国防高科技领域。国内激光快速成形起步稍晚于发达国家，在应用基础研究和相关设备建设方面已有较好的前期工作，具备了通过进一步研究形成自身特色的激光快速成形技术的条件。8.电磁场附加制备与成型技术

在材料的制备与成形加工过程中，通过施加附加外场（如温度场、磁场、电场、力场等），可以显著改善材料的组织，提高材料的性能，提高生产效率。典型的温度场附加制备与形加工技术有熔体过热处理、定向凝固技术等；典型的力场附加制备与成形技术有半固态加工等；典型的电磁场附加制备与成形加工技术有电磁铸轧技术、电磁连铸技术、磁场附加热处理技术、电磁振动注射成形技术等。近年来，有关电磁场附加制备与成形加工技术的研究在国际上已形成一门新的材料科学分支——材料电磁处理，并且得到迅速发展。9.先进连接技术

①铝合金激光焊接 ②镁合金激光焊接

③机器人智能焊接 10.表面改质改性

在材料的使用过程中，材料的表面性质和功能非常重要，许多体材料的失效也往往是从表面开始的。通过涂覆（或沉积、外延生长）表面薄层材料或特殊能量手段改变原材料表面的结构（即对处理进行表面改性），赋予较廉价的体材料以高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用价值和产品的附加值，是数十年来材料表面加工处理研究领域的主要努力方向。

材料加工技术的总体发展趋势，可以概括为三个综合，即过程综合、技术综合、学科综合。由于上述材料加工技术的总体发展趋势，可以预见，在今后较长一段时间内，材料制备、成型与加工技术的发展将具有以下两个主要特征：（1）性能设计与工艺设计的一体化。（2）在材料设计、制备、成型与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制。

实际上，第一个特征实现材料技术的第五次革命、进入新材料设计与制备加工工艺时代的标志。实现第二个特征则要求具备两个基本条件：一是计算机模拟仿真技术的高度发展；二是材料数据库的高度完备化。基于上述材料加工技术的总体发展趋势和特征，金属材料加工技术的主要发展方向包括以下几个方面。1）常规材料加工工艺的短流程化和高效化。

打破传统材料成形与加工模式，工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生产提高生产效率。例如，半固态流变成形、连续铸轧、连续铸挤等是将凝固与成形两个过程合二为一，实行精确控制，形成以节能、降耗、提高生产效率为主要特征的新技术和新工艺。

目前国外铝合金和镁合金半固态加工技术已经进入较大规模工业应用阶段。铝合金半固态成型方法主要有流变压铸

2）发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制

例如，非平衡凝固技术、电磁铸轧技术、电磁连铸技术、等温成形技术、低温强加工技术、先进层状复合材料成形、先进超塑性成形、激光焊接、电子束焊接、复合热源焊接、扩散焊接、摩擦焊接等先进技术，实现组织与性能的精确控制，不仅可以提高传统材料的使用性能，还有利于改善难加工材料的加工性能，开发高附加值材料。

3）材料设计（包括成分设计、性能设计与工艺设计）、制备与成形加工一体化

发展材料设计、制备与成型加工一体化技术，可以实现先进材料和零部件的高效，近终形，短流程成型。典型的技术有喷射技术、粉末注射成形、激光快速成型等，是不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及金属间化合物、陶瓷材料、复合材料、梯度功能材料零部件制备成型加工的研究热点。材料设计、制备与成形加工的一体化，是实现真正意义上的全过程的组织性能精确控制的前提和基础。

4）开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新产品

块体非晶合金制备和应用技术、连续定向凝固成形技术、电磁约束成型技术、双结晶器连铸与充芯连铸复合技术、多坯料挤压技术、微成形加工技术等，是近年来开发的新型制备与成形加工技术。这些技术在特种高性能材料或制品的制备与成形技术加工方面具有各自的特色，受到国内外的广泛关注。

5）发展计算机数值模拟与过程仿真技术，构建完善的材料数据库 随着计算机技术的发展，计算材料科学已成为一门新兴的交学科，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第3个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于知识的材料成形工艺模拟仿真是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算, 模拟仿真可提高产品质量5～15倍，增加材料出品率25％，降低工程技术成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入设备利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30% ～60%等。目前，模拟仿真技术已能用在压力铸造、熔模铸造等精确成形加工工艺中，而焊 接过程的模拟仿真研究也取得了可喜的进展。高性能、高保真、高效率、多学科及多尺度是模拟仿真技术的努力目标，而微观组织模拟（从mm、μm到nm尺度）则是近年来研究的新热点课题。通过计算机模拟，可深入研究材料的结构、组成及其各物理化学过程中宏观、微观变化机制，并由材料成分、结构及制备参数的最佳组合进行材料设计。计算材料科学的研究范围包括从埃量级的量子力学计算到连续介质层次的有限元或有限差分模型分析，此范围可分为4个层次：纳米级、微观、介观及宏观层次。在国外，多尺度模拟已在汽车及航天工业中得到应用。铸件凝固过程的微观组织模拟以晶粒尺度从凝固热力学与结晶动力学两方 面研究材料的组织和性能。20世纪90年代铸造微观模拟开始由试验研究向实际应用发展，国内的研究虽处于起步阶段，但在用相场法研究铝合金枝晶生长、用Cellular Automaton 法研究铝合金组织演变和汽车球墨铸铁件微观组织与性能预测等方面均已取得重要进展。锻造过程的三维晶粒度预测也有进展。6）材料的智能化制备与成形加工技术

材料的智能化制备与成形加工技术是1986年由美国材料科学界提出的“第三代”材料成形加工技术，20世纪90年代以来受到日本等先进工业国家的重视它通过综合利用计算机技术、人工智能技术、数据库技术和先进控制技术等，以成分、性能、工艺一体化设计与工艺控制方法，实现材料组织性能与成形加工质量，同时达到缩短研制周期、降低生产成本、减少环境负荷的目的。

材料的智能化制备与成形加工技术的研究尚处于概念形成与探索阶段，被认为是21世纪前期材料成形加工新技术中最富潜力的前沿研究方向之一。其他的材料先进制备与成形加工前沿技术

