材料先进加工技术论文

材料先进加工技术论文（通用8篇）

材料先进加工技术论文 篇1

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

材料先进加工技术论文 篇2

关键词：技术要求,加工工艺,箱体类零件,位置精度,装配基准,设计基准,三坐标测量

1 箱体类零件的加工原理

箱体类零件是通常作为箱体部件装配时的基准零件。它将一些轴、套、轴承和齿轮等零件装配起来, 使其保持正确的相互位置关系, 以传递转矩或改变转速来完成规定的运动。因此, 箱体类零件的加工质量对机器的工作精度、使用性能和寿命有直接影响。箱体零件结构特点:多为铸造件, 结构复杂, 壁薄且不均匀、中空、需要加工较多的平面和精度较高的孔, 因而箱体的加工难度较大。如:我们加工的箱体零件的特点是:箱体零件需要加工较多的平面和较多的轴承孔, 并且孔的精度较高。孔与孔、孔与平面的位置精度也较高。因此, 为了保证箱体加工质量制定合理的加工工艺将是一个关键的环节。 (1) 先加工平面后加工孔, 因为箱体的孔比平面难以加工, 先以孔为粗基准加工平面, 再以平面为精基准加工孔, 这样, 可以使孔的加工余量均匀, 又可为孔的加工提供稳定的精度基准。而且还可以利用加工过的平面, 按照基准统一原则加工孔系。以保证孔与孔, 孔与面的位置精度。 (2) 粗、精加工分开, 因为箱体孔的精度要求较高, 粗精加工分开可以消除加工造成的内应力、切削力、夹紧力过大和切削温度过高对精加工的影响, 有利于保证加工质量。 (3) 合理的热处理工序, 因为箱体零件形状复杂、壁厚不均, 其毛坯的内应力较大。为此, 保证孔的精度尤为重要。

1.1 粗基准的选择

加工精基准定位用的粗基准, 应能保证重要加工表面 (主轴支承孔) 的加工余量均匀;应保证装入箱体中的轴、齿轮等零件与箱体内壁各表面间有足够的间隙;应保证加工后的外平面与不加工的内壁之间壁厚均匀以及定位、夹紧牢固可靠。为此, 通常选择主轴孔和与主轴孔相距较远的一个轴孔作为粗基准。

1.2 精基准的选择。

在选择精基准时, 首先要遵循“基准统一”原则, 即使具有相互位置精度要求的加工表面的大部分工序, 尽可能用同一组基准定位。这样就可避免因基准转换带来的误差, 有利于保证箱体类零件各主要表面间的相互位置精度。但由于箱体顶面不是装配基面, 故定位基面与装配基面 (设计基准) 不重合, 增加了定位误差。为了保证图纸规定的精度要求, 需进行工艺尺寸链换算。

2 传动箱体类零件的先进检测技术

随着科学技术的快速发展, 三坐标测量机测量技术不像传统测量技术需对工件进行精确调整、找正只需对工件进行特殊调整。坐标测量技术中尺寸、形状和位置的评定在一次安装中即可完成。简单地调用所对应的软件, 即能完成测量任务。那么如何用三坐标测量仪测量传动箱体。

2.1 测量前注意事项:

(1) 仔细审阅图纸:根据图纸列出要测量的几何元素。测量人员必须很好掌握测量软件可测量元素的几何特点和计量特征。图样设计的尺寸一般都是有目的的, 基本尺寸都应该有其作用, 不要漏检尺寸。 (2) 对于加工完的工件要放在室内停留一段时间后再进行测量。 (3) 零件必须要擦拭干净、无毛刺; (4) 对工件的摆放方向和装夹方式做准备。尽量做到尺寸、形状和位置的评定在一次安装中即可完成。 (5) 检测时零件不能被冲撞、移动、重定位或更换的情况下, 所建立的零件坐标系才是有效的。

2.2 测头管理:

(1) 启动PC-DMIS (测量软件) 。 (2) 在主菜单中选择新建软件, 输入零件名、接口、测量单位等信息。 (3) 测头校正, 测头校正是三坐标测量机进行测量时不可缺少的一个重要步骤, 目的是要正确得到被测零件的测量参数。 (4) 定义测头数据参数测量速度选取要合适。测头要根据零件测量元素来定, 如果基准相对长一点, 端面台阶面有采点的位置, 可以考虑用直径稍大的测针, 若是基准较短, 而且某一端面中间存在凸台, 余量较小, 那么从整个零件的测量出发, 如附图测3-φ6.50+0.5油孔。可能就需要选用直径小一号的测针 (见图) 。

2.3 建立坐标系:

为获得正确有效的测量结果, 必须在图纸上注出标注尺寸的基准元素。利用基准元素建立有效的零件参考坐标系。

A、见 (附图) 技术要求测孔2-φ65J6, 2-φ62M6, 2-φ33J6, 2-φ14D8及大孔中心距52.80+0.05、24±0.015、93.9±0。05等周边孔形位公差。即建立坐标系 (1) 零件找正把1#、2#等高垫块置于工作台面上, 再把箱体安放在1#、2#等高垫块上。目的是保证零件上将要被检测的几何元素能够被正确采点。以箱体底平面 (空间旋转平面) 法向方向为Z轴。因为箱体底面是装配和加工基面, 有较高的平面度和较小的表面粗糙度值。 (2) 旋转到轴线以上轴承支承孔φ65J6的端平面为Y轴及Y的原点。目的是锁定零件的旋转自由度。 (3) 设置原点以上轴承支承孔φ65J6的圆心为X、Z原点。因为此孔是图纸注出尺寸的基准元素。利用基准元素建立有效的零件参考坐标系。

B、见附图技术要求测底平面销孔30±0.025、1080+0.025、20±0.1等位置尺寸。按图二装夹工件是无法检测。必须重新装夹工件, 建立零件参考坐标系。 (见图二) (1) 零件找正以箱体底平面空间旋转平面为Z轴及Z原点。 (2) 以下轴承支承孔φ65J6端面为X正平面旋转方向。 (3) 曲轴前轴承孔φ14D8圆心为X, Y原点。因此孔测量元素型面精度好, 又是加工和装配的基准元素。

2.4 测量各参数;

(1) 手动测量点:将测头接近欲测点附近时减慢速度, 使测头与表面接触, 应确认采点方向基本与工件表面垂直。在右下角的状态栏中有计数显示为“1”, 在键盘上按“END”键, 则此采点进入到零件程序。 (2) 测量平面:确定一个平面的最少点数为3点。如测箱体的底平面分布采4～6点。如有坏点, 则删去重测。当采点完成, 则在键盘上按“END”键。 (3) 测量圆:测量圆的采点数最少为3点, 尽可能把测量点分布开来。如测箱体2-φ65J6的圆均匀分布在圆周上采4点, (4) 测量圆柱:圆柱的测量类似圆的测量, 应垂直于圆柱轴线取两个距离较远的截面圆。应注意测完第一个圆后再测第二个圆。测圆柱的最少点数为6点。如 (附图) 测箱体2-φ62M6。2-φ14D8圆柱等。当把所有点采集完后, 则在键盘上按“END”键。由测量软件运算处理, 便可计算之我们要的尺寸, 首先得到测量数据。

2.5 进行公差比对路径:

插入—尺寸—选择需测的形位公差。得出检测结果。在输出检测报告之前应注意: (1) 每个尺寸必须测量, 如操作者漏标的尺寸, 作为测量者也应考虑。 (2) 一个直孔一般测量的是它的X, Y;但对零件有质疑时也应考虑它的圆度, 圆柱度, 与端面的垂直度, 与轴线的角度等也是超差零件分析时的依据。 (3) 斜孔一般必测尺寸有3个坐标和倾斜角度。 (4) 要注意加工部位的壁厚。 (5) 常沟通, 形位公差是十分复杂的东西, 每个人对形位公差的认识多少都有一些差异, 这些都反映在图纸标注的理解上了。这时就应该多沟通, 和产品工程师沟通、和工艺人员沟通, 了解工件的装配情况和他们标注时的初始目的。 (6) 表面粗糙度检验通常用目测或样板比较法, 只有当Ra值很小时, 才考虑使用光学量仪或作用粗糙度仪。

2.6 打印输出文本检测报告PC-DMIS

软件可以在检测报告中含所有检测运行的尺寸结果。输出文本报告对检测结果负责并加盖印章。

综上测量得知CMM是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它是将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量。在测得这些点的坐标位置后, 再根据这些点的空间坐标值, 经过数字运算求出其尺寸和形位误差。比传统的测量技术更能保证测量高精度。否则, 将影响轴承与箱体孔的配合精度, 使轴的回转精度下降, 也易使传动件 (如齿轮) 产生振动和噪声降低使用寿命。

