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难加工材料场辅助超精密加工研究

发布时间:2022-03-09 10:56所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

  摘要场辅助超精密加工(field-assistedultra-precisionmachining,FAUM)是一种先进的制造技术.基于传统的超精密加工技术,通过引入激光、超声振动和磁场等能场进行创新,实现了难加工材料纳米级甚至亚纳米级高精度制造.本文具体阐述了场辅助技术在切削、磨削和铣削等超

  摘要场辅助超精密加工(field-assistedultra-precisionmachining,FAUM)是一种先进的制造技术.基于传统的超精密加工技术,通过引入激光、超声振动和磁场等能场进行创新,实现了难加工材料纳米级甚至亚纳米级高精度制造.本文具体阐述了场辅助技术在切削、磨削和铣削等超精密制造领域应用的研究.通过分析加工表面质量、加工效率、切削力和刀具磨损等实验结果,与传统超精密加工技术对比,场辅助超精密制造技术具有明显优势.总结FAUM目前存在的不足及未来面临的挑战,为进一步发展多能场复合辅助超精密制造技术奠定基础.

  关键词场辅助超精密加工,难加工材料,激光辅助,超声振动辅助,磁场辅助

精密加工

  1前言

  超精密制造技术集成了现代最新的科技成果,零件的加工尺寸、形状精度可达到亚微米级,表面粗糙度Ra可达纳米级,甚至亚纳米级(10−1nm),是现代高新产业和科学技术的发展基石,也是现代制造科学的重要发展方向[1].难加工材料具有良好的综合机械性能,在国防军事、航空航天和生物医疗等领域获得了广泛的应用.然而,传统超精密制造技术加工难加工材料时,加工表面容易出现烧蚀、裂纹、亚表层损伤等缺陷,降低工件的使用性能,同时还伴随着严重的刀具磨损,降低刀具使用寿命.

  因此急需突破传统超精密制造技术瓶颈.场辅助超精密加工(field-assistedultra-precisionmachining,FAUM)技术通过在传统超精密切削、铣削、磨削、抛光等加工方式的基础上引入激光、超声振动和磁场等能场,弥补传统超精密制造技术在难加工材料高品质制造方面能力的不足,改善难加工材料的加工性能,实现其高质量低损伤的超精密制造.本文系统地总结了场辅助超精密制造技术的最新研究进展,对场辅助超精密制造技术的基本原理和加工性能进行了论述,涵盖了不同的场辅助加工方式、创成机理和设备装置,并对场辅助超精密制造技术的发展方向进行了展望.

  2难加工材料及其加工技术挑战

  常见的难加工材料可分为五大类:高温合金(铁基、镍基和钴基高温合金)、钛合金、不锈钢(奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢)、高强度钢和硬脆材料[3].

  由于共价离子键的结构特点,硬脆材料具有许多理想的特性,例如高强质比、耐腐蚀性、高韧性、电绝缘性、优异的耐热性和耐磨性,使硬脆材料比传统材料更具竞争力[4].常见的硬脆材料如碳化硅、单晶硅,广泛地应用于量子计算、激光面镜和红外探测系统等军事国防领域.单晶硅是目前应用最广泛的红外光学材料之一,在可见光波段不透光,但在红外波段(3~5μm)具有良好的透过率,可应用于军用红外设备,如单兵作战红外系统、EOST系统光学窗口.

  高温合金在高温环境下,具有较好的强度、抗氧化、抗热腐蚀、抗疲劳和断裂韧性等机械性能,可作为航空发动机叶轮材料.高强度钢具备高比强度和屈强比等特点,可应用于航天飞机起落架.陶瓷类石英玻璃具有良好的高温稳定性和力学性能,可应用于航空飞机机头雷达罩[5].钛合金具有密度小、弹性模量低、抗腐蚀性强、无磁性、生物相容性好等特点,常用于人工骨关节、口腔种植体等人工植入物.不锈钢具有抗腐蚀,抗氧化、无毒无污染等特点,可制成手术刀等医疗器械.

