(新疆大学机械工程学院 
梁楚华 
新疆乌鲁木齐830008) 
摘要：本文介绍了超硬材料常用机械加工方法和特种加工方法，以及各种方法的材料去除机理、特点、发展现状 
及趋势等。 
关键词：超硬材料机械加工工艺 特种加工工艺 
1 弓l言 
随着科学技术的不断发展和进步，许多新型装备都对整体工作性能和各项综合技术指标提出了愈来愈高的要求，特别是航空航天领域和军工领域以及特种行业，对产品的整体工作性能和各项综合技术指标的要求更加苛刻和严格。为了满足产品的特殊要求，对产品中所使用的材料也往往提出各种不同的性能指标要求，其中材料的硬度、强度和韧性也常常成为材料重要的技术指标之一。随着难加工材料应用的日益广泛和普及，对其加工技术也提出了越来越苛刻的要求。一般来说，其加工方法分为机械加工和特种加工两大类。 
2 超硬材料的机械加工工艺机械加工是应用范围最广的传统加工方法，它研究如何利用切削的原理使工件成型从而达到预定的设计要求。机械加工包括切削加工，磨削加工等。 
近20年来，国内外对超硬材料机械加工的研究，主要集中在材料的去除机理，加工新工艺等方面。 
2．1 磨削加工 
磨削加工就是通过高速旋转砂轮的磨粒对材料表面进行挤压，使之产生塑性变形或脆性断裂从而产生磨削，形成新的表面。近年来磨削技术的发展趋势是超硬磨料+ 高效磨削工艺4-CNC磨床系统。高速磨削：日本研制的超高速Vs一160～260m／s外圆磨床，使用CBN砂轮，获得圆度误差为1 m ，表面粗糙度Rz1．2 m的磨削效果；精密加工和超精密加工：精密加工当前是指被加工零件的加工精度为1～0．1 m ，表面粗糙度值Ra介于0．2 
～ 0．01 m的加工技术；超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0．1 m ，表面粗糙度值Rad0．025~m 的加工技术。使用氧化铝，碳化硅、立方氮化硼、金刚石等磨粒制成的砂轮、砂带对硬脆材料进行磨削加工，加工精度可达1～O．Ol m ，表面粗糙度值达Rz0．1～0．05~m,磨削自动化：随着机械制造业向着FMS(柔性制造系统)、CIMS(计算机集成制造系统)、IMS(智能制造系统)高度自动化方向迅速发展，对磨削加工提出了自动化的要求。 
2．2 切削加工 
切削加工是利用单刃超硬刀具，以微小的切削量去除材料。具有加工形状精确，加工效率高等特点，但对机床的精度要求也高。主要包括刀具材料和现代切削技术的发展。 
(1)刀具材料及发展 
目前，国内外用于超硬材料切削的刀具材料主要有：TiC(N)基硬质合金(也称为金属陶瓷)，硬质合金涂层刀具，陶瓷刀具，聚晶PCD和立方氮化硼等。具有三高(高可靠性，高强度，高抗热震性)性能刀具材料的研究开发是今后高速切削刀具材料研究开发的重点，纳米复合与涂层，剃度功能和多种增韧补强机制协同作用的刀具材料的设计与开发将是超硬切削研究发展的方向。 
(2)现代切削技术的发展。 
高速切削、精密和超精密切削是当前切削加工的主流技术。高速切削的主要内容包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。用金刚石刀具实施超精密切削已由过去只能加工铜、铝及其合金等有色金属，扩展到加工塑料、陶瓷和复合材料。为了切除极薄切屑，要求金刚石刀具切削刃的刃口半径P极小，经精密研磨的单晶天然金刚石刀具的刃口半径p< 0．05～0．1 m，研磨质量高的甚至可达几个nm(纳米)，能实现纳米级切削

3 超硬材料的特种加工工艺
特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能以及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料去除的加工方法。常用特种加工方法有碳弧气刨加工、电熔爆加工、电火花加工、激光加工和超声加工、以及近年新出现的短电弧加工新工艺。
3．1 碳弧气刨加x-(CarbideArcAirGou~ngMethod)碳弧气刨是利用碳弧的高温将金属熔化后，用压缩空气将熔化的金属吹掉的一种刨削金属的方法。
碳弧气刨的特点主要有以下几个方面：
(1)与风铲相比，生产效率比高4倍左右，从而降低了工件的加工费用。
(2)劳动强度明显降低，噪声也比风铲时要低。
(3)与等离子弧气刨相比，设备简单，压缩空气容易获得且成本低。
(4)在清除焊缝或铸件缺陷时，被刨削面光洁锃亮，在电弧下容易发现各种细小的缺陷，有利于焊接质量的提高。
(5)由于碳弧是利用高温而不是利用氧化作用刨削金属，因而不但适用于黑色金属，还可用于氧气切割法不能或难以切割的金属，如铸铁、不锈钢和铜等材料。