参考文献

[1]肖爱武, 林南, 蒙少明.典型机械产品制造.北京:化学工业出版社, 2011.6

[2]李新勇, 赵志平主编.机械制造检测技术手册.北京:机械工业出版社, 2011.12

[3]海克斯康测量技术有限公司编.实用坐标测量技术.北京:化学工业出版社, 2007.5

材料先进加工技术论文 篇3

【关 键 词】现代机械；技术应用；机械工业；工艺流程

【中图分类号】F407.4【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0253-01

机械给人类带来的便利是不言而喻的，机械的应用越来越普遍，使得机械工业成为国家的基础工业。机械工业的发展历经了一个曲折而漫长的过程，追溯到70年代初，世界工业以传统的手工业及农业为主，社会生产力及科技水平的发展已将传统手工业及农业远远抛在后面，世界传统工业的低效率发展使得社会生产大幅度下滑。但是在不少科学界人士的倡导下，高科技带来的生产力的提高引起了各国政府的高度重视，微电子技术，微机技术开始闯入人们的日常生活。到如今，现代机械的应用使得传统的机械工业在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化。现代机械在各个发达国家中占据着重要的战略地位。

一、 传统机械与现代机械的区别

我们把由传动结构、操纵控制装置、动力机及执行机构等部分构成的机械称为传统机械。但是对于现代机械，不同学者对其认识各有不同，没有一种清晰而让众人认同的定义。其中能为大家所基本认同的现代机械定义出现在1948年美国机械工程师协会在对美国国家科学基金会报告中的提法中。报告中提出现代机械是“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量等动力学任务的机械和机电部件相互联系的系统”。由此定义我们可以得出，现代机械即是由机电组成一个整体的机械系统。

现代机械系统借鉴了人类年复一年、日积月累的进化过程中形成的人体功能结构，这种借鉴使得现代机械的出现一方面减轻了人类一部分体力劳动，另外少部分的体力劳动也可以由现代机械代替。现代机械成为了人类改造客观世界的工具。这种借鉴表现在：现代机械系统借鉴人体大脑形成控制及信息处理装置；借鉴感官形成检测传感装置；借鉴肌肉形成执行元件；借鉴手足形成机构；借鉴内脏和骨路形成动力部分。这五个基础部分的借鉴使得机械系统与人体结构形成大致一一对应关系。由此可见机械系统发展之成熟，并将随着科技的发展日益强大。

二、 现代先进机械在加工工艺与制造技术方面的应用

机电一体化是现代机械系统的新特点，这个特点使它区别于传统机械产品又与一般电子产品不同，它是由机械技术与电子技术有机结合的一个全新的系统。机械与电子技术的完美结合，相互借鉴各自特点，一方面为机械系统带来新活力改变传统机械产品面貌，另一方面促进了电子技术的发展，扩大了电子技术的应用领域。

1、柔性提高，功能增多

“软件化”及“柔性化”体现了现代机械系统的方便及多功能化，为人类带来更多的便利，这种区别于传统机械系统的新特点提高了现代机械系统工作效率。现代机械系统中只需要控制系统中预先设定的程序便可以使各机构动作相协调、各工艺次序吻合、各工作节拍合理。要改变机构的动作规律、各工作的次序只需修改预先设定的控制程序，无须改变机械或电子的“硬件”。例如，加工中心机床是现代机械系统的核心部分，通过改变加工中心机床的程序可以改变加工工序，让现代化机械机床一次性完成需要多台普通机床完成的多道工序。并且加工中心还有自动保护、自动诊断等功能，工件、刀具的自动检测、自动显示功能。又如配有机器人操作的大型激光加工中心，通过控制机器人“体内”程序，可以代替人类在危险、有害、恶劣的环境中自动完成划线、切割、钻孔、焊接和热处理等操作，可以为人类减轻工作量自动完成加工金属、塑料、陶瓷、橡胶等各种材料。传统机械加工系统无法比拟现代化机械加工系统这种强大的多功能功能和良好的柔性。机器人的出现，可代替人类完成许多单调的流水线活动，减轻人类劳动强度、提高工作效率，可代替人类完成恶劣、有害条件下的工作，改善人类工作环境、提高其生活质量。

2、结构简化，改善性能

目前，随着传动技术的逐渐发展，电子调速装置的兴起及应用取代了笨重且复杂的齿轮变速箱，电子调速装置中采用的计算机的控制软件，它便利的实现了精准的运动规划，改变了传统机械中依靠传动链实现的各种关联运动。这种改变突破了在传统机械系统中，靠增加机构的办法来实现增加一种功能，或实现某一控制规律。这种改变减小了现代机械产品的体积，简化了现代化机械产品的结构，减轻了现代化机械产品的重量，节省更多的材料。例如，一台微机控制的精密插齿机，其齿轮等传动部件比传统插齿机减少30%；现代新型的缝纫机利用一块单片机控制针脚花样、就代替老式缝纫机内的350个机械部件；大型刨铣床上应用了感应同步器数显装置，可将加工精度从0.06mm / 1000mm 提高到0.01mm / 1000mnl。

3、提高效率，降低成本

电子技术的引用提高了现代机械系统的控制和检测功能。一方面，它减少了人为因素的影响，设定仿造最佳操作工人的技巧程序，使得生产质量得到最佳保证。另一方面，它能减少生产准备和辅助时间，缩短生产周期，提高合格率，降低成本，提高生产力。例如，数控机床相比普通机床而言，在质量方面数控机床质量更加稳定；在生产效率方面数控机床高出普通机床5-6倍；金属消耗方面数控机床消耗比普通机床减少90%。柔性制造系统的优势显而易见：柔性制造系统可使生产周期缩短40%，生产成本降低50%，生产设备利用率可提高2—3倍。机床数量和操作人员都可减少一半以上。整个投资在几年内便可全部收回。

低能耗的驱动机构和优化控制的引用让现代机械系统达到显著的节能效果。例如，电子点火器运用到汽车上，使得它能很好地控制点火时间和运行状态，从而达到节省汽油消耗的目的。

现代先进机械的功能非常强大，可以因不同的加工工艺与制造技术的要求而改变而且其具体功能要求有很大的差异。例如，对主要用作搬运的工业机器人来说，要有较大的持重能力和作业范围、较高的运动速度或加速度、一定的重复定位精度及方便的编程和示教能力，才能完成简单而重复物品的搬运与工件的上下料基本动作。

总而言之，现代化先进机械在加工工艺与制造技术的应用，为人类生产力的提高带来历史性的变革，加速了全球的经济发展，提高了社会生产效率，从而改善了人们的生活。机械技术作为最悠久的应用技术之一，作为现代先进机械系统最重要的基础技术，需要我们不断地探索，不断地改进，不断的研究，让现代化先进机械继续为人类服务，为现代工业的发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 贾锋.机电一体化技术应用及其发展方向[J].科技信息.2011年19期

[2] 刁媛.中国机械工业百强揭晓14家工程机械企业榜上有名[J].工程机械.2011年07期

[3] 本报记者 石峰 通讯员 廖满梅.以调整促转变机械工业谋划“十二五”发展新局[N].中国工业报.2010年

材料先进加工技术论文 篇4

中国农产品深加工技术水平仍然较低，多数属于低级、初级加工，产品附加值低。几种主要农产品，如粮食、油料、水果及蔬菜等的加工增值比重很低，造成农产品原料的大量损耗和浪费。有资料显示，目前中国的粮食储藏和果蔬产后损耗率分别高达9%和25%，远高于发达国家水平，农产品产后产值与采收时自然产值之比仅为0.38∶1，产品粗加工多，精加工少；初级产品多，深加工产品少；中低档产品多，高档产品少，而且农产品的深加工技术和装备普遍落后于发达国家10～20年，各种高新加工技术的应用很不普遍。尽管近几年来，各级政府对农产品的深加工越来越重视，逐渐加大了投入，但由于基础薄弱，起步较晚，中国的农产品深加工业距世界发达国家水平还有很大差距。几种主要的先进农产品深加工技术

目前，世界发达国家普遍采用的先进农产品深加工技术主要有以下几种。

1.1 计算机视觉识别与分级技术

计算机视觉技术是20世纪70年代初期在遥感图片和生物医学图片分析技术取得卓有成效的成果后发展起来的一种新技术，它是利用一个代替人眼的图像传感器获取物体的图像，然后将图像转化成一个数据阵，再利用一台代替人脑的计算机来分析图像，最后完成一个与视觉有关的任务。随着图像处理技术的日益成熟和计算机速率的提高及硬件成本的下降，一些发达国家于20世纪70年代末开始该技术在农产品收获和深加工领域中的应用研究。目前，国内外对计算机视觉技术在农产品深加工中应用的研究和实践主要集中在农产品品质自动识别和分级方面，如种蛋、谷粒表面裂纹检测；梨、苹果等农产品表面缺陷和损伤的检测；根据大小、形状和颜色对黄瓜、土豆、苹果、玉米和辣椒等果蔬进行自动分级等。

