非金属硬脆材料加热辅助切削技术研究进展

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。
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
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

激光加热辅助切削中的关键技术与科学问题柏占伟【摘要】激光辅助切削技术以其独特的加工优势,已成为切削加工领域的前沿技术之一.首先介绍了激光辅助切削技术的工程背景,综述了激光加热软化、激光打孔、激光材料改性以及激光微区融化等代表性的激光辅助切削技术的材料去除原理,然后重点以激光加热软化法为重点分析对象,从技术(激光光源、切削加工工艺)和科学(传热学、力学)两个层面分别阐述了其研究现状及存在的难点.最后,指出了该技术今后在系统集成、切削过程仿真和刀具磨损机理等领域需要重点关注的问题.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)021【总页数】10页(P140-149)【关键词】激光辅助切削;热应力;温度场;切削力【作者】柏占伟【作者单位】重庆工程职业技术学院,重庆402260【正文语种】中文【中图分类】TG665矿冶工程随着材料科学的快速发展，越来越多的高性能、难加工材料不断问世。

这些材料高强度、高硬度、耐高温，在航空航天、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域有很大的潜在利用价值[1]。

但这些材料加工时效率低、费用高、表面质量差、精度难以保证[2]。

由于材料的强度一般会随温度的升高而降低[3](图1给出了部分难加工材料抗拉强度随温度变化的趋势)，故加热辅助切削是一种加工难加工材料的有效成型方法[4,5]。

现已用于航天宇航、兵器、车辆、化工、微电子及医疗工业等领域[6]。

目前常用的热源有等离子体[7—11]、氧乙炔焰[12—14]、感应电流[15]和激光[16—23]等，与其他热源相比，激光光斑尺寸小、能量密度高、能量分布和时间特性可控性好，具有重要的实用价值[24]。

基于上述原因，本文以激光辅助切削技术为对象，阐述其应用背景，综述了四类代表性的激光辅助切削技术，并从光学、切削加工工艺、传热学、力学等方面对研究较为广泛的激光加热软化法辅助切削技术进行详细的介绍，阐述了其研究现状，并指出了今后应该重点解决的关键问题。

管理及其他M anagement and other 激光增材制造高温铝合金材料与工艺研究石 彪摘要：本文综述了目前高温合金激光增材技术的最新进展。

详细讨论了高温合金的工艺性质、特点、显微组织以及冶金缺陷情况，并从激光参数和材料结构两个角度总结了其优缺点，还调整了其技术参数的组成。

关键词：激光；增材加工；高温合金1 影响机械加工工艺的根本因素1.1 铝合金的性能分析铝合金在工业生产中广泛使用，并且应用范围非常广泛，但由于其独特的性质，具有与其他金属材料不可比拟的特性。

铝合金的焊接技术并不理想，在焊接过程中容易出现各种焊缝缺陷，如气孔和裂纹问题，导致焊接质量下降。

铝合金材料在使用阶段具有较大的收缩性，因此在焊接过程中容易出现断裂迹象，导致焊缝变形。

根据经验，采取相应措施可以全面控制焊缝中的缺陷，从而提高铝合金的使用效果。

此外，铝合金材料具有良好的塑性和高硬度特性，需要全面研究新方法，以提高铝合金材料的使用效果。

1.2 切削加工残余应力法分析在实际生产中，金属零件通常使用切割工具进行切割，这时候单边切割会破坏材料内部的应力状态，影响金属的结构形状。

在铝合金的生产过程中，切削工具是必不可少的。

在切削过程中，切削角度会改变产品表面金属的形状，并在切割后受到一定的约束。

由于热塑性变形和碰撞，在切割过程中，铝合金材料表面温度升高，然后膨胀，但由于内部温度较低，导致表面金属材料在扩张时遭到内部物质的阻碍。

切割后的高温将导致零件表面尺寸缩小，并产生拉应力，导致零件变形。

2 激光增材制造方法针对铁合金材质中由于元素互溶性差而导致的热分配不平衡现象，可以采用高速凝固的制备方法，以缩短合金在液态状态下的保持时间。

此外，这些制备方法还有助于控制高温，使高熔点的铬金属材料能够熔融，并在凝固过程中与合金形成紧密结合，从而降低孔隙率，增加致密度和电导率。

激光增材制备工艺就是一种有利于调节室温的高速凝固新型金属材料制备工艺。

激光增材生产工艺技术（Laser Additive Manufacturing，LAM）也称为3D打印工艺技术，包括了一个变温、短时、非稳定循环相变过程，通常伴随着由激光供热设备移动部位引起的热处理过程。

金刚石丝锯精密切割及其制备技术康仁科教授精密与特种加工教育部重点实验室大连理工大学机械工程学院精密切割加工是制备半导体和光电晶体基片的主要加工工艺之一，在微电子、光电子器件的制造过程中占有很高的地位。

而随着微电子和光电子技术飞速发展，对半导体和光电晶体的切割加工提出更高要求。

高效率、低成本、高精度、窄切缝、小翘曲变形、低表面损伤、低碎片率、无环境污染等是目前半导体和光电晶体的切割加工的新趋势。

现在，硬脆晶体材料切割方法有金刚石圆锯切割、带锯切割、线锯切割。

金刚石圆锯有分为金刚石外圆据和金刚石内圆锯两种；带锯分为钢带据、金刚石带锯、钢片锯三种；线锯分为钢丝锯、金刚石串珠锯、金刚石丝锯三种。

金刚石外圆锯切割技术金刚石外圆锯切割技术是应用较早的切割方法，外园周上电镀金刚石的圆锯片直径在200mm左右，最大可达400mm。

多用于宝石、石英、铁氧体、陶瓷等材料的切断、切槽等。

优点是：结构简单、操作容易、刀片价格便宜；缺点是：刀片较厚、锯口宽、材料损耗较大、切割面的平行度较差、只能切割小直径或较薄工件。

金刚石外圆锯典型的应用就是在IC制造中将硅片切割成分离的芯片。

金刚石内圆锯（ID）切割技术金刚石内圆锯（ID）切割技术示意图金刚石内圆锯切割技术的优点是：1.刚性好，可做的很薄，达到0.1mm；2.切片精度高，直径200mm晶片的厚度差仅为0.01mm；3.设备低廉，所用切割机价格仅为其它工具多使用切割机价格的1/3——14；4.每片都可以进行径向调整和切片厚度的调整；5.小批量多规格加工时，具有灵活的可调性。

缺点是：1.切片表面损伤层较大；2.刀口宽，材料损失大；3.生产率低，每次只切割一片；4.只能切割直线，无法切割曲面；5.只能切割直径小于200mm的晶片。

带锯切割金刚石带锯是以电镀金刚石磨料或镶焊金刚石烧结块为主题的环形锯条，带锯出现于20世纪50年代，我国八十年代才开始研制该类设备。

优点是：锯切速度快，刀具材料消耗少，噪音小。