复合材料加工技术现状 第3篇

1 搅拌摩擦加工制备复合材料原理

搅拌摩擦加工方法制备复合材料加工过程与搅拌摩擦焊接过程及其相似,如图1所示。

搅拌摩擦加工过程中,加工工件被固定在刚性垫板上。该被加工工件即为制备所得板材形式复合材料的基体材料。通过对板材开槽的方式,将增强材料预置于基体材料中。搅拌头高速旋转,在向下的压力作用下,搅拌头探针钻入工件表面,轴肩紧密接触工件表面,直至压入材料表面以下一定深度,该深度称为下压量。高速旋转的搅拌头,通过库仑摩擦和剪切摩擦产生大量的热量,使其附近的金属温度迅速升高、软化,并产生材料大范围的、迅速的迁移。搅拌头高速旋转的同时,沿着加工方向运动。置入的增强材料被软化的基体材料覆盖、包裹,并被切割成很多个小体积的单元,这些单元随搅拌摩擦加工过程不断运动,最终停留在搅拌头加工过的区域内,完成固相加工过程下复合材料的制备。

利用搅拌摩擦加工技术制备金属基复合材料,与其他制备方法相比具有独特的优势:其固相加工过程可以明显降低金属(尤其是铝合金)孔洞的产生,且组织结构致密、晶粒可较大限度的被细化。因此利用搅拌摩擦加工方法制备金属基复合材料具有重要的研究意义。目前在工程应用方面,板材形式的材料有着极为广泛的应用,采用目前的复合材料制备方法,制备板材形式的复合材料非常困难,搅拌摩擦加工方法为直接制备板材形式的复合材料提供了一种新的可能,具有显著的工程意义。此外,搅拌摩擦加工技术还在材料改性方面、制备细晶化材料、复合材料等,提供了新的、可尝试的技术方法,合理应用和优化该方法在材料加工和制备新材料方面,具有一定的前瞻性和应用潜力。

2 搅拌摩擦加工制备复合材料的研究现状

虽然目前国内外一些研究者已经利用搅拌摩擦加工方法来制备金属基复合材料,但还不是很多,多数仍处于初步的加工可行性或探索性研究阶段。

Mishra[4]等利用5083铝合金材料作为基体,用0.7μm的SiC颗粒作为增强材料,利用搅拌摩擦加工技术制备了颗粒增强板材表面层的复合材料。试验选用探针长度为1.0mm的搅拌头,倾角2.5°,在300rpm的旋转速度和101.6mm/min的条件下进行加工。研究结果表明,当搅拌头探针端部插入深度位于板材上表面以下2.03mm位置时,颗粒增强的表面层与基体材料具有较好的结合界面,其中上层为SiC颗粒增强区域,下层为基体材料5083铝合金,两层之间具有良好的界面,没有出现SiC颗粒在分界层附近团聚的现象。其制备的板材复合材料层在50-200μm的范围内,材料的显微硬度HV为85,SiC颗粒体积含量在13%左右时,显微硬度HV提高至123,SiC颗粒体积含量在27%左右时,显微硬度HV提高至173。Morisada[5]等人研究利用SiC颗粒增强AZ31镁合金板材。SiC颗粒尺度为1μm。加工前通过对AZ31镁合金板材开槽的方式,将SiC颗粒置于其中,槽的横截面积为1×2mm2。搅拌头轴肩直径为12mm,探针直径4mm,探针长度1.8mm,搅拌头倾角为3°。搅拌头以1500rpm的旋转速度,加工速度在25~200mm/min的变化条件下,对6mm厚度的板材进行加工。试验结果表明,搅拌摩擦加工过程使得基体材料AZ31的晶粒得到细化,晶粒度由79.1μm减小到6μm,显微硬度HV由48提高至69.3。

Morisada等[6]通过改变搅拌摩擦加工参数,尝试制备了MWCNTs碳纳米管增强的AZ31镁基复合材料。碳纳米管的直径为20-50nm,长度在250nm左右。试验中,通过对AZ31镁合金板材开槽的方式,将碳纳米管置于其中,槽的横截面积为1×2mm。搅拌头轴肩直径为12mm,探针直径4mm,探针长度1.8mm,搅拌头倾角为3°。搅拌头以1500rpm的旋转速度对6mm厚度的板材进行加工。试验结果表明,减小搅拌头加工速度,有利于碳纳米管的分散。在旋转速度为1500rpm,加工速度为25mm/min的条件下,增强材料分布区域的显微硬度为HV78,与母材AZ31镁合金的显微硬度HV41相比,有明显的提高。此外,Lee等人[7]将基体材料AZ61镁合金加工出多道深沟槽,把SiO2增强颗粒填入其中,对基体材料表面的搅拌摩擦加工。而Cavaliere[8]等开展了搅拌摩擦加工制备Al2O3颗粒增强2618铝合金复合材料的研究。

由于搅拌摩擦加工过程没有外加热源,目前的选用的基体材料,大多为铝合金和镁合金,这些合金具有的较好塑性变形能力可以保证搅拌摩擦加工的顺利进行。目前,添加增强相材料和增强相自生成是搅拌摩擦加工制备复合材料的两种主要方式。由于搅拌摩擦加工中,基体材料往往都经历了强烈的的塑性变形过程,材料的迁移较为显著,因此制备复合材料过程中通常选用颗粒较小的增强相材料,以免增强材料被打碎破坏。目前采用的增强材料包括:Al2O3颗粒、SiC颗粒、SiO2颗粒及MWCNTs碳纳米管等。而增强相自生成方法在C.J.Hsu[9,10]等尝试利用搅拌摩擦加工技术制备Al-Al2Cu以及Al-Al3Ti复合材料过程中有所应用,主要是将预处理过的Al、Cu或Ti粉末压实后作为增强材料。然而直接添加增强相材料虽然可以较好的控制增强材料的初始位置,通过配合合适的工艺参数,可以制备复合材料,但很难达到宏观的分布均匀。而增强相自生成方法理论上可以制备出分布均匀的复合材料,但利用金属间化合物作为增强相,在短时间的加工过程中,原金属粉末大多以自身材料存在,化合形成的增强相产生量也较少。

尽管目前采用搅拌摩擦加工技术制备复合材料仍处于研究的起始阶段,但由于搅拌摩擦加工特有的无污染、可重复性强、低能耗、可操作性强等特点,在未来的复合材料加工制备研究中将具有十分重要的地位,而搅拌摩擦加工具有的过程的可控性能够满足各种加工要求的复合材料的制备。

参考文献

[1]W.M.Thomas,E.D.Nicholas,J.C.Need ham,M.G.Murch,P.Templesmith,C.J.Dawes.Friction Stir Welding.International Patent Application No.PCT/GB92102203and Great Britain Patent Application No.9125978.8,1991.