1.2 膜分离技术

膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对液相或气相混合物内的不同成分进行分离、提纯、浓缩的先进加工技术。膜分离过程为冷过程，在常温下进行，营养成分损失极少，特别适用于热敏性物质如果汁、酶等的分离、分级、浓缩与富集；膜分离过程不发生相变化，所以挥发性成分如芳香物质损失极少，可保持原有的芳香；膜分离过程在密闭的系统中进行，被分离原料无色素分解和褐变反应；膜分离技术不用化学试剂和添加剂，产品不受污染，选择性好，可在分子级内进行物质分离，具有普通滤材无法取代的卓越性能，其处理规模可大可小，可连续也可间歇进行，膜组件可单独使用也可联合使用，工艺简单，操作简便，容易实现自动化操作，因此自20世纪70年代进入工业化生产以来，获得了迅猛发展，现已广泛用于乳制品工业、果蔬加工业、饮料工业、油脂工业、制糖业、淀粉加工业、酶制剂及肉制品工业等领域中。如乳品深加工或运输前乳和乳清的浓缩(RO)、乳清蛋白的分离和浓缩(UF)、水果汁和蔬菜汁的浓缩、糖的浓缩、无醇啤酒生产、高度酒中除去部分酒精(RO)、马铃薯加工业废水中回收蛋白质、天然色素和食品添加剂的分离和浓缩(UF)等。根据国外的统计，目前膜分离技术已在农产品和食品加工业中获得广泛的应用，占到各工业应用总数的68%，其中乳品加工业占37%，果汁加工业占18%。膜分离技术已成为目前纯净水生产的主要加工技术。此外，啤酒和白酒生产亦利用膜分离技术作为提高产品品质的一种手段。

1.3 超临界萃取技术

超临界流体萃取技术是利用高于临界温度和临界压力的流体对许多物质具有良好的溶解能力的性能，对物质进行提取和分离的一项新型分离技术。由于超临界流体既具有与液体溶剂相当的萃取能力，又具有优良的传质效果，因此具有使用安全、操作方便、节省能源、分离效率高、可防止萃取物热劣化及抗氧化和净菌作用，在20世纪70年代以后获得了迅速发展，被广泛应用于化工、食品、医药等工业领域。超临界二氧化碳萃取技术非常适用于农产品的深加工，受到了各国食品和农产品深加工研究人员的高度重视。

超临界二氧化碳萃取技术在农产品深加工上最早的应用是从咖啡中去除咖啡因和高品质的啤酒花，其后有人研究利用超临界二氧化碳萃取技术从植物油料中提取油脂并控制粕中蛋白质不变性；目前，超临界二氧化碳萃取技术已普遍应用于从植物中萃取天然色素、食品添加剂和香料；从除虫菊中分离除虫菊酯；从烟草中除去焦油和尼古丁以及高纯生育酚的提取、黄油的改质、大豆磷脂的浓缩等等方面。

1.4 真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥是一种在真空和低温条件下对物料进行脱水加工的先进干燥技术，它首先将物料冻结到共晶点温度以下，使物料中的水分变成固态的冰，然后在较高的真空条件下使冰直接升华为水蒸气，再利用真空系统中的水气凝结器将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品。采用真空冷冻干燥技术，物料不易氧化，产品干燥后的形状基本不发生变化，有较高的速溶性和复水性，而且干燥产品无表面硬化现象，脱水彻底，易于长时间保存。利用此项技术对蔬菜、水果、花卉、肉类等农产品进行干燥加工，物料中的营养成分可以充分保留，而且经复水后，物料几乎可以完全恢复原有的色泽和新鲜程度，因此产品的附加值较高。在国际市场上，冻干食品的价格通常是热风干燥食品的4～6倍，是冷冻食品的7～8倍，因此，尽管此项技术只有二三十年的发展历程，却已在发达国家普遍流行。目前，日本和美国食品市场上，冻干食品的比重已达40%以上。

中国在20世纪90年代初，开始引进开发真空冷冻干燥技术与设备，目前中国自行开发制造的真空冷冻干燥设备整体性能已达发达国家20世纪90年代初同类产品的先进水平，并在蜂乳、蒜片、小葱、花卉及猪、牛肉干的干燥加工中获得实际应用。

1.5 微波加热与杀菌技术

微波是一种频率在300～300000MHz的电磁波，具有极强的穿透性，可使物料内外同时受热，从而使物料内外温度迅速上升，而且干燥后的物料能基本保持原有形状。因此，利用微波对农产品和食品进行加热加工，在世界许多国家已普遍采用。采用微波对蔬菜、粮食等农产品进行干燥加工是目前微波技术在农产品深加工中的主要应用。

另外，由于微生物蛋白是一种极性分子，极易被微波所极化，随着微波场的极性而发生热变性。因此，国外有许多关于用微波进行粮食虫害、牛奶、果汁杀菌的研究报道。利用微波技术对肉制品进行杀菌加工，国内已在中式肉制品加工中推广使用，并取得了令人满意的效果。

1.6 超高压加工技术

超高压是指压力在300MPa以上，最高可达700MPa的一种加工技术。超高压加工技术源于陶瓷加工业，1990年，日本科学家首先把它引用于食品的杀菌研究中，已对各种农产品如大豆、萝卜、苹果、牛肉、米及果汁、果酱、酱油等进行了实验研究。由于超高压杀菌避免了加热杀菌的缺点，可以保持食品固有的风味、色泽、质构和新鲜程度，提高了成品的品质，因此受到了人们的普遍关注，发展速率很快。目前此项技术已应用于鳄梨、肉类、牡蛎的低温消毒，果酱、果汁等的杀菌，淀粉的糊化，肉类品质的改善，动物蛋白的变性处理等，并有商业化的加工设备在市场上销售。采用超高压技术加工的食品如果汁、果酱、奶制品、茶叶、咖啡、香料等原有的颜色、口味、风味、营养成分等均无损失，对于肉类制品加工可使其嫩度、风味、色泽及成熟度均得到改善，还可加快某些在常压下不能进行的反应，如生物大分子的酶水解、酶反应及有气体参加的反应等。

1.7 低温粉碎技术

低温粉碎是近几年发展起来的一种先进粉碎技术。利用冷冻的方式，改变物料的机械特性，不仅可以提高物料的细度，而且可以使原来不易被机械粉碎的物料得以粉碎，其粉碎的细度能达350目以上。另外，由于物料在极低温度下加工，物料原有的色、香、味性能得以充分保留，因此这种先进的加工技术被广泛用于香辛料，如可可、杏仁、咖啡豆；调味品如芥子、胡椒；以及中草药、人参、龟鳖丸等高档热敏性农产品的粉碎加工。

1.8 辐射加工技术

辐射技术就是用钴60、铯137所产生的γ-射线或电子加速器产生的能量在10meV以下的电子射线对物料进行加工处理。主要用于灭菌和杀虫，如可用于防止马铃薯、洋葱等的发芽，经照射可储存1年以上；可杀灭稻米和小麦等谷类及水果害虫、畜禽肉中的沙门氏菌、香辛料及干燥蔬菜中的细菌，可杀死食品中的微生物，可延缓香蕉、木瓜、芒果等热带果实的成熟度。辐射还可用于已包装好的状态下的照射，不会造成二次污染，照射过程中，食品只微量升温(2～3℃)，所以生鲜果蔬及冷藏冷冻食品也可使用。据统计，目前全世界有37个国家批准一种或几种辐射技术用于农产品深加工和食品加工业中，其中商业化生产的有25种。

1.9 微胶囊技术

先进材料制备技术 篇5

材料是人类赖以生存的必需品，是社会发展的基础，是现代文明的重要支柱。而先进材料对人类生活质量的提高，对社会的发展，对其他技术的发展都起着重要的促进作用。

先进材料是新材料和具有高性能的传统材料的总称，既包括具有优良性能的新材料，又包括具有高性能的传统材料。

汽车工业是一个国家的支柱产业，汽车工业是大型的、综合性的加工产业，它可以带动和促进系列相关工业和相关社会服务行业的发展。相关的工业有冶金、石油化工、机械、电子电器、轻工、纺织等。相关的服务行业有交通运输、保险、维修、商业等。这些工业和服务行业所涉及的经济效益和社会效益十分巨大。在材料方面，汽车工业需用11大类材料，分别为钢板、特种钢、结构用塑料和复合材料、非结构用塑料和复合材料、橡胶、涂料、有色金属合金（主要为铝合金材料）、铸件、陶瓷和玻璃、金属基复合材料。汽车工业对材料的需求很大，仅美国每年需用6000万吨以上。随着现代汽车向轻量化、节能、环保、安全舒适方向发展，需用传统材料提高性能，同时需要具有高性能的新型材料代替部分传统材料。例如，采用IF钢板和抗拉强度超过400MPa的超级钢做汽车钢板，可以减薄，减轻汽车车体质量；采用新型的铝基复合材料代替铸铁件，用深冲铝合金板代替钢板，都显著减轻汽车质量。自20世纪60年代以后，塑料件在汽车中的应用逐渐增多，以工程塑料和复合材料为主，目前，在单台轿车上的塑料件用量已接近120Kg。由于先进材料的发展，汽车上使用的原材料结构组成比逐年发生变化。

先进复合材料的兴起，克服了均一材质材料的不具有多种性能的弱点，在汽车上应用，既有利于减轻汽车自身质量，又有利于提高性能。

一． 铝基复合材料制备技术

先进铝合金材料包括高强高韧性铝合金材料、半固态铸造成型铝合金材料和耐腐蚀铝合金材料等。

当前铝基复合材料的研究几种在两个方面：1.采用连续纤维增强的具有优异性能的复合材料，其应用范围几种在很特殊的领域，如航空航天领域；2.采用不连续增强体增强的具有优良性能的复合材料，其应用范围相当广泛。