  然而上述难加工材料使用传统的加工方式较难直接获得满足使用需求的零部件.例如,高温合金和钛合金的加工变形系数小、导热系数低,传统切削加工时会出现冷硬现象,刀具粘黏、切削力大、切削过程的高温会加剧刀具磨损.硬脆材料硬度高、断裂韧性低,在传统切削加工过程中,材料是以脆性断裂的形式去除,容易在已加工表面产生裂纹和凹坑,严重影响产品的表面质量和使用性能,刀具发生严重磨损甚至崩碎,降低刀具的使用寿命[6,7].

  研磨或抛光可以去除超精密切削产生的表面缺陷,进一步提高工件的表面质量[8,9],然而研磨和抛光加工效率低、费用高,经济效益低[10],研磨抛光工具头会受到零件的待加工表面形状的限制,较难加工复杂的自由曲面,并且还会产生亚表面损伤[11].

  随着高性能难加工材料的开发和应用,传统的机械加工方式由于自身的技术限制,难以达到所需的面形精度和表面质量.在难加工材料的超精密制造过程中,激光辅助、振动辅助、电磁辅助等场辅助制造方式可有效弥补传统切削、磨削和抛光制造能力的不足,场辅助加工技术已成为难加工材料超精密制造领域的研究热点[12~15].

  3场辅助超精密加工技术

  FAUM技术通过融合流场、磁场、电场、超声和热场等能场,弥补了传统超精密制造技术在难加工材料方面的不足.目前,国内外从加工原理、装置设备、创成机理等多个方面对FAUM方式展开了系列研究工作.

  本文将对激光辅助、超声振动辅助、磁场辅助等FAUM技术进行深入研究论述.

  3.1激光辅助加工

  激光辅助加工(laserassistedmachining,LAM)是将激光能量引入加工区域,提前预热并软化难加工材料,以改善其变形行为,使得材料以塑性方式去除,从而提高温度诱导下材料的加工性能[19].

  材料通过外部热源加热后,在加工过程中可以减少切削力和刀具磨损、改善表面光洁度、提高材料去除率和减少工件表面损伤.20世纪70年代末,Bass等人[20]首次尝试了LAM实验,研究了激光加热对Inconel718、不锈钢和Udimet700的影响,发现激光的热效应可以提高难加工合金的可加工性.美国乔治亚理工学院与德国弗劳恩霍夫制造技术研究所率先开展了硬脆陶瓷光学材料的激光辅助加工,实现了陶瓷材料的塑性域去除.

  然而,引入激光极易造成光学脆性材料成形表面的热损伤,产生热裂纹扩展,较难实现光学脆性材料的高质量超精密制造.美国密歇根大学提出原位激光辅助加工技术,通过调整激光束从金刚石刀具刃口射出,使材料在加热的同时被去除,有效提高硬脆材料的加工质量和效率,应用于陶瓷、半导体和玻璃等难加工材料的精密加工[21].

  国内哈尔滨工业大学针对Si3N4陶瓷等难加工材料的激光辅助切削和铣削加工的切削机理和工艺参数进行了深入的研究[22,23].湖南大学针对Al2O3陶瓷激光辅助加工的温度场进行了数值模拟研究[22,24].华中科技大学开展了激光辅助超精密制造装备研制与前沿理论等方面的研究工作,并研制了国内首台激光原位辅助金刚石切削系统及成套加工工艺,实现了单晶硅、碳化钨和熔石英玻璃等难加工材料纳米级超精密加工.天津大学通过分子动力学和切削实验证实了原位激光辅助加工可以明显提高WC表面质量和刀具使用寿命[25].

  3.1.1激光辅助切削

  激光辅助切削(laserassistedcutting,LAC)实现形式简单,在提高工件表面质量,减少刀具磨损上表现出极大的优势,因此LAC为LAM领域最常用的加工方式,根据激光辐射位置的不同,LAC可分为传统LAC和原位LAC两种方式.传统LAC的激光源直接辐射于工件表面,通过激光的预热作用降低材料表面硬度,实现难加工材料的超精密加工.