[2]R.S.Mishra,M.W.Mahoney.Friction stir processing:A new grain refinement technique to achieve high strain rate superplastic-ity in commercial alloys.Materials Science Forum,2001,357-359:507-514.

[3]R.S.Mishra,M.W.Mahoney,S.X.McFadden,N.A.Mara,A.K.Mukherjee.High strain rate superplasticity in a friction stir processed7075Al alloy.Scripta Materialia,2000,42(2):163-168.

[4]R.S.Mishra,Z.Y.Ma,I.Charit.Friction stir processing:a novel technique for fabrication of surface composite.Materials Science and Engineering A,2003,341(1-2):307-310.

[5]Morisada Y,Fujii H,Nagaoka T,et al.Effect of friction stir pro-cessing with SiC particles on microstructure and hardness of AZ31.Materials Science and Engineering,2006,A433:50～54.

[6]Y.Morisada,H.Fujii,T.Nagaoka,M.Fukusumi.MWC-NTs/AZ31surface composites fabricated by friction stir processing.Materials Science and Engineering A,2006,419(1-2):344-348.

[7]C.J.Lee,J.C.Huang,P.J.Hsieh.Mg based nano-composites fabricated by friction stir processing.Scripta Materialia,2006,54(7):1415-1420.

[8]P.Cavaliere.Mechanical properties of Friction Stir Processed2618/Al2O3/20p metal matrix composite.Composites Part A,2005,36(12):1657-1665.

[9]C.J.Hsu,C.Y.Chang,P.W.Kao,N.J.Ho,C.P.Chang.Al-Al3Ti nanocomposites produced in situ by friction stir process-ing.Acta Materialia,2006,54(19):5241-5249.

复合材料加工技术分析 第4篇

关键词： 复合材料加工技术加工难点 材料切削 零件结构工艺性差

中图分类号TU5文献标识码A

1 前言

碳纤维复合材料尤其是高性能、耐高温碳纤维复合材料因为它结构的可设计性、优良的性能、长寿命、减重等，在航空领域应用的越来越广泛。 加工复合材料是当前复材零件使用过程中周期比较长、成本比较高、风险比较大的工序之一。 在我国构建复合材料产业链还存在相当大的缺失，相关的配套加工技术也不太成熟，在复合材料的加工技术研究方面所投入的人力物力也相对不够，跟国外比较先进的机械切削加工技术研究相比有相当大的差距。正是因为复合材料在各方面日益广泛的应用，才使其加工工艺的研究受到越来越多的关注。

2 复合材料加工技术的分析

复合材料是一种多相材料，所谓多相是指两种或者两种以上的组织或者化学性能的材料，而复合材料就是将多相材料经过各种加工方法加工而成。复合材料所含有的两相为增强相与基体相。复合材料有两种机械加工方法，即常规加工和特种加工两种方法。常规加工工艺与金属加工的方法相同，加工方法相对简单，工艺相对较为成熟。然而，当加工复杂工件的时候会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，这对自动化加工非常有帮助。但因为复合材料自身的复杂性，特种加工的应用受到限制，所以相对而言，常规加工应用较多。

2.1 复合材料常规加工技术的研究

在复合材料加工初期，所采用的加工方法一般是金属材料的加工方法。随着复合材料的种类增多，加工过程当中出现了很多的问题，例如刀具磨损较快等，这就要求复合材料的加工技术面向多样化。后来，国内外很多的学者相继提出了一些关于复合材料加工的方法，并在原有方法的基础上提出了进一步改进复合材料切削工艺以及更新切削刀具等一系列的观点。直至后来，Koplev进行了很多的实验，认为复合材料切屑的形成其实就是其断裂过程的发生，而这个观点后来也得到很多人的认可。自此，很多学者开始把重点转向切削刀具结构设计等。

2.2 复合材料特种加工技术研究

复合材料常规加工过程中会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。此外，常规加工方法加工复杂工件也较为困难。而特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，有利于自动化加工，而且随加工工件的切割面所产生的损伤很小，所以，被加工工件形变量会非常小。目前常用的复合材料特种加工方法主要有：超声波加工以及电火花加工等等。

3复合材料加工难点分析

3.1材料切削性能差

复合材料在其密集处的脆性较大，所以切削较易崩裂，而在小分子区域，分子结合力很小，切削更易崩裂；而纤维密集处不容易被切断，此时若切削刀具不够锋利而切削过程当中的切削进给量又过大，这样，材料纤维极易被成片扯离而发生一系列的缺陷。复合材料强度较大，切削性能也很差，在切削过程中更易发生“起毛”和“扯离”。同时，在复合材料加工过程当中，刀具较易磨损而变钝，这既会对被加工件的表面质量及尺寸精度产生很大的影响，还会降低材料加工效率。总之，正是由于复合材料本身的组成及其特性，而使其切削性能较差。

3.2零件结构工艺性差

有很多零件都呈回转体形状，其主要是由柱、锥、曲面等所组成的，零件的主要的工作面大多是尖边结构，由单个圆孔或者锥孔等所形成，而这会严重影响复合材料的加工，而导致其在切削过程当中极易出现翻边以及崩边。

4 解决复合材料加工问题的措施

4.1改进毛坯结构和模压成型工艺

为了有利于材料加工，就要对结构进行改进，主要方法就是减少直角边，在台阶处要选择光滑连接并且应尽量减少尖角结构。研究表明影响复合材料切削性能的一个很大的方面就是其组织的均匀性，此外，模压过程当中的预浸料预烘环节的均匀性也是影响复合材料切削性能的一个主要因素。