相对来说，后者具有制备工艺简单、增强体成本低廉等优点，实现工业化大批量生产的潜力更大，因此成为当前铝基复合材料的研究重点。

1.纤维增强铝基复合材料的制造方法

为获得无纤维损伤、无空隙、高性能的致密复合材料，必须考虑增强纤维与铝及铝合金间的润湿性好坏和反应性大小、增强纤维的分布状态和高温下的损伤老化程度及界面稳定性等。纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有熔融浸润法、加压铸造法扩散粘接法和粉末冶金法等。1.1 熔融浸润法

熔融浸润法是用液态铝及铝合金浸润纤维束，或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池，使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属面得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。其缺点是当纤维很容易被浸润时，熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤利用增强纤维表面涂层处理技术，可有效地改善纤维与金属间的浸润性和控制界面反应。目前熔融浸(Al—Mg)等纤维增强铝基复合材料的制造。1.2 加压铸造法

加压铸造法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束。加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响。加压铸造法成功地用于制造B／AI，SiC／A1，A1 Od(Al—Li)，A1 OJ(A1一Mg)等铝基复合材料。1.3 扩散粘接法

扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料的制造方法。此外，扩散粘接法还包括常压烧结法、热压法、高温挤拉法。目前采用扩散粘接法制造的纤维增强铝基复合材料有C／A1，B／A1，SiC／A1等。

1.4 粉末冶金法

粉末冶金法是传统的粉末冶金工艺在新的工程材料制备上的发展。随着制粉工艺的发展和分散工艺方法的完善，人们已经利用粉末冶金法成功制备了大量性能优异的铝基复合材料。它们不仅具有高比强、高比模、低膨胀、高抗磨的特点，而且可以随意调整工艺路线。这种方法制备的铝基复合材料中增强相分布均匀，界面反应易于控制，在性能和稳定性上大大优于其它工艺方法制备的材料。

2、颗粒增强铝基复合材料的制备方法： 2.1 液态金属浸渗 1)挤压铸造

’ 挤压铸造是目前制造金属基复合材料较成熟的一种方法。首次在工业上应用的铝基复合材料制件即13 本丰田公司制造的铝基A 1，O，晶须增强汽车活塞就是用挤压铸造方法获得的。挤压铸造是在液体压力作用下将液态金属渗入增强相预制块中。在制造过程中，为了防止熔体过早冷却，需要对压模和预制块进行预热处理，预热温度一般低于基体合金的液相线温度。2)气压铸造

用气体压力取代挤压铸造的液体压力。就形成了气压浸渗制造复合材料工艺。气压浸渗工艺一般都施加真空作用，所需要的浸渗压力较低，大都在十几M P a 以下。目前，已经出现了多种气压浸渗工艺技术。3)无压浸渗

无压浸渗工艺是1 9 8 9 年L a n x i d e 公司：提出的专利技术，也称为L a n x i d e 5 2 艺。在该工艺中，基体合金放在可控制气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不加压力的情况下合金熔体自发浸渗到 颗粒层或预制块中。利用该方法可制造出近终形态的复合材料制品。因为没有压力作用，浸渗模具材料选择很容易，如可选用；透气性好的耐火材料和烧结陶瓷材料。影响该工艺的主要因素为： 浸渗温度、颗粒大小和环境气体种类。无压浸渗工艺本质是实现自润湿作用。目前该工艺只能在一定条件下才能实现，合金含镁和氮气环境是两个前提条件，因此无压浸渗工艺具有局限性。2.2 弥散混合工艺

弥散混合工艺是用机械力作用使颗粒和熔体混合，然后浇注成铸锭或复合材料制件。该工艺研究开始于6 0 年代。由于大多数类型的颗粒和铝合金熔体之间具有不润湿特点，因此为了使得颗粒和熔体之间完全结合，必须施加外力作用以克服热力学表面障碍和黏滞阻力。该工艺主要包括： 搅拌铸造、流变铸造、螺旋挤压、喷射分散、团块分散等方法。2.3 原位复合工艺

原位复合工艺是由加入到基体金属熔体中的粉末或其它材料与基体反应生成一定的增强相而制得复合材料的一种工艺。主要包括自蔓延合成工艺、X D 52 艺和气液反应工艺。这些工艺的主要优点为： 陶瓷颗粒表面无污染，与基体界面相容性好，颗粒细小，因而材料增强效果好，是研究和开发复合材料很有效的方法” M a r i e t t a 公司开发的专利复合材料制造X D T M 技术。该技术是向有溶解能力的金属(如A 1)中加入某几种物质使其发生化合反应放热生成需要的增强体。以T i B，颗粒在A l 基体中的形成为例，T i、B 和A l 以元素粉末的形成或以A l — T i、A l — B 合金的形式混合并加热至足够高的温度形成熔融的A l 介质，T i 或B 在其中扩散析出T i B。典型的做法是先制备含高体积分数(5 0 v 0 1％ 以上)的母合金，再加入到金属基体中制得含所需体积分数的复合材料。该技术可产生的陶瓷颗粒包括硼化物、碳化 物、氮化物和硅化物等。2.4 粉末冶金

粉末冶金是制备高熔点难成型金属材料的传统工艺。它是将快速凝固金属粉末和增强陶瓷颗粒等经筛分、混合、冷压固结、除气、热压烧结，以及压力加工制得复合材料的一种工艺。研究结果表明，用粉末冶金工艺生产的颗粒增强金属基复合材料的综合强度水平比用熔融金属工艺生产的同种材料高，伸长率也较高，材料微观组织结构有所改善。但是这种工艺及设备复杂，金属粉末与陶瓷颗粒混合时会因颗粒分布不均，除气不完全而导致材料内部出现气孔，温度选择不当易造成汗析。另外，制得的复合材料坯件一般还需要二次成型。这种设备不适用于生产较大型件，所以对铝基复合材料的工业规模生产有所限制。2.5 喷射沉积工艺

喷射沉积工艺是由英国S i n g e r 教授首创并干1 9 7 0 年正式公布。这一工艺早期应用于一些金属半成品的生产和制备，后来加利福尼亚大学L a v e r n i a E J 等人开始利用这一技术制备颗粒增强金属基复合材料。

哈尔滨工业大学武高辉等人对石墨纤维增强铝基复合材料在空间遥感器镜筒结构中的应用进行了研究。为了设计和制造出性能更加优越的空间遥感器，对一种新型航天材料石墨纤维增强铝基复合材料进行了研究。突破了石墨纤维与铝合金的界面反应控制、纤维铺层和缠绕设计等关键技术，成功制备了石墨纤维增强铝基复合材料，材料的密度为2．12×10 kg／m。，弹性模量为129 GPa，线膨胀系数为5．0×10 K。针对这种复合材料，摸索出一套完整的加工和后处理工艺，并首次把这种复合材料应用在空间红外遥感器镜简结构设计中，设计的镜筒较之钛合金镜筒减重31．8。最后，完成了镜筒组件的加工装配、透镜的装校和随机振动试验。实验结果表明，镜筒组件的一阶谐振频率为284 Hz，高于100 Hz的设计要求，振动试验后光机系统没有发生变化。上述工作表明，石墨纤维增强铝基复合材料在航天遥感领域具有较高的应用价值。

2．1 材料的特点分析

对于小型空间红外遥感器来说，结构部分不仅要满足高刚度、高强度和尺寸稳定性的要求，而且应该尽量减轻质量。本文研究的空间红外遥感器镜筒材料采用了石墨纤维增强铝基复合材料（以下简称铝基复合材料)，这种材料属于长纤维增强(连续强化)金属基复合材料，由哈尔滨工业大学金属基复合材料研究所自 主研制。

与金属材料相比，铝基复合材料具有如下优点：耐高温、高比强、高比模、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、对缺口不敏感且抗磨损。与聚合物基复合材料相比铝基复合材料具有如下优点：耐高低温、防燃、尺寸稳定、抗氧化、抗辐照、抗电磁脉冲、无气化和导热、导电、剪切强度高、热膨胀系数低、可直接加工螺纹和圆孔。

表1比较了常用航天材料的主要性能参数，从中可以看出，铝基复合材料(Gr／A1)的密度比铝小，但是弹性模量比钛大。铝基复合材料的比刚度很大，仅次于铍，但它的生产过程不会像铍一样产生剧毒和污染。它的线膨胀系数为5．0×10 K，在±5O。C多次循环下，结构尺寸稳定，可以很好地满足光学系统对温度和结构尺寸稳定性的要求。

比刚度和比强度高、线膨胀系数小、尺寸稳定性好是铝基复合材料的突出特点，这些特点决定了它是一种制造空问相机镜筒的理想材料。

2．3 材料的加工和处理工艺

铝基复合材料是一种设计性很强的材料，可以按照设计者的要求进行石墨纤维的铺层、缠绕、毛坯件的精密成型，这样既可以提高材料性能，又可以节约昂贵的石墨纤维，降低成本。设计人员也可以根据材料纤维铺层和缠绕的特性，在结构上设计合理的过渡与连接，充分利用材料特点，使零部件获得更好的力学性能和尺寸稳定性。这种材料还可以直接加工圆孔和螺纹，不需要安装预埋件，较之树脂基复合材料使用起来更加方便。