  LAC装置由机床和激光模块组成,激光作用于待切削区域,通过加热至一定温度实现工件的软化效果,并由机床完成切削加工[26].国内外学者将LAC技术应用于氮化硅、ZrO2陶瓷、熔石英玻璃等难加工材料的加工,通过激光的软化作用降低材料的屈服强度,提高延展性,改善难加工材料的加工表面质量.Song等人[27]研究了普通切削和传统LAC对熔石英加工表面质量的影响,实验结果表明,相对于普通切削,传统LAC工件表面裂纹、凹槽等缺陷减少,表面质量更高,有效地提高了熔石英玻璃的切削性能.传统LAC通过激光直射工件表面改变材料的切削性能,在一定程度上提高了工件的表面质量和加工精度.但却存在着不足:

  ①激光光斑与刀具距离较大,达到厘米级,要对工件进行加热达到软化效果,需要较大的激光功率,能耗较高;②切削液难以作用于切削过程,切削液会影响激光光路,增加激光焦点位置的不确定性;③激光光斑与刀具间隔一定的距离,工件的中心位置无法被加工.对此学者们提出原位LAC技术,激光束穿过刀具本体并聚焦于切削位置处,通过激光与刀具的耦合,实现对工件材料的原位加热,使得加工区域温度精确可控,巧妙地解决了传统LAC所面临的技术瓶颈[6].

  Chen等人[18]采用分子动力学仿真与切削实验的方法研究了单晶硅激光原位辅助切削过程中亚表面损伤和相变过程.发现非晶Si是由Si-I相直接产生,而不是由中间高压相Si-II产生.新形成的非晶Si在激光原位辅助切削过程中部分结晶,并在激光退火作用下转变为亚稳Si-III和Si-XII相,可促进单晶硅的位错运动,提高塑性变形能力,实现单晶硅的临界切削脆塑转变深度由150nm增加到395nm,有效地降低亚表面损伤.

  Liu等人[29]通过分子动力学模拟研究了高温条件下单晶硅的切削机理和亚表面损伤演化规律.通过激光原位辅助切削实验,发现提高切削温度,非晶层的剪切抗力降低,非晶层的自润滑作用更加明显,有利于抑制亚表面损伤.He等人[30]通过有限元模拟(FEM)与实验测试的方法研究了激光原位辅助超精密切削温度场分布,采用光滑粒子动力学(SPH)对不同温度的单晶硅激光原位辅助切削过程进行仿真分析,并通过实验验证了原位激光可有效提高单晶硅的脆塑转变深度至378.11nm,实现单晶硅的塑性域加工.

  You等人[25]通过数值分析和加工实验系统地研究了原位激光辅助切削碳化钨的材料去除机理,通过高温纳米压痕实验,发现高温条件下碳化钨的加工性能得到改善,在原位激光辅助切削条件下,碳化钨发生了较大的弹性恢复,无损伤表面的临界切深从26.3nm提升至106.3nm,并基于仿真模拟结果和切屑分析,加工碳化钨的最佳激光功率范围是10~15W,面粗糙度Sa可达到4.66nm,刀具寿命能得到明显提高.

  Geng等人[31]基于有限元理论建立了三维瞬态传热模型,研究不同加工条件下的温度响应关系,探究原位激光辅助加工的材料去除机制和高效加工的可行性.通过对加工表面进行系统地表征分析,发现在原位激光辅助加工下的单晶硅位错移动速率明显提升,有效促进了单晶硅发生塑性变形.通过X射线衍射图谱分析,原位激光作用下工件表面的残余应力明显降低.