4.2选择合适的刀具与切削参数

由于复合材料本身的特性，在进行复合材料切削加工时所用的切削刀具硬度要高，同时还要满足耐冲击以及耐磨等条件。而硬质合金作为一种能承受较大冲击负荷的材料可以同时满足上述条件。此外，人造金刚石以及立方氮化硼都是超硬的材料，所以可以用这三种材质刀具进行切削，同时选择合适的速度及进给切削参数。

4.3优化加工方法

研究各种加工方法可以减少复合材料加工问题的发生，通过对复合材料进行各方面的分析研究，笔者总结出如下几个方法：

（1）合理编排切削路径。

在复合材料的加工过程当中，如果被加工件的切削部位受到很大的拉应力会使其发生“翻边”、 “崩边”等现象。所以，在进行切削的时候要按“入体”的切削路径进行切削。

（2）设置工艺槽，防止零件崩边。

由于乱纤维复合材料在钻头的锋利程度上受到限制，不适合采取普通的钻孔方法进行加工通孔。但是可以用增加工艺槽的方法，这样就可以有效地防止孔口崩边现象的发生。

（3）采用粗、精加工。

对于乱纤维复合材料的模压件不适合用大切深的方法进行加工。为有效防止以上问题的发生，应该尽量增强刀具的耐用度，并尽量提升加工的效率，采用分粗、精加工的加工方法。

5 总结

通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：

通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：

（1）对切削力、复合材料的性能、切削热温度场的分布及产生原因进行深入的研究；

（2）对复合材料的加工刀具的材料、几何参数进行研究；

（3）对复合材料的特种加工技术进行研究；

（4）通过研究复合材料的表面质量的生成原因，建立一个可以综合评价其表面质量的统一的标准。

参考文献

[1] 汪周斌， 付晓阳. 复合材料加工技术研究[J]. 科技资讯， 2011 （21）： 58-58.

[2] 陈玲林， 孙会来. 复合材料加工研究现状及激光在其加工中的应用[J]. 激光杂志， 2014， 35（2）： 7-9.

材料加工新技术 第5篇

姓名: 学号

专业：材料加工工程日期： 2013/11/6

金属材料短流程、近终形生产工艺

人类在探索新材料的过程中，也在不断地探索和完善材料的制备技术。近几十年来，随着高新技术在冶金领域的应用，金属材料短流程、近终成形技术也得到了很快的发展。金属材料的近终成形是集金属合成、精炼、凝固、成形于一道工序的一次成形技术，它实现了减少工序，缩短生产周期，提高金属利用率，提高金属性能。目前已使用的金属近终成形技术有近终形连铸、粉末冶金、喷射沉积成形、电渣转注、电磁铸造、金属泥成型等。近终形连铸

近终形连铸技术是指浇铸接近最终产品(板坯或者带坯)形状的连铸技术。作为一种新型的连铸技术,对钢铁生产工艺进步产生了巨大的影响。近终形连铸主要包括薄板坯连铸技术,薄带连铸技术和异型坯连铸技术等。同传统工艺相比,它主要具有工艺简单、生产周期短、低能量消耗、生产成本低、质量较高等优点。这些优点恰好弥补了传统工艺加工量较大、工序复杂、能耗大、生产周期长、成本较高、劳动强度大等不足。此外,利用薄带连铸技术的快速凝固效应可以获得一些难以生产的材料和新功能材料。

连铸技术已成为现代材料工业，尤其是钢铁工业最主要的技术之一。西方发达国家钢生产中的连铸比已达90%,我国的连铸比也接近90%。作为取代模铸的一种新工艺,连铸已带来巨大的经济效益。但传统的连铸坯需要多道加工工序才能制成最终的产品,因此造成大规模的设备投资和很大的能耗。为了减少投资,降低能耗,提高产品质量,各种种近终形连铸相继出现。

1.1薄板坯连铸技术

薄板坯连铸技术(TSCC)指浇铸厚度为40～80 mm的薄板铸坯,是传统连铸板坯厚度的1/3～1/6,可以直接进入热精轧机。薄板坯连铸连轧技术有很多优点,如其能耗是常规板坯连铸坯热送时的1/4,直接热装时的1/2。但采用TSCC新技术给冶金工艺带来很多困难,如拉坯速度明显提高、保护渣量增加、冷却效率要求很高等。目前,世界上已建成的典型工艺流程有CSP(Compact Strip Plant)、ISP(In-line Strip Plant)、CONROLL、FTSC(Flexible Thin Slab Casting)等。

1.1.1 CSP技术

CSP工艺又称为紧凑式热带生产工艺,是由德国施罗曼-西马克公司开发成功的,是目前应用最广泛的薄板坯连铸连轧工艺。目前已有22条生产线32流铸机(包括我国在内)成功地投入了工业生产。

CSP的工艺过程为:采用立弯式连铸机生产厚50～60 mm的铸坯,经分段剪切后,送入辊底式均热炉(120～185 m)进行加热、均热。薄板坯经加热炉入口段、加热段和均热段加速到20～30 m/min进入轧制工序。六机架精轧机组将厚50～60 mm的铸坯轧制成1.2～12.7 mm的带材,经层流水帘冷却后卷取。生产线全长约270 m。

优点:流程短、生产简便、稳定、产品质量好、成本低、有很强的市场竞争力等。

缺点:对钢水质量要求高、难以生产很宽或较厚的钢板等。

1.1.2 ISP技术

ISP技术也称作在线热带钢生产工艺,是由德国曼内斯曼-德马克公司1989年开发成功的,是世界上第一个在工业条件下采用固液铸轧技术的生产工艺,也被称为无头轧制工艺。首台ISP生产线是于1992年1月在意大利阿维迪公司克雷莫纳(Cremona)厂建成投产的。目前,世界上有6条ISP生产线在运行中。ISP的工艺过程为:钢包车→中间罐→薄片状浸入式水口→结晶器→铸轧段(厚约40 mm)→大压下量粗轧机(厚约20 mm)→剪切机→感应加热炉→克日莫那炉→精轧机→层流冷却→地下卷取。生产线全长约175 m。