图2列举了一种典型石墨纤维增强铝基复合材料零件的加工工艺流程。需要特别注意的是在铝基复合材料的切削加工过程中，一般应使用金刚石刀具，而且不能使用冷却液。由于石墨纤维的存在，普通刀具很容易磨损，切削力的稳定性很差，易引起机床的振动，切削速度也不宜过高。图3展示的是铝基复合材料的毛坯料，图4展示的是精加工后的铝基复合材料，从图中可以看出铝基复合材料的表面 加工质量完全可以达到钛合金的水平。这种铝基复合材料发黑过程实际就是在材料表面镀覆双层金属(Ni P合金和Zn)，再进行黑色钝化处理，这样就可以获得耐蚀性能及光学性质良好的膜层，膜层总厚度约为30／xm。最后通过超声无损检 测来检验零件内部是否存在缺陷。

．4 应用实例

应用铝基复合材料进行了空间红外遥感器镜筒结构的设计。已经公开的相关文献表明，本文所研究的铝基复合材料是首次应用于空间光学镜筒结构设计。镜筒是保证红外遥感器成像质量的重要部件。镜筒的结构形式、镜筒材料的选择、镜筒的结构设计不仅要满足光学系统的要求，而且要满足力学性能和真空高低温环境的要求，同时尽可能降低质量。特别是对光学透镜组件来说，其加工与装配都有严格的公差要求，也只有保证各个镜片及其相对位置在空间使用过程中仍然保持地面上的装校精度，才能获得高清晰度和满意的遥感图像。镜筒主要零件使用了上述体积百分比为50 的M40／A1复合材料。材料的具体参数为：密度2．12 x 10。kg／m。，弹性模量l29 GPa，线膨胀系数5．0×10 K_。，经过±5O℃多次循环下，结构尺寸稳定。经过加工后，零件安装透镜的端面位置平行度公差可以达到10 m，表面粗糙度达到1．6，说明了这种复合材料的加工精度可以达到金属材料的精度。零件表面发黑后测量红外发射率为0．856(5O℃)。由于卫星所提供的安装空间有限，本文采用了转折光路设计，如图5所示。镜筒组件结构如图6所示。设计要点如下：

(1)镜筒由遮光罩、窗口镜筒、大镜筒、中镜 简、转折镜筒、反射镜压板几部分组成；

(2)遮光罩由铝蜂窝内胆和碳纤维复合材料外壳组成，具有去除杂散光的功能。窗口镜筒、大镜筒、中镜筒使用铝基复合材料制造。转折镜筒由于形状不规则，采用钛合金精密铸造而成；

(3)铝基复合材料镜筒的设计过程中特别注意了结构过渡处理，考虑具体的结构尺寸，设计相应的圆角和连接方式，可以更好地适应纤维铺层、缠绕的要求。其加工工艺符合图2中的工艺流程；

(4)考虑到镜筒的直径比较小，主镜筒采用分体结构，便于透镜的安装和调试，透镜各个安装端面要求有高的形位公差，以保证各个透镜的相互平行；

(5)通过红外定心仪来调整各片透镜的同轴度。透镜边缘注入XM-23胶，可以固定透镜，同时保证了透镜和镜筒之间的柔性连接，有一定的减振效果；

(6)平面反射镜通过反射镜压板与转折镜筒连接，反射镜压板在结构上能实现反射镜角度调整；

(7)镜筒组件通过螺钉紧固，本身自成一体，这样可以减轻外部干扰对镜筒组件的影响。外部通过两个铝合金支撑座安装固定，如图7所示。

陕西理工学院徐峰等人A12 03颗粒增强铝基复合材料储能焊接头微观组织及性能。对0．3 mm厚Al：O，颗粒增强铝基复合材料薄板进行了储能点焊连接研究试验。发现其微型点焊接头由熔核区、热影响区和熔核向热影响区过渡的熔合区(线)组成。由于储能焊极短的焊接时间，大的冷却速率达到106 K／s，使得熔核组织显著细化，具有快速凝固特征。熔核中增强相A1 O 颗粒发生偏聚现象，在熔核边缘区域出现了气孔缺陷。当焊接电容C=6 600、电压U=80 V、电极压力F=18 N时，获得较高力学性能的焊接接头。

试验选用A1 O。／2024A1复合材料作为母材，由粉末冶金法制备而成。A1：O，颗粒平均直径15 m、体积分数10％，基体金属为2024A1。焊接试样的尺寸为10 mm×5 ITlm X0．3 mm的薄板材，系线切割加工而成。

1．2 储能焊焊接

试样经金刚砂纸打磨、丙酮清洗和烘干，装配如图I所示的搭接接头。在微型电容储能焊机上进行点焊连接。焊接主要参数为：电容6 600 ixF、电压70～110 V、电极力15—20 N。焊接热输入(E)、焊接电压(U)和电容(C)之问的函数关系为E=C ／2。因此，焊接热输人为】6．17—39．9 J

2．1 接头整体相貌

颗粒增强铝基复合材料储能点焊接头整体形貌如图2所示。接头由3个区域组成：形状较规则的扁平熔核区、熔核周围的热影响区及熔核向母材过渡的熔合区(线)。熔核直径约为780 Ixm，最大厚度约320 txm，约占总厚度的1／2，焊点熔核直径符合要求，熔核边缘邻近接合面的区域出现了气孔，对应着图中的黑色区域。熔合区较窄，勾勒出熔核和母材之间的分界线，其组织细小未发现缺陷；热影响区组织未发生明显的粗化，与母材原始组织保持良好的一致性。可见，储能焊可实现A1：0，颗粒增强铝基复合材料薄板的点焊连接，能获得高质量的焊接接头。

图1 搭接接头示意图

2．2 熔核组织

图3为A1 0 颗粒增强铝基复合材料储能点焊接头熔核组织。从图中可以看出，母材经过储能焊接过程后，熔核组织相对于基体组织发生明显细化，是由于焊接接头的形成过程是在电极力的作用下快速凝固，抑制了组织的长大从而细化了熔核组织；另一方面，熔核金属的熔化及其凝固过程是在电容瞬间放电所产生的强磁场氛围中完成的，强力的磁场搅拌作用也是接头组织细化的原因。熔核中的A1：0 颗粒增强相在熔合区(线)周围发生了偏聚，原因是由于增强相A1：0，颗粒与铝合金基体的导热率和熔点相差很大，导致熔池粘度增大，熔池金属的流动性降低，液相与固相互相并存使得增强相分布不均；在凝固过程中A1 0，颗粒增强相不能成为结晶核心，凝固界面前沿对增强相的推移造成了增强相的偏析；另外，由于较小的电极力使得未能挤出熔核的A1：0，颗粒聚集在熔合区的边缘。

图2 储能焊熔核整体形貌 图3 熔核组织

2．3 熔核的快速凝固

电容储能点焊利用电容瞬时放电产生的电流经电极加载在被焊板材上，形成放电回路。板材接触电阻瞬时产生的热量使接触界面板材局部熔化，在电极力的作用下形成熔核。电容放电结束后，由于cu电极和周围基体的快速吸热，熔核处于较大的过冷状态，熔核的冷却速率很大(达到106 K／s)，高的冷却速率使熔核的形核率显著增大，熔核组织均匀细小。由于焊接接头尺寸很小，焊接过程中形成的微小熔核中具有较小的温度梯度，凝固速度快，同时也避免了基体组织的迅速长大而形成粗大的柱状晶，接头组织因动态再结晶形成较为均匀细小的柱状晶，晶粒非常细小与母材组织相比晶粒度明显提高，形成了具有快速凝固特征的微观组织焊接接头，提高了焊接质量。

2．4 焊接接头力学性能

2．4．1 接头的显微硬度

A1 0。颗粒增强铝基复合材料储能点焊接头显微硬度分布测试结果如图4所示。焊核区中心组织与母材相近，但由于部分A1：0 颗粒的偏析增加该区域的硬度；热影响区处于很短暂的过热状态，与母材相比组织粗大变化不明显，所以热影响硬度略有提高，但硬度变化不大；熔合区(线)由于又处于固液两相之间。成分和组织不均匀，大的冷却速率，使得熔合区出现较明显的加工硬化现象，同时大量增强相A1 0，颗粒的偏析增大了接头硬度，显微硬度达到113．5 HV，焊接热过程不会造成硬度的显著提高。2．4．2 接头的剪切强度

点焊接头的剪切强度主要取决于电极力、焊接电压和焊接能量等工艺参数。在电极压力作用下熔核周围金属会发生塑性变形和强烈的再结晶而形成先于熔核生长的塑性环，对消除焊点缺陷、改善金属组织和提高力学性能具有较大作用。而电压对焊接能量有直接的影响，焊接能量过小被焊材料不能被加热到热塑性状态；而焊接能量过大很容易产生飞溅和击穿，都很难得到力学性能好的接头。通过实验发现当焊接电压一定时，随着电极力的增加，接头剪切强度也随之增加。当电极力达到l8 N时，剪切强度达到最大值132．5 MPa，进一步增强电极力接头强度开始逐渐降低，如图5所示。通过综合分析显微硬度和剪切强度与焊接参数之间的相关性，发现对于0．3 mm厚的A1：0，颗粒增强铝基复合材料薄板储能焊，焊接参数：电容C=6 600 IxF、电压U=150—170 V和焊接电极力F=17—19 N时，可获得综合性能优良的焊接接头。