  根据加工实验结果,发现提高转速可促进单晶硅工件的塑性加工,抑制表面微凹坑的出现,表面粗糙度和非晶层厚度也随着转速增加而减小.Mohammadi等人[32]在单点金刚石车床上加入激光模块,搭建原位激光辅助切削系统,其中激光模块采用波长为1070nm、最大功率为100W、光斑直径为10μm的红外连续光纤激光器.通过对单晶硅(111)进行加工实验,发现原位激光辅助切削工艺可以修复和消除由于晶体取向效应而产生的径向辐条,能够显著降低单晶硅(111)工件的表面粗糙度.

  磁场辅助抛光(magneticfieldassistedpolishing,MFAP)是一种无接触力,磁场分布易控制,对各种复杂曲面的加工适应性强的新型表面光整技术.抛光是工件获得最低表面粗糙度、去除加工表面缺陷最常用的超精密加工工艺.但是传统的抛光方法效率低、精度差、自动化程度低,无法满足先进光学系统中光学元件的指标需求.所以要获得高质量超光滑表面,就必须对原有的抛光技术进行创新.随着亚纳米级加工成形机理和检测技术的发展,现已开发出多种磁场辅助抛光工艺.

  Singh等人[130]针对平面和自由曲面工件的加工,提出一种球头磁流变抛光装置,在圆柱形的工具头端部形成一个电磁式磁控球型的磁流变抛光区域,通过计算机控制的xyz三轴运动系统引导工具头的运动,可实现对斜面、平面、三维曲面的自动化加工.对熔融石英玻璃表面抛光90min,可将表面粗糙度Ra由初始值0.74nm降至0.146nm.Das等人[131]提出了旋转-磁流变磨料流抛光技术,R-RMAFF机床工件夹具装置.

  其中旋转磁场和液压单元分别为抛光介质提供旋转运动和往复运动,抛光黄铜和不锈钢材料平面工件,得到的最佳表面粗糙度Ra分别为0.05μm和0.11μm.徐江[132]研制出小工具头立式龙门布局结构的四轴联动磁流变抛光机床.经过两次迭代加工,完成对回转对称熔石英玻璃工件的成形抛光,在工件中心Ф16mm范围内,加工表面粗糙度Ra达到2.4nm,面形精度由0.81μm降低至0.14μm,可有效提高工件的表面质量.郭明亮[133]基于集群原理和旋转磁极动态磁场磁流变效应提出动态磁场集群磁流变平面抛光装置。

  多个圆柱形永磁体以环形的方式集群布置在抛光盘下面,永磁铁与偏心小轴连接,当抛光主轴转动时,偏心小轴会带动永磁铁一起反向旋转,于是永磁体相对于抛光盘偏心旋转形成动态磁场.用该方法可以将原始单晶硅研磨片的表面粗糙度Ra由213nm降至2.46nm,获得超光滑表面.胡锦飞[134]研究了磁流变-超声波复合抛光工艺,磁场抛光时的机械作用导致氧化锆陶瓷的材料去除,超声振动对工件表面材料的撞击作用共同构成磁场-超声波复合抛光工艺.

  对氧化锆陶瓷基片进行抛光,对比传统单一磁流变加工,磁场-超声复合抛光可明显提高表面质量,抛光150min后,工件表面粗糙度Ra为0.096μm.Guo等人[135]采用超声振动-磁场辅助抛光工艺加工矩形特征的微结构工件,通过调整磁极和磁体的位置,确定最优的磁场分布状态,并对抛光力和磨粒寿命进行定量预测.实验结果显示该抛光方法可以在不影响微结构形状精度的条件下,能够去除毛刺和刀痕,提高矩形微结构的表面质量.综上所述,MFAM是一种融合了材料、电磁、传热、机械等多学科的能场辅助加工方式.