优点:生产线布置紧凑、生产能耗少等。

缺点:感应加热炉设备较复杂且维修困难、薄片形水口寿命较短等。

1.1.3 CONROLL技术

该技术是由奥钢联工程技术公司(VILG)开发成功的。目前,已有5条生产线在运行中。其工艺过程为:CONROLL连铸机与热轧机平行布置,铸坯按Dynacs冷却模型冷却,铸机尾部装有一台火焰切割装置,将铸坯切成所需长度后进入连续式加热炉,薄板坯离开加热炉后,通过粗轧机架5个道次的可逆式轧制,轧成厚25 mm后进入带卷箱,经过高压喷水除磷,最后在6机架精轧机上轧成厚1.7～12.7 mm的热轧带钢,出轧机再经层流冷却后,卷曲成卷。

优点:生产效率高、产品成本较低等。

缺点:生产线的缓冲能力未必足、铸坯尺寸范围较窄等。

1.1.4 FTSC技术

该技术被称为高质量产品的灵活性薄板坯轧制工艺,是由意大利著名的达涅利(Danieli)公司开发的一种薄板坯连铸连轧工艺。FTSC工艺流程为:炼钢炉→炉外精炼炉→薄板坯连铸机→旋转式除磷机→隧道式加热炉→二次除磷机→立辊轧机→粗轧机→保温轨道→三次除磷装置→精轧机→输出辊道和带钢冷却段→地下卷取机。

FTSC工艺的特点是采用了三点除磷、H2结晶器、动态软压下装置、熔池自动控制系统、全液压宽度自动控制轧机、辊道式隧道加热炉等技术。

优点:钢种浇铸范围较宽、板坯尺寸范围较大、轧制过程操作灵活等。缺点:生产成本较高、对钢水质量要求较高等。

1．2 薄带连铸技术(SCC)薄带坯连铸技术指浇铸厚度为几毫米(厚25mm)或1 mm左右的成品或者半成品。其工艺方案因结晶器的不同分为带式、辊式、辊带式等,其中研究得最多、进展最快、最有发展前途的当属双辊薄带连铸技术。该技术在生产0.72 mm厚的薄钢带方面具有独特的优越性,其工艺原理是将金属液注入一对反向旋转且内部通水冷却的铸辊之间,使金属液在两辊间凝固形成薄带。双辊铸机依两辊辊径的不同分为同径双辊铸机和异径双辊铸机,其中尤以同径双辊铸机发展最快,已接近工业规模生产的水平。

与热轧带钢传统技术相比,该工艺省去了板坯连铸、火焰清理、加热、粗轧及全部或部分热轧,可使设备投资节省40%～50%,生产成本降低10%～20%,吨钢节能0.628 GJ,经济效益明显。其缺点主要是年产量低、有些技术问题比较复杂(如:侧边密封、双辊表面冷却及浇铸过程控制等)。

德国、美国还开发出了一种称为反向凝固的带钢连铸连轧法,利用该工艺可以铸造复合金属带,高效经济,并且不会出现漏钢事故。

1.3 异型坯连铸技术(BBCC)指浇铸除了方坯、板坯、圆坯、矩形坯以外的具有复杂断面的连铸坯。其特点有:表面积大,散热条件好,在二冷区内就能完全凝固,冶金长度短；矫直为固相矫直,许用应变较大,对矫直有利,矫直后形状变形大；断面形状复杂,各点的散热条件差别很大,因而温差就大,易于产生裂纹,所以拉速和铸机半径受到限制。异型坯连铸技术主要用于工字梁(H型钢)连铸。最早的工字形坯连铸机于1968年在加拿大Algoma公司正式投产使用,但由于铸坯断面复杂,易于产生偏析和内部裂纹等问题,长期以来发展缓慢。随着炼钢技术的进步和连铸工艺的日趋完善,工字形坯连铸机不断增加。目前,世界上已有20多条工字形坯连铸生产线,能生产出腹板厚度和翼缘厚度都小于80 mm的工字形坯。国内马鞍山钢铁公司的工字形坯连铸生产线已进行了多次试生产。但在生产过程中异型坯质量经常发生波动,直接影响了H型钢的实物质量,主要有腹板表面纵裂、表面划伤等缺陷。此外,近终形连铸还有线材连铸(WCC)、空心圆管式连铸和喷射沉积成形等。连铸连轧技术向棒、线材乃至异型坯领域扩展,已成为必然趋势。粉末冶金

粉末治金技术的主要优点是它的近终成形的特点,即从金属粉末直接制造出接近于最终形状的零件.采用这种技术可以避免传统工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒长大等铸造缺陷,有助于提高零件的各项力学性能。因此,粉末冶金技术在制造一些形状复杂的零件及用铸造方法无法得到优良性能的零 件方面,具有很大的优越性。

陶瓷模工艺是一种粉末冶金技术。陶瓷模工艺过程包括:陶瓷模的制备、装粉、二次包套、热等静压和脱模陶瓷模的制备包括在蜡模上涂覆陶瓷料浆、脱除蜡模以及烧结几个过程。蜡模是一个与所要获得的零件形状一致,尺寸经放大处理的石蜡或塑料模。装粉就是将金属原料粉末装入陶瓷模内。由于陶瓷模是多孔的,不能直接置于热等静压的压力容器中进行处理,因此,将陶瓷模置于一形状简单的金属包套中,在金属包套与陶瓷模之间,填充陶瓷颗粒作为传压介质。将金属包套置于压力容器中,进行热等静压,三向压力均匀作用于金属包套上,通过陶瓷颗粒传到陶瓷模上,再通过陶瓷模保形传压,使原料粉末成形并致密化.对于不同材料,热等静压的工艺参数也不同,如钛铝合金材料,要求温度超过980℃,压力不小于103 MPa,才能获得全致密的、粉末颗粒间结合良好的零件。热等静压后,将金属包套剥去,倒出陶瓷颗粒,小心地敲去零件表面的陶瓷模即可脱模。陶瓷模工艺原理如下图所示：