图4 接头显微硬度 图5 接头剪切强度

2．5 断口形貌分析

图6是Al O，颗粒增强铝基复合材料储能焊接头断口形貌。断口主要为韧性断裂韧窝、准解理面、Al：O，颗粒以及拉拔掉A1：0，颗粒的残留凹坑，增强相AI 0，颗粒与基体结合紧密，故可以保证焊接接头强度。经x衍射射线分析，其组织由OL(A1)+A1 0，+少量的其它相(CuA1：和CuA1 Mg)组成。

接头断口形貌 结论

(1)采用储能焊方法可实现0．3 mm厚的A1 0，颗粒增强铝基复合材料薄板的点焊连接，微型接头由熔核、热影响区及熔合区组成。熔核厚度约占接头厚度 的1／2，熔核向基体金属过渡良好。

(2)由于储能焊瞬间放电的特点，接头冷却速率大使得接头组织具有快速凝固的特征。

材料先进加工技术论文 篇6

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电子束加工

摘要:电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术。由于它所具有的各种独特的优点，已在众多的工业领域得到了非常广泛的应用，其在材料表面改性、机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束在打孔、熔炼、显微技术和焊接等方面的工业应用。

关键词:电子束；加工原理；工业应用

1引言

近年来，许多国家对电子束加工原理及方法进行了大量的实验研究，并在工业上得到一定的实际应用，使得该技术得到了飞速发展。本文主要针对电子束加工技术的发展、研究现状和应用进行理论分析和探讨。电子书技术在国内外的发展现状

电子束技术是一种非接触加工的高能束流加工技术。它利用经高压静电场和电磁场加速与会聚的高能量电子流作为热源，对工件或材料实施各种特殊的加工。由于它具有能量密度极高、热效率高、精密易控及多功能等等特点，在工业领域的各个行业得到了广泛的应用，是高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。

1948年，德国物理学家SteigerwaldK.H发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊接)。1949年，德国首次利用电子束在厚度为0.5mm的不锈钢板上加工出直径为0.2mm的小孔，从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。20世纪60年代初期，人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高，因而对光刻工艺提出了更高的要求，扫描电子束曝光机研制成功。并在20世纪70年代进入市场，使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0.5μm。近年来，国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于以下几个方面： 1)完善超高能密度电热源装置； 2)掌握电子束品质及与材料的交换行为特性，改进加工工艺技术； 3)通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领域。

我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺,经过多年的实践，在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，采用电子束对材料表面进行照射，研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料，深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制，通过载能电子与固体表面的相互作用过程，建立较为合理的实际加工中的物理模型，利用二维模型数值计算方法模拟计算试样中的动态温度场及应力场分布，并选用1Cr18Ni9Ti和GCr15进行初步的改性应用尝试性工作。吴爱民等以H13和D2模具钢为基材，通过脉冲电子束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改性处理试验。

虽然电子束加工目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到应用，电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光和电子束热处理等也都陆续进入生产，但从电子束加工技术现状及新的发展趋势可以看出，我国在该领域的研究与世界先进水平差距很大，今后的任务还很艰巨。电子束加工原理

电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流，属于高能密度束流(HEDB)，真空电子束的功率密度大于10W /cm，极限功率为300 kW。电子束加工是以高能电子束流作为热源，对工件或材料实施特殊的加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺，其加工原理如图1所示。按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热加工和电子束非热加工。

3.1 电子束热加工

电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转化成热能，以实现对材料的加工,其中包括： 1)电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺，这种设备一般都采用微机控制，并且常为一机多用； 2)电子束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于，除高真空电子束焊机之外，还有低真空、非真空和局部真空等类型； 3)电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜；4)电子束熔炼。包括难熔金属的精炼，合金材料的制造以及超纯单晶体的拉制等； 5)电子束热处理。包括金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料的退火等。上述各种电子束加工总称为高能量密度电子束加工。

电子由电子枪的阴极发出，通过聚束极汇聚成电子束，在电子枪的加速电场作用下，电子的速度被提高到接近或达到光速的一半，具有很高的动能。电子束再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用，汇聚成更细的束流。束斑的直径为数微米至1mm，在特定应用环境，束斑的直径甚至可以小到几十纳米，其能量非常集中。电子束的功率密度可高达10W /mm。当电子束轰击材料时，电子与金属碰撞失去动能，大部分能量转化成热能，使材料局部区域温度急剧上升并且熔化，甚至气化而被去除，从而实现对材料的加工。3.2 电子束非热加工

电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用功率密度比较低的电子束和电子胶(又称电子抗蚀剂，由高分子材料组成)相互作用产生的辐射化学或物理效应对材料进行加工。其应用领域主要是电子束曝光。电子束曝光原理如图2所示，是先在待加工材料表面，涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层，然后通过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统，聚焦形成高能电子束流，轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面，形成抗腐蚀剂图形，最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。

电子束加工的特点

根据电子束流的产生原理，电子束加工具有如下特点： 1)电子束发射器发射的电子束流束斑极小，且可控，可以用于精密加工；2)对于各种不同的被处理材料，其效率可高达75% ~98%，而所需的功率则较低； 3)能量的发生和供应源可精确地灵活移动，并具有高的加工生产率； 4)可方便地控制能量束，实现加工自动化;；5)设备的使用具有高度灵活性，并可使用同一台设备进行电子束焊接、表面改善处理和其他电子束加工； 6)电子束加工是在真空状态下进行，对环境几乎没有污染;；7)电子束加工对设备和系统的真空度要求较高，使得电子束加工价格昂贵，一定程度上限制了其在生产中的应用。电子束加工在材料加工中的应用

由于电子束流具有以上特点，目前，已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔，复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分割，表面淬硬、光刻和抛光，以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断深入，电子束加工已成为高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。5.1 电子束焊接

电子束焊接技术是一种利用电子束作为热源的焊接工艺，它利用经高压静电场与电磁场加速与会聚的高能量密度电子束轰击焊件表面，将电子的动能大部分转变为热能，使焊件接头处的金属熔融，达到焊接的目的。电子束焊接的工作原理见图3。

图3真空电子束焊机工作原理示意图

电子束焊接有着无可置疑的优越性：(1)电子束能量高度集中，密度为10~10W/cm，约为普通电弧或氩

692弧的10～100万倍。因此可以实现深而窄的焊缝型式，可将200～300mm厚的钢材一次焊成，而用电弧焊则需堆焊150次以上。

(2)电子束焊接所需线能量小而焊接速度又高，因此焊件热影响区小，焊件变形也就小，常可用于精加工后的焊接。焊缝的深宽比可达20∶1，采用高压枪或特殊焊接工艺，深宽比可高达50∶1。

(3)电子束焊接一般不需加填料，焊接过程在真空中进行，当真空度为10-2Pa时，空气中的剩余气体(H2、O2等)含量小于0.132ppm，而一般高纯惰性保护气体的杂质含量为50ppm。因此电子束焊接的焊缝化学成份非常纯净，焊接的接头强度高，常可高于母材的强度，焊缝质量是其它任何焊接所无法比拟的。

(4)电子束焊接可适用于几乎所有的金属材料，如普通碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝、难熔金属及活泼金属等。

(5)电子束焊接的工艺参数可精确控制，结合现代计算机技术，可实现复杂焊缝和变截面焊缝的焊接、焊缝自动跟踪及焊接过程的自动化等。5.2 电子束熔炼

电子束熔炼主要用于材料的提纯、真空浇铸以及贵金属的回收重熔，还可以用于制取半导体材料和难熔金属及其合金的单晶等。

电子束熔炼也是利用高能量密度的电子束在轰击金属时产生高温使金属熔化。由于这一过程是在真空中进行，并且材料处于熔融状态的时间可按需要控制，因此可以获得较好的提纯效果，容易获得高纯度的材料。这是电子束熔炼优于其它真空熔炼的一个重要特点。此外由于电子束能量密度高，能量调节方便,特别适用于熔炼难熔金属。对于金属钽,经电子束一次熔炼后，总气体含量可下降88%，经二次电子束熔炼后，总气体含量可降低99%；对于金属铌，一次熔炼可使总气体含量降低89%，二次熔炼可降低96.5%；对于金属钨，一次熔炼可使总气体含量降低96%，二次熔炼降低99%。由此可见电子束熔炼的提纯效果是十分显著的，对于其它金属材料如钼、镍基合金、高强钢等,都有很好的提纯效果。5.3 电子束打孔

用电子束对材料进行打孔加工时,要求电子束的能量密度需大于10W /cm,每个电子束脉冲打一个孔,脉冲宽度一般只有几毫秒,脉冲的速率快,打孔的速度可以达到每秒几个到3000个孔。电子束脉冲的能量高,不受材料硬度的限制,没有磨损,可以对难熔、高强度和非导电材料进行打孔加工。并且电子束的束斑形状可控,能加工包括异形孔(见图4a、图4b)、斜孔(见图4c)、锥孔(见图4d)和弯孔在内的各种孔,加工效率高,加工材料的适应范围广,加工精度高、质量好,无缺陷,一般不需要二次加工。目前,电子束打孔的范围是:实际生产中,加工直径为0.1~0.8mm,最大深度为5mm;在实验室中,加工直径为0.05~1.5mm,最大深度为10mm。28