  与传统加工方式相比,磁场可有效提高刀具与工件之间的导热性,防止加工区域出现局部高温,延长刀具使用寿命,同时在加工过程中还能改变导磁材料的材料性质,提高工件的机械性能.磁场辅助加工的形式具有多样性,不仅能对工件外表面进行光整加工,还能对复杂内腔进行精密修型,适用性范围广,加工效率高.随着MFAF不断发展,现已结合超声、电化学等技术,形成了多场辅助加工工艺,这些组合工艺能够使加工精度、加工效率进一步提升,让MFAF逐渐向纳米级、亚纳米级精度快速发展.

  但是目前MFAF也存在亟待解决的难题,传统磁场分布是开放式,能够用于加工区域的有效磁场能量只占总磁场能量的很小部分,而现有的电源设备很难产生满足加工要求的高强度稳定的磁场或 脉冲磁场,因此急需开发用于产生磁场的直流或脉冲大功率电源技术.另一方面,要获得表面高质量加工效果,还得研发精准可控的高密度磁能磁力线定向聚集技术,提高加工区域的磁化效果和稳定性.随着MFAM技术的快速发展,关键难题逐步解决,MFAM在未来的加工领域中具有广阔的应用前景.

  4总结与展望

  我国是制造业大国,在高端制造业亟需核心的制造加工技术支持,超精密加工是高端制造实现设计到生产的重要环节.传统的超精密加工由于切削力大、切削温度高导致刀具磨损严重,表面加工质量低等问题,难以满足现代先进光学产品的使用需求.

  为了突破传统超精密加工技术的限制,研究人员开展了基于激光、超声振动和磁场等场辅助加工技术,为中国高端制造带来创新的加工方式.激光辅助加工(LAM)在传统的加工技术基础上,将激光聚焦在加工区域,提前预热并软化难加工材料,以实现难加工材料的塑性去除,减少刀具磨损和工件的亚表面损伤,达到提高刀具寿命,改善加工质量的目的.然而,目前LAM在加工工艺、刀具磨损机制等方面仍有待进一步研究.超声振动辅助加工(UVAM)是一种间歇式加工方法,与传统加工方式相比能够有效降低切削力、减少刀具磨损、提高工件的表面精度和加工效率.

  目前,UVAM对高精度表面创成机理、工件材料变形和刀具冲击对加工面形精度和亚表面层损伤的关联机制的研究不足,同时高功率、大振幅和高效率超声振动系统装备有待进一步升级改进.磁场辅助加工(MFAM)是一种将高密度的磁场能量输入到加工区域,配合传统加工方法,实现对难加工材料高效去除的场辅助加工方法.目前,磁场辅助加工技术在光整精密加工,磁场辅助研磨和抛光的技术和装备已有较多研究成果,但对于切削和铣削等辅助加工工艺和机理的研究相对匮乏。

  制造业论文:冶金制造业智能化发展探究

  此外,提高磁场能量利用率,研制直流或脉冲大功率电源,发展磁场聚能控制等技术是进一步发展磁场辅助超精密制造的重要举措.目前,随着我国国防军事、航空航天和生物医疗等领域的高速发展,其内部核心元件需要实现纳米级面形精度、亚纳米级表面粗糙度及近无缺陷表面的超精密制造,以保障核心元件具有高精度、高负载、高稳定的工作性能.

  因此,单一场辅助超精密制造技术还需在制造流程、制造功能、制造精度和制造品质方面进一步创新,以实现超高精度和极低损伤元件的超精密制造.多场辅助超精密复合制造技术可有效融合单一物理能场诱导下高性能表面成形优势,以实现超精密元件的高品质制造.多场辅助超精密复合制造技术存在着多场融合与调控机制、多场辅助材料去除机理、关键短板装备研制等诸多难题,多场辅助超精密复合技术的高端制造仍然面临着巨大挑战.

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  DissertationforMaster’sDegree.Changchun:ChangchunUniversityofScienceandTechnology,2019杨振华.大尺寸金属镜散粒研磨技术研究.硕士学位论文.长春:长春理工大学,2019]

  作者:许剑锋*,黄凯,郑正鼎,林创挺,张建国,肖峻峰,陈肖

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《难加工材料场辅助超精密加工研究》

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