此项工艺中最为关键的工序是陶瓷模的制备,陶瓷料浆成分及配制,料浆的均匀涂覆方法及厚度控制、脱蜡及烧结等每一步都影响陶瓷模的性能,从而影响零件的制取.国外十分重视研究这道工序,且大都是保密的。

此项工艺于七十年代末由美国Crucible公司研究开发出来,主要用于一些形状复杂,性能要求较高的零件,如增压发动机的涡轮。国内目前尚无这方面的研究成果。喷射沉积成形

喷射沉积成形技术是在粉末冶金惰性气体雾化制粉的基础上发展起来的一 种近终成形技术。原理如下图所示：

它是利用已精炼的液态金属,经雾化成滴射流,使半凝固的颗粒在底衬上沉积,形成盘、棒、带、管等喷射沉积成形技术的关键是熔融金属经高压雾化成微小弥散的液态颗粒,以高速喷射到水冷基板上。到达基板前金属熔滴不能完全凝固,而到达基板后必须很快凝固,不能形成金属熔池。英国Swansea大学的Singger教授首先提出了喷射沉积概念,八十年代英国的Aurora钢公司应用这一原理生产M-2高速钢,由于冷却速度非常大(103～104 K/s),碳化物非常细小,用这种高速钢制成的刀具工作寿命比普遍铸-锻造制出的同钢种工具提高60%。美国麻省理工学院(MIT),用这种方法生产出强度、延伸率及缺口性能良好的Al-Li合金。这种方法还可以用于制取金属基复合材料和多层不同成分的金属复合材料。电渣转注

电渣转注法由乌克兰巴顿电焊研究院首先提出。其原理如下图所示： 6

自耗电极通入电流后,在渣池中析出焦耳热,将电极熔化,熔化金属在溶炼室中集聚,转注入三面封闭的固定式铸模,液态金属在固定模内凝固成形。

转注使液态金属与熔渣接触面积扩大,钢-渣反应时间增长,有利于钢中非金属夹杂物被炉渣吸附和溶解,有利于冷却过程中过饱和气体形成气泡逸出。这一技术的难点是金属液位的控制,熔炼移动过快会导致漏钢,过慢又会使铸模中的凝固外延到熔炼室,造成熔炼室卡死。电磁铸造

电磁铸造是无铸模连续铸造。液体金属在电磁场约束下,保持自由表面状态下凝固成形,其表面光洁似镜面,在强磁场的作用下,金属组织和结构得到改善。前苏联首先发明了这种铸造技术,美国、法国、瑞士相继引进这项技术用于工业化生产,瑞士铝公司利用这种技术生产出大量铝合金。电磁铸造铝锭表面光洁,无偏析、拉伤等铸造缺陷,既省去了铣面和切边工序,又具有良好的内部组织性能。我国在70年代开始研究电磁铸造技术,1989年大连理工大学铸造工程中心用此项技术成功地研制出了120mm×50mm×1000mm的铝锭。这项技术与传统铸造有很大区别,铸件成形过程受温度场、应力场、流速场及浓度场的综合影响,控制参数繁多,某一环节控制不当必将影响铸件的组织及材料的性能。金属泥成形

美国麻省理工学院Fleming教授首先提出了金属泥成形,随后,日本大力开发金属泥成形技术。目前,有色金属及其合金半固态金属泥制备与成形技术较为成 熟,利用这项技术已生产出铝镁合金汽车零件。

金属泥成形的优越性是,生产周期短,无疏松、缩孔、气孔及宏观偏析等铸造缺陷,能耗小,工模具损耗小，产品规格与品种的灵活性好。目前制备半固态金属泥主要采用电磁搅拌法，同时探索非均匀形核法、应变诱导熔体活化的SIMA法制备金属泥。采用压铸、挤压、注射、模压等方法对半固态金属泥进行加工。

复合材料加工技术现状 第6篇

电火花加工现状与发展

张杰

（上海理工大学 机械工程学院，上海）

摘要：首先简要地说明了电火花加工的原理、特点、分类和其在机械制造领域内的应用，继而详细地论述了近年来电火花加工的国内外研究现状，最后通过对一些资料的查阅对电火花加工的发展方向以及进一步深入研究时所需要注意的问题进行了初步的探讨。关键词：电火花加工，电火花成形加工，电火花线切割加工，发展现状，发展方向

Present Situation and Development of EDM

ZhangJie（School of Mechanical Engineering ,University of Shanghai for Science and

Technology,Shanghai）

Abstract : The principles ,features ,classifications of EDM and its applications in the fields of mechanical manufacturing are briefly stated, and then the research at home and abroad are presented in detail.Finally ,by the reference of several documents, some problems in need of a further investigation are proposed.Key words :EDM, Electric spark forming, wire-cut electrical discharge machining，present situation, future direction.1.概述

电火花加工是特种加工的一种。早在前苏联，拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。

1.1电火花加工原理

电火花加工现状与发展

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。

其工作原理图如下：

1.2电火花加工特点

电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现，具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多。电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，电火花加工的特点概括如下：

（1）直接利用电脑进行加工，便于实现自动化，适于特殊材料和复杂形状的加工。脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。

（2）适用的材料范围广。脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围较小，可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的导电材料。

（3）工具电极制造容易。加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极校工具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。

（4）可以再同一台机床连续进行粗，半精及精加工。脉冲参数可依据需要调节，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工。可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。

1.3电火花加工分类

按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同,大致可分为电火花成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类。前五类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；后者则属表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。以上方法中以电火花成形加工和电火花线切割应用最为广泛。

1.3.1电火花成形加工

该方法是通过工具电极相对于工件作进给运动，将工件电极的形状和尺寸复制在工件上，从而加工出所需要的零件。它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。

电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。

电火花加工现状与发展

电火花穿孔加工主要用于型孔（圆孔、方孔、多边形孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。近年来，为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题，在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工，取得良好的社会经济效益。典型机床有D7125,D7140等电火花穿孔成形机床。