图4 电子束加工几种典型孔的形状

5.4 电子束显微技术 现代微电子技术领域中，产品的设计和研究都需要对样品的内部结构和表面形貌进行成像观察，以及对样品表面或界面的微观结构和化学成分进行定性和定量分析。为此，人们利用电子束显微技术研制了各种电子光学仪器，它利用电子束轰击样品材料，对产生的各种携带物理和化学信息的粒子经过接受、转换和处理获得关于样品的物理结构和化学成分信息的信号，而达到材料微观结构和化学成分的定性定量分析。

由于电子的波长很短,因此电子光学仪器的分辨率都比较高，如光学显微镜的放大倍数受衍射影响和限制，只能做到放大率≤2000，这对材料微观结构的研究是不可能的；而电子显微镜的放大倍数已达80万倍以上，可十分清晰地进行材料的微观观察与分析。

在大规模集成电路的研制和生产中，当采用电子束曝光、光刻时就可以不用掩模板，直接用电子束光刻图形相当灵活，其分辨率可高达0.05μm，而用一般光学曝光方法的分辨率只能达到1μm左右。又如俄歇电子谱仪是一种对分析样品非破坏性的分析仪器，能定性和定量地分析材料表面的化学成分，是一种性能优良的电子表面探针。电子束技术在工业中的应用并不限于本文所述，电子束技术在不断的发展，其应用领域也在不断拓宽，许多研究工作还在深入，电子束技术在工业中的应用存在巨大的潜力。结语

电子束加工属于特种加工的一部分，其在工业生产中的应用还有很多，随着电子束技术的不断发展，以及科技人员更深入的研究，电子束技术的应用领域也在不断拓宽，在工业中的应用前景值得期待。

参考文献

材料先进加工技术论文 篇7

随着社会的发展, 可加工陶瓷材料的应用日渐广泛, 其拥有一系列显著的优点, 逐渐成为了众多领域的重要零件。近几年, 各个领域对可加工陶瓷材料的要求不断增多, 但受其自身特性的影响, 如:脆硬性, 致使其加工难度相对较大、加工成本偏高。为了充分发挥可加工陶瓷材料的作用, 其机械加工技术得到了人们的广泛关注。本文介绍了可加工陶瓷材料的概况, 重点探讨了其机械加工技术, 旨在解决可加工陶瓷材料的加工问题, 使其应用更加广泛。

1 可加工陶瓷材料的概况

可加工陶瓷材料是指在正常温度环境下, 利用普通切削刀具便可加工出所要求的陶瓷材料。根据其材料, 它可以划分为三种, 第一种为可加工玻璃陶瓷, 它是由玻璃晶化制成的多晶材料, 主要的制备手段有烧结法与熔融法, 其具有良好的电性能与生物活性, 在诸多领域均有着较为广泛的应用, 如:生物医学、航空航天等;第二种为可加工氧化物陶瓷, 它是由氧化物陶瓷材料与稀土磷酸盐结合而成的, 其拥有一定的高温稳定性, 常用烧结法制备, 其最为显著的特性为高弯曲强度与硬度;第三种为可加工非氧化物陶瓷, 它是由原位法制备而成的, 具有良好的抗蠕变性能。对于可加工陶瓷材料而言, 其具有一系列的优点, 如:耐高温、耐酸碱、抗冲击性等, 同时其拥有高精度与较低的制作成本, 因此, 在各个领域均对其有着较大的需求。为了进一步提高可加工陶瓷材料的质量, 本文探讨了其机械加工技术的相关内容[1]。

2 可加工陶瓷材料机械加工技术

可加工陶瓷材料的硬脆性, 增加了其机械加工的难度, 但各个领域对其精度、形状及质量均有着较高的要求, 因此, 在实际加工过程中, 应不断提高其加工效率、控制加工成本、保证加工质量, 以此推广此材料的应用。根据可加工陶瓷材料的加工情况可知, 应改进工具性能、优化工艺参数, 并且要注重可加工陶瓷材料的选择。在明确可加工陶瓷材料的基础上, 本文阐述了其机械加工技术, 具体内容如下:

2.1 材料去除特性

一方面, 加工表面。在开展切削实验过程中, 以玻璃陶瓷材料为实验对象, 获得了连续带状切削, 其结果显示玻璃陶瓷材料拥有良好的加工性。在实验开展过程中, 切削深度设置为1mm、切削速度设置为18 ~ 60m/min, 进给量为0.1mm/r, 实验后, 根据磨削表面可掌握可加工陶瓷的塑性变形痕迹可知, 在玻璃陶瓷材料含量增大的情况下, 磨削表面痕迹越粗, 此时材料去除效果显著。

另一方面, 去除机理。通过对稀土氧化物复合陶瓷的压痕裂纹扩展对比试验可知, 将Ce PO4加入到Ce-Zr O2中, 此时材料裂纹扩展方式出现了明显的转变, 即:裂纹由贯通式长直转变为间断式弯曲, 造成此情况的原因为:Ce PO4自身具有层片状断裂机制, 同时, 它与Ce-Zr O2结合后发生了一定的化学反应, 此时受加工应力的影响, 材料随之出现了众多浅层微裂纹, 此后, 微裂纹逐渐成为主要裂纹, 在应力逐渐增加的情况下, 微裂纹进一步增大, 并且由间断转变为连接, 从而材料极易被去除[2]。

2.2 刀具磨损

在观察刀具磨损情况时, 以云母玻璃陶瓷材料为对象, 使用硬质合金刀具进行切削, 此时的条件主要为:切削深度设置为2.5mm、切削速度设置为30.5m/min, 进给量为0.2mm/r, 通过实验可知, 在切削初级阶段, 刀具出现了较大的磨损量, 其时间较短, 而此后, 刀具便钝, 其磨损量逐渐减少, 并且较为稳定。同时, 铣削与车削相比, 在加工过程中, 前者的刀具磨损量明显大于后者。通过对刀具磨损影响的分析可知, 其主要的因素为刀具角度、冷却条件等。

对于可加工陶瓷材料而言, 其特点为硬度大, 在加工过程中, 如果仅利用普通刀具加工, 不仅刀具磨损量较大、磨损速度较快, 同时也影响着零件的尺寸与质量, 因此, 机械加工时应选取适合的刀具。通过对普通刀具、高速钢刀具与硬质合金刀具相比, 在相同的切削速度及可加工陶瓷材料条件下, 硬质合金刀具的磨损量相对较小, 因此, 机械加工时的刀具材料应以硬质合金为主。

2.3 加工工艺

由于刀具角度影响可加工陶瓷材料的切削效果, 因此, 在实际加工过程中, 应关注刀具的参数及其设计, 经切削正交实验可知, 刀具的参数设置应为:在粗车外圆情况下, 刀具前角应为-3 ~ 0°, 而在精车外圆情况下, 其前角应为0 ~ 2°, 同时, 刀具后角应为5°, 以此保证加工的空间需求, 在上述参数设置后, 实施机械加工, 不仅减少了刀具的磨损量, 延长了其使用时间, 还保证了加工的质量。

与此同时, 可加工陶瓷材料机械加工的工艺参数设置也十分关键, 它直接影响着零件的质量及加工的效率, 如果选择硬质合金刀具进行加工, 此时其切削速度及进给量均应保持低值, 以此保持零件与刀具处于低温状态, 同时也能够防止表面裂纹的出现。通过可加工玻璃陶瓷实验研究可知, 切削速度应小于45m/min、切削深度应小于6.5mm、进给量应小于0.2mm/r, 同时, 要结合机械加工的实际情况, 考虑粗车外圆与精车外圆的不同情况, 为其设置适合的切削速度及深度, 以此保证加工质量, 提高刀具的耐用性[3]。

3 总结

综上所述, 随着可加工陶瓷材料在各领域作用的日渐显著, 对其机械加工的要求不断提高, 为了适应各领域的需求, 本文介绍了几种可加工陶瓷材料, 并重点阐述了其机械加工技术, 相信, 随着可加工陶瓷材料机械加工技术的改进与优化, 可加工陶瓷材料的应用将更加广泛。

摘要：随着科学技术的快速发展, 先进的机械加工技术不断涌现, 在现代技术的支持下, 加工质量与效率均得到了可靠的保障。对于可加工陶瓷材料而言, 其相关产品在各个领域均扮演着重要的角色, 但受材料条件的限制, 其加工难度较大。本文以可加工陶瓷材料为研究对象, 探讨了其机械加工技术, 旨在不断提高陶瓷材料加工的水平。

关键词：可加工陶瓷,材料,机械加工,技术

参考文献

[1]陆有军.碳纳米颗粒改性碳化硅陶瓷基复合材料的制备及其性能研究[D].华南理工大学, 2014.