(6)碳弧气刨与切割的缺点主要是：操作不当，易使槽道增碳；碳弧有烟雾、粉尘等污染物及弧光，在狭小的空问内及通风不良处操作时，应采用相应的通风设备。
碳弧气刨加工的发展趋势主要体现在对其基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等问题的深入研究；同时，充分融合以现代电子技术、计算机技术、信息技术和精密制造技术为基础的高新技术，使加工设备向自动化、柔性化方向发展。并且，针对碳弧气刨加工产生烟雾、粉尘污染的特点开发新的碳弧气刨设备，以降低甚至消除加工时对操作人员的伤害。
3．2 电熔爆加工
电熔爆加工技术是通过带电工具电极与工件表面问产生的特殊的电作用，使加工件表面局部迅速熔化，同时在高速工件液的冲击下，熔化金属迅速爆离，达到零件加工要求的尺寸程度和加工的粗糙度的一种特种加工技术。它可以广泛地用于航天、航空、冶金、机械、船舶、铁路、军工、石油、矿山等各个行业，对各种特殊材料及难加工材料如碳化钨、不锈钢、高铬合金、高锰合金、稀土合金、超硬合金、钛合金、金属陶瓷等进行经济而且高效的加工
电熔爆技术主要特点：
(1)加工碳化钨、高铬合金、钻基合金、镍基合金、铁基合金、稀土合金、金属陶瓷、钛合金等各种难加工材质比传统机电加工技术可提高工效5～50倍(根据材料性质定)，节能至20倍，成本降低50～90 。
(2)实现机床无切削力加工，机床结构减化80 ，使用寿命延长5～10倍。
(3)电熔爆新型表面工程技术制造或修复产品
的使用寿命，比国外同类产品提高1～3倍，比国内同类产品提高1～10倍(根据材料性质定)。加工表面粗度 12．5～1．6，尺寸精度0．01～0．1mm。
(4)电熔爆技术和机加工、电火花等技术相结合可优势互补，生产高效、高质量产品。电熔爆加工的发展趋势主要体现在对加工过中的一些还不十分明了，不便于加工控制的加工机理，如放电通道中的电流密度及其分布规律、加工介质(工作液)的作用机理、工件表面变质层与加工参数之间的关系等规律的继续深入研究，以及将电熔爆加工技术与计算机技术、自动化控制技术、信息技术相结合，从而实现自动，精细化加工。
3．3 电火花加工(EDM)
电火花加工主要用于穿孔成型和线切割。国内外近些年来在基础理论研究、新技术开发、新型高速、高精度EDM机床的研制等方面做了大量工作，
有较大发展。其主要发展趋势如下：
(1)电火花加工技术的基础理论研究
包括电极间的物理和化学反应、放电点的测量和控制等。东京农工大学的国枝教授已从实验和理论上对放电点发生部位进行了测量和分析，通过对电极不同部位加上不同的高电压，实现了对放电发生点的控制。
(2)开发了气体放电加工技术
通过在管状电极中通人高速气流，吹走电蚀产物和放电产生的等离子体，冷却电极表面，具有工件电极损耗小，工件表面热影响小，对环境没有污染，不易发生火灾等优点。
(3)直线电机在EDM 和WEDM机床上的应用和加工过程的自适应直线电机不用滚珠丝杠，没有传动间隙，满足高
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2007年8月 地质装备 13速响应的要求，从而改善加工质量。三菱电机公司开发AutoMagic型WEDM机床有很强的自适应控制，其自动穿丝功能使0．12 mm 的电极丝在切割
50 mm厚钢板时的剪断及再接时间仅为10 S。
3．4 激光加工(LBM)
激光能对陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金等实现打孔、焊接、切割、刻线等工艺。采用英国Frumpt公司生产的TLF750型CO 激光器打孔，孔径为< 0．762±0．013mm，位置公差<0．0635mm；美国开发的寿命超15000h光纤激光打标系统，用于众多半导体模制化合物、引底座、晶片、陶瓷基底和包装上，形成清晰耐久的标记；激光划线技术已成为生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为l5～25 m，槽深为5～ 200~m)，加工速度快(可达200rnm／s)，成品率可达99．5 以上。硬脆材料的激光精加工技术将会在以下方面取得新的突破：
(1)在推广应用激光打孔、切割、刻线、焊接技术的同时，不断完善和改进工艺措施，扩大激光加工的应用范围。
(2)研究适用于厚壁和复杂形状零件的激光加工新技术。
(3)探索输出功率大、脉冲特性好、波形稳定的新光源，研制特性好的激光发生器。
(4)试制应用范围广、自动化程度高、加工精度好的激光加工机。
3．5 超声加工(USM)
超声加工主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、微细孔、超声复合加工。超声发生器和超声振