1.3.2电火花线切割加工

该方法是利用移动的细金属丝作工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。按金属丝电极移动的速度大小分为高速走丝和低速走丝线切割。我国普通采用高速走丝线切割，近年来正在发展低速走丝线切割，高速走丝时，金属丝电极是直径为φ0.02～φ0.3mm的高强度钼丝，往复运动速度为8～10m/s。低速走丝时，多采用铜丝，线电极以小于0.2m/s的速度作单方向低速运动。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达 0.0lmm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度Ra值可达1.6 或更小。

目前电火花线切割广泛用于加工各种冲裁模（冲孔和落料用）、样板以及各种形状复杂型孔、型面和窄缝、凸轮、成形刀具、精密细小零件和特殊材料，试制电机、电器等产品等。典型机床有DK7725,DK7740数控电火花线切割机床。

1.3.3其他电火花加工方式

剩下的电火花加工方式应用较少，不是主流。包括：

电火花内孔、外圆和成形磨削：用于加工高精度、表面粗糙度值小的小孔，如拉丝模、挤压模、微型轴承内环、钻套等和加工外圆、小模数滚刀等。典型机床有D6310电火花小孔内圆磨床等。

（2）电火花同步共轭回转加工：用于加工各种复杂型面的零件，如高精度的异形齿轮，精密螺纹环规，高精度、高对称度、表面粗糙度值小的内、外回转体表面等。典型机床有JN-2,JN-8内外螺纹加工机床。

（3）电火花高速小孔加工：用于加工线切割穿丝预孔，深径比很大的小孔，如喷嘴等。典型机床有D703G电火花高速小孔加工机床。

（4）电火花表面强化、刻字：用于电火花刻字、打印记。典型设备有D9105电火花强化机等。

1.4电火花加工用途

目前电火花加工已广泛应用于模具制造、航天航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车、轻工业等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题，加工范围已达到小到几微米的小孔、轴、缝，大到几米的超大型模具和零件。电火花加工的主要用途可以概括为以下几项：

（1）用于模具生产中的型孔、型腔加工，已成为模具制造业的主导加工方法，推动了模具行业的技术进步。可以用于制造冲模、塑料模、锻模和压铸模。（2）加工小孔、畸形孔以及在硬质合金上加工螺纹螺孔。（3）在金属板材上切割出零件。（4）加工窄缝。

（5）磨削平面和圆面。

（6）其它（如强化金属表面，取出折断的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面复杂的零件等）。

2.发展历程及技术成果

2,1电火花加工发展历程

早在十九世纪，人们就发现了电器开关的触点开闭时，因为放电，使接触部位烧蚀，造成接触面的损坏。这种放电引起的电极烧蚀现象叫做电腐蚀。

电火花加工现状与发展

二十世纪四十年代初，人们进一步认识到，在液体介质中进行重复性脉冲放电时，能够对导电材料进行尺寸加工，因此，创立了“电火花加工法”。

五十年代，改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低，随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。

六十年代出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。

七十年代出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。

电火花加工技术经历了手动电火花加工、液压伺服、直流电机、步进电机、交流伺服电机等一系列过程。控制系统也越来越复杂，从单轴数控到3轴数控、再到多轴联动。20世纪90年代初期，3轴电火花机在国内还是空白，主要是从日本和瑞士引进。直到90年代中期，我国才开始步入国内电火花加工机的真正快速发展轨道，后来在此基础上又生产研发了4轴4联动电火花加工机。

2,2电火花加工技术成果

2.2.1对电火花加工优缺点的总结

电火花加工属于电脉冲放电腐蚀类，被加工的工件是好的导电材料，而且最好是优良的导电材料且不含杂质。

电火花加工的优点：

（1）电火花加工，最擅长对付那些高硬度的（一般的机械加工难以实现的）金属的加工（2）电火花加工尤其适合细、窄缝类（普通机械加工难以做到的）、清角位等的加工。

电化花加工的缺点：

（1）不能加工不导电的材料；

（2）加工过程中，有因为使用控制不良，引起火灾的安全隐患；（3）加工效率较低（相对机械加工来讲）；

（4）加工过程造成被加工件的内应力增加而变形，加工尺寸精度不高。

2.2.2影响其加工精度的因素的总结

与传统的机械加工一样，机床本身的各种误差，工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到电火花加工的精度。另外，与电火花加工工艺有关的主要因素是放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定等。概括为以下几个方面：（1）表面粗糙度

电火花加工表面的粗糙度取决于放电蚀坑的深度及其分布的均匀程度，只有在加工表面产生浅而分布均匀的放电蚀坑，才能保证加工表面有较小的粗糙度值。（2）加工间隙(侧面间隙)的影响

加工间隙的大小及其一致性直接影响电火花成形加工的加工精度。只有掌握每个规准的加工间隙和表面粗糙度的数值，才能正确设计电极的尺寸，决定收缩量，确定加工过程中的规准转换。

（3）加工斜度的影响

在加工中，不论型孔还是型腔，侧壁都有斜度，形成斜度的原因，除电极侧壁本身在技术要求或制造中原有的斜度外，一般都是由电极的损耗不均匀，以及“二次放电”等因素造成的。这些因素包括电极损耗、工作液脏污程度、冲油或抽油、加工深度等。（4）楞角倒圆的原因及规律

电火花加工现状与发展

电极尖角和楞边的损耗，比端面和侧面的损耗严重，所以随着电极楞角的损耗导致楞角倒圆，加工出的工件不可能得到清楞。而且，随着加工深度的增加，电极楞角倒圆的半径增大。但超过一定加工深度，其增大的趋势逐渐缓慢，最后停留在某一最大值上。楞角倒圆的原因除电极的损耗外，还有放电间隙的等距离性。

2.2.3影响其加工后表面粗糙度的因素的总结

（1）脉冲能量越大，加工速度越高，Ra值越大。（2）工件材料越硬、熔点越高，Ra值越小。

（3）工件电极的表面粗糙度越大，工件的Ra值越大。

3.电火花加工的国内外研究基本现状

近年来电火花线切割加工无论在加工过程控制,还是改进加工工艺方面都取得了许多新的进展。主要表现在突破了许多传统观念的束缚,产生了一些新的加工方法,以及一些新的控制和检测方式。

往复走丝电火花线切割机床的走丝速度为6～12 m/s，是我国独创的机种。自1970年9月由

电火花加工现状与发展

微电子、数控、电力半导体、机械技术、电气技术等，是多方面、多学科集成的产品，是比较复杂的高科技产品。国内现在显然还没有一个能够独立进行原始创新的团队，因此注定要经历一个长时间痛苦的积淀过程，电火花加工技术正不断向精密化、自动化、智能化、高效化等方向发展。我国务必要紧跟电火花加工技术发展步伐，才能立足世界。如今新型数控电火花机床层出不穷，如瑞士阿奇、瑞士夏米尔、日本沙迪克、日本牧野、日本三菱等机床在这方面技术都有了全面的提高。（1）电火花加工的精密化核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。时下数控电火花机床加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可达±2-3μm、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3μm。

（2）自动化指目前最先进的数控电火花机床在配有电极库和标准电极夹具的情况下，只要在加工前将电极装入刀库，编制好加工程序，整个电火花加工过程便能日以赴继地自动运转，几乎无需人工操作。机床的自动化运转降低了操作人员的劳动强度、提高生产效率。但自动装置配件的价格比较昂贵，大多模具企业的数控电火花机床的配置并不齐全。数控电火花机床具备的自动测量找正、自动定位、多工件的连续加工等功能已较好地发挥了它的自动化性能。自动操作过程不需人工干预，可以提高加工精度、效率。

（3）智能化：智能控制技术的出现把数控电火花加工推向了新的发展高度。新型数控电火花机床采用了智能控制技术。专家系统是数控电火花机床智能化的重要体现，它的智能性体现在精确的检测技术和模糊控制技术两方面。专家系统采用人机对话方式，根据加工的条件、要求，合理输入设定值后便能自动创建加工程序，选用最佳加工条件组合来进行加工。在线自动监测、调整加工过程，实现加工过程的最优化控制。目前智能化技术不断地升级，使得智能控制技术的应用范围更加的广泛。随着市场对电加工要求的提升，智能化技术将获得更为广阔的发展空间。

（4）高效化：现代加工的要求为数控电火花加工技术提供了最佳的加工模式，即要求在保证加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如这不但缩短了加工时间且省却后处理的麻烦，同时提升了模具品质，使用粉末加工设备可达到要求。另外减少辅助时间(如编程时间、电极与工件定位时间等)，这就需要增强机床的自动编程功能，配置电极与工件定位的夹具、装置。若在大工件的粗加工中选用石墨电极材料也是提高加工效率的好方法。

4.未来发展方向

先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对电火花成形加工技术提出了更高要求，同时也为电火花成形加工技术加工理论的研究和工艺开发、设备更新提供了新的动力。

今后电火花成形加工的加工对象应主要面向传统切削加工不易实现的难加工材料、复杂型面等加工，其中精细加工、精密加工、窄槽加工、深腔加工等将成为发展重点。同时，还应注意与其它特种加工技术或传统切削加工技术的复合应用，充分发挥各种加工方法在难加工材料加工中的优势，取得联合增值效应。相对于切削加工技术而言，电火花成形加工技术仍是一门较年轻的技术，因此在今后的发展中，应借鉴切削加工技术发展过程中取得的经验与成果，根据电火花成形加工自身的技术特点，选用适当的加工理论、控制原理和工艺方法，并在己有成果的基础上不断完善、创新。电火花成形加工机床向数控化方向发展的趋势已不可逆转，但应注意不可盲目追求“大而全”，应以市场为导向，建立具有开放性的数控体系。总体而言，电火花成形加工技术今后的发展趋势应是高效率、高精度、低损耗、微细化、自动化、安全、环保等。

对电火花加工而言，电火花成形机下一步的发展空间在精密微细和特殊材料两个方面。特殊材料（如航空航天领域用的材料）专机，窄槽窄缝、异型腔的加工，精密模具等领域都是发展重点。在精加工方面，曾经有过高速铣要代替电火花的传言，现在证明这是不现实的。

电火花加工现状与发展

现在粗加工、大电流的火花机又有回头的趋势，在家电、汽车很多行业中应用。人类新开发出来的导电的特殊材料都可进行放电加工，而高速铣通常很难实现。精密微细加工比如喷丝板等微小型零件都离不开电火花加工；航空航天领域中很多零部件需要多轴联动电火花加工。我们国家在专用机型上有创新的能力，有很大的空间。

5.需要进一步研究的问题

电火花加工虽然发展迅速，但仍然存在一些问题，经过对一些资料的查阅，这些问题可以总结为以下几条：

（1）一般加工速度较慢，生产率低于切削加工 安排工艺时可采用机械加工去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率。最近新的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率甚至高于切削加工。

（2）存在电极损耗和二次放电 电极损耗多集中在尖角或底面，最近的机床产品已能将电极相对损耗比降至0.1％，甚至更小；电蚀产物在排除过程中与工具电极距离太小时会引起二次放电，形成加工斜度，影响成型精度，（3）工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。

（4）由于电级丝是往复使用，所以会造成电极丝损耗，加工精度和表面质量降低。（5）放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度。（6）电极之间需要始终保持确定的距离。（7）电火花需要达到足够高的电流密度。（8）脉冲性放电是一个难题。

（9)如何及时有效的排除电蚀产物值得进一步的研究。

近年来随着特种加工技术在现代制造技术中的发展和广泛应用，国家很重视特种加工行业发展，我国的特种加工机床拥有量较高，也具有很大的生产规模，但在高端机床装备方面，与发达国家还有明显的差距，在加工精度、加工质量以及自动化程度等方面都有很大的提升空间。电火花加工技术中遇到的难题也将在这一趋势中不断被解决。我们相信，电火花加工技术将会不断成熟，并为我们带来巨大的价值。

参考资料：卢秉恒．机械制造技术基础．北京．机械工业出版社，２００７． 王贵成，张银喜．精密与特种加工．武汉．武汉理工大学出版社，２００９．

刘志东，高长水．电火花加工工艺及应用．北京．国防工业出版社，２０１１．