动系统是超声加工装置的核心组成部分，改进超声工，主要是围绕这两方面展开的：
(1)频率跟踪技术和稳定振幅技术的同时引入频率跟踪和恒定振幅控制是超声加工电源两个重要的特性，传统的超声发生器难以实现频率跟踪，不能适应负载的变化(如工具的更换、磨损等)，工作稳定性差。通过改进，实现频率自动跟踪，加快跟踪速度，扩大搜索范围、提高搜索精度；自动进行输出振幅和功率控制，实现恒振幅和单位负载恒功率输出，从而提高加工质量和效率。
(2)对超声振动系统的改进
超声加工通常要求工具端面获得较大的振幅(1O～2O m)，而一般使用的超声换能器振子，不论是磁致伸缩式还是压电式换能器振子，其振动表面的振动速度或位移振幅都比较小，不能满足加工的要求，通过改进与变幅杆的连接方式，对振幅进行放大，满足系统的回转精度和超声能量传递两方面的要求，实现加工目的。此外，变振幅扩大棒杆为工件加振方式的微细超声加工，对碳酸玻璃、半导体硅等硬脆材料试件进行微孔加工的尝试等，都取得了良好的效果。
3．6 短电弧加工
短电弧强电加工以工具电极和工件作为放电电极，加工时工具电极与工件不接触，机械切削力近于零，工作介质为水气混合物或水或气，加工过程中工具电极与工件表面产生特殊的电作用，形成强电子电流(电源电流可达4000A)，在雾化介质中进行短电弧放电并产生高温高热使工件表层金属迅速熔化而剥离工件母体，达到尺寸精度和粗糙度的加工目的。
短电弧切削技术特点为：
(1)工件可以是各种导电的金属、半导体、非金属材料；工具电极材料多样化，可以是金属如铜、钢、铸铁、铝等，也可以是石墨、金属石墨或芯部是金属外缘是石墨，还可以是硬质合金、高速钢刀具；工具电极形状也可以多种多样，可以是刀具状、盘状、棒状、异形状、成型状，也可以是环架状。
(2)短电弧切削设备由于没有切削力或只有微小的切削力，因此它的原型机床设备与同类机床比较具有传动简单、外形小巧、低速、振动小、经济高效、高精度低强度切削、性能稳定可靠、对周围环境影响小、无环境污染等优点。
(3)短电弧切削设备可在同一个阴极装置上完成常规刀具切削(不接短电弧切削电源)和非常规刀具切削(接短电弧切削电源)，减少了工件装卡次数和停机时间，提高了被加工件表面质量，为目前机加工工艺提供了一种缩短工艺流程的新办法。
(4)短电弧切削设备阳极装置完成工件的回转、往复直线运动和静止状态，并使工件带正电。阴极装置完成工具电极的静止、回转和机械往复间歇运动，并使工具电极带负电；其工具电极速度V≤2m／s的回转或往复直线运动时，其材料为石墨、金属石墨或表面镀铜石墨；速度2m／s<V~10m／s时，其材料为金属、高速钢、硬质合金、不能使用石墨电极。工具电极或工件在切削过程中可以是静止、转动、或直线往复运动。
(5)短电弧切削设备其干式切削时工作介质可只供给气、采用石墨或硬质合金、高速钢电极，湿式维普资讯 http://www.cqvip.com14 丁国平等：超硬材料加工技术及其发展趋势 第8卷第3期切削时工作介质可供给水或水气混合物、采用石墨、高速钢或金属电极。
短电弧强电加工技术今后的主要研发方向为：
(1)加强短电弧强电加工中的关键技术研究
短电弧强电加工中的关键技术研究，将提供短电弧强电加工机床设计开发所必须的理论依据和关键技术参数，将解决短电弧强电加工机床设计开发中的技术标准问题，将会对短电弧强电加工机床的研究奠定必要的理论和技术基础。
(2)进行产品的精密化开发研究
短电弧强电加工关键技术的研究，必将为提高短电弧强电加工机床的加工精度提供必要的技术依据，为开发加工精度更高的短电弧强电加工机床奠‘定基础。
(3)进行产品的标准化、系列化开发研究
在加强短电弧强电加工关键技术研究的基础，进行短电弧强电加工机床的标准化、系列化开发研究，将是短电弧强电加工技术和短电弧强电加工机床研究发展的必由之路。
(4)进行产品的数字化开发研究
短电弧加工机床加工过程中的工具电极损耗，不但影响短电弧加工的放电效果，也直接影响零件加工的尺寸精度，如果实现数字化控制，则可在加工过程中对工具电极的损耗进行动态补偿，保证短电弧加工的放电间隙和正常放电加工，提高零件加工的尺寸精度。此外，机床的数字化控制也是机床发展的必然趋势。
(5)推动产品的产业化进程
总之，现有加工技术研究的不断深入及新的加工技术的出现，必将推动新的材料的出现与应用，从而推动产品的不断更新换代，制造技术的不断进步。
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                                                                  稿日期：2007年1月8日)