[2]张弘.可加工陶瓷材料机械加工技术的研究进展[J].黑龙江科技信息, 2013 (29) :148.

高温合金材料特性及加工技术进展 篇8

摘要：高温合金是航空航天、运输、航海及核电工业领域必需的金属材料，特别是镍基高温合金的发展为我国航空发动机性能的提升起到了重要意义。高温合金的切削加工性能较低、加工效率不高也一直制约着航空航天以及其它工业领域的发展。本文从高温合金的材料特性、切削加工特点以及切削加工工艺等方面进行研究，在此基础上对加工高温合金新的冷却方式和条件进行探讨，以期为高效高质量加工高温合金提供参考依据。

关键词：高温合金；切削加工性；材料特性；高压冷却

中图分类号：TG506 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）06-0024-08

0 前言

进入21世纪以来，随着航天技术的成熟，高温合金自研发以来获得了重要发展。尤其是镍基高温合金，它在高温条件下，仍然具有很高的抗疲劳强度、高屈服强度、抗拉强度和抗腐蚀性、抗氧化性。高温合金的材料特征使其成为航空发动机中不可替代的关键材料。目前，已研制的航天发动机中，高温合金材料已经占到发动机所用材质一半以上。因此高温合金材料也被誉为“先进发动机基石”。高温合金在民用工业中的应用也越来越广泛，高温合金在航空发动机用高压涡轮粉末盘（图1）、车用涡轮增压器使用普遍、在核电、石油石化（图2）等行业也有着重要的应用。工业化的推进和国内高端装备制造业的发展将持续拉动民用工业对高温合金的需求，目前民用高温合金占总需求的20%，未来这一比例有望持续提升。

高温合金的高效加工问题也一直是航空航天工业以及其它行业制造技术中亟待解决的重要问题。主要反映在刀具切削加工时切削温度高，刀具受力大，加工硬化磨损严重，生产效率低等方面。以镍基高温合金为例，此合金在高温合金领域应用最广，其力学特性、抗氧化与抗高温变形性能优良，但是缺点是导热系数较低、加工容易产生硬化等。本文以高温合金为典型材料进行高效切削加工技术及工艺研究，对高温合金材料特性、种类及应用、加工特点、加工技术及工艺进行分析，对我国航空航天事业有着重要现实意义和应用价值。

1 高温合金种类及材料特性分析

1.1 高温合金种类分析

高温合金是指够能在600℃以上的高温可以长期适应一定的抗压力作用下工作的并且具有较好的综合性能的金属材料，而且在极端的高温高压下仍然具有优良的组织稳定性和可靠性。

传统的划分高温合金材料可以根据以下3种方式来进行：按基体元素种类、合金强化类型、材料成型方式来进行划分。

1）根据基体元素种类，高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等，其中，铁基高温合金又可称作耐热合金钢如图3所示。它的基体是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。镍基高温合金的含镍量在一半以上，适用于1000℃以上的工作条件，采用固溶、时效的加工过程，可以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升。钴基高温合金是以钴为基体，钴含量大约占60%，同时需要加入Cr、Ni等元素来提升高温合金的耐热性能，虽然这种高温合金耐热性能较好，但由于各个国家钴资源产量比较少，加工比较困难，因此用量不多。通常用于高温条件（600～1000℃）和较长时间受极限复杂应力高温零部件，例如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和航天发动机等。为了获得更优良的耐热性能，一般条件下要在制备时添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保证其优越的抗热抗疲劳性。目前就高温环境使用的高温合金来分析，使用镍基高温合金的范围远远超过铁基和钴基高温合金用处。同时镍基高温合金也是我国产量最大、使用量最大的一种高温合金。很多涡轮发动机的涡轮叶片及燃烧室，甚至涡轮增压器也使用镍基合金作为制备材料。半个多世纪以来，航空发动机所应用的高温材料承受高温能力从20世纪40年代末的750%提高到90年代末的1200℃应该说，这一巨大提升也促使铸造工艺加工及表面涂层等方面快速发展。

2）根据合金强化类型，高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。所谓固溶强化型即添加一些合金元素到铁、镍或钴基高温合金中，形成单相奥氏体组织，溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变，使固溶体中滑移阻力增加而强化。有些溶质原子可以降低合金系的层错能，提高位错分解的倾向，导致交滑移难于进行，合金被强化，达到高温合金强化的目的。所谓时效沉淀强化即合金工件经固溶处理，冷塑性变形后，在较高的温度放置或室温保持其。1生能的一种热处理工艺。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服强度达1000MPa，制作叶片的合金温度可达950℃。

3）通过材料成型方式划分有：铸造高温合金（包括普通铸造合金、单晶合金、定向合金等）、变形高温合金、粉末冶金高温合金（包含普通粉末冶金和氧化物弥散强化高温合金）。

（1）铸造高温合金。采用铸造方法直接制备零部件的合金材料叫铸造高温合金。根据合金基体成分划分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钻基铸造高温合金3种类型。按结晶方式划分，可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4种类型。

铸造高温合金是航天发动机零部件的重要组成部分，根据研究分析航空发动机寿命的长短影响最显著的因素就是铸造高温合金的好坏，随着航空航天领域的快速蓬勃发展，要求广泛使用高科技含量的合金材料，如高性能等轴晶、单晶合金、定向合金。

随着时间推移，发动机涡轮叶片材料已由变形高温合金逐渐过渡到铸造高温合金，由第一第二代单晶合金已发展到第五代含铼高温合金，成为高性能航空发动机涡轮叶片的主要材料。定向凝固合金已更新出了三代，这种凝固状合金改变了高温时横向晶界的低效性，使合金可以承受更高的强度。定向、单晶高温合金尚且还在研究中，新型高性能合金就不断涌现，高温合金领域正面向着高速、稳定、不断更新的方向快速发展。目前各种先进铸件制造技术和加工设备在不断开发和完善，如热控凝固、细晶工艺、激光成形修复技术、耐磨铸件铸造技术等，原有技术水平不断提高完善从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。

（2）变形高温合金。变形高温合金，如图4所示。目前仍然是航空发动机中使用最多的材料，在国内外应用都比较广泛，我国变形高温合金年产量约为美国的1/8。以GH4169合金为例，它是国内外应用范围最多的一个主要品种。我国主要在涡轮轴发动机的螺栓、压缩机及轮、甩油盘作为主要零件，随着其他合金产品的日益成熟，变形高温合金的使用量可能逐渐减少，但在未来数十年中仍然会是占着主导地位。

我国变形高温合金最新进展是大型难变形合金盘件的生产加工取得了历史性突破，解决了一直难以攻克的冶炼和热加工中涉及的技术革新问题，成功研制了直径为1.2m的GH4698合金盘和GH4742直径为0.8m的合金盘，这项技术的成功运用摆脱了一直依靠国外才能实现的依赖性，满足了我国大型舰船和燃气轮机发展的迫切需要。

（3）新型高温合金。新型高温合金包括粉末高温合金、钛铝系金属间化合物、氧化物弥散强化高温合金、耐蚀高温合金、粉末冶金及纳米材料等多种细分产品领域。第三代粉末高温合金的合金化程度提升，使其兼顾了前两代的优点，获得了更高的强度较低的损伤，粉末高温合金生产工艺日趋成熟，未来可能从以下几个方面开展：粉末制备、热处理工艺、计算机模拟技术、双性能粉末盘；钛铝系金属间化合物已经开发到第四代，逐步向着多元微量和大量微元这两个方向拓展，德国的汉堡大学，日本京都大学，德国的GKSS中心等都进行了广泛的研究，钛铝系金属间化合物现已应用于船舶、生物医用、体育用品领域；氧化物弥散强化高温合金是粉末高温合金一部分，正在生产研制的有近20余种，具有较高的高温强度和低的应力系数，广泛的应用于燃气轮机耐热抗氧化部件、先进航空发动机、石油化工反应釜等；耐蚀高温合金主要用于替代耐火材料和耐热钢，应用于建筑及航天航空领域。

1.2 高温合金材料特性分析

高温环境下材料的各种退化速度都被加速，在使用过程中易发生组织不稳定、在温度和应力作用下产生变形和裂纹长大、材料表面的氧化腐蚀，如图5所示。高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。以GH4169镍基变形高温合金为例，其主要化学成分见表1，力学性能见表2。通过表1可以看出GH4169合金中铌含量高，合金中的铌偏析成都与冶金工艺直接相关，GH4169基体为Ni-Gr固溶体，含Ni质量分数在50%以上可以承受1000℃左右高温，与美国牌号Inconel718相似，合金由γ基体相、δ相、碳化物和强化相γ′和γ″相组成。表2中GH4169合金的化学元素与基体结构显示了其强大的力学性能，屈服强度与抗拉强度都优于45钢数倍，塑性也要比45钢好。稳定的品格结构和大量强化因子构造了其优良的力学性能，但同时也反应了切削加工性差的特点。

高温合金由于其复杂、恶劣的工作环境，其加工表面完整性对于其性能的发挥具有非常重要的作用。但是高温合金是典型难加工材料，其微观强化项硬度高，加工硬化程度严重，并且其具有高抗剪切应力和低导热率，切削区域的切削力和切削温度高，在加工过程中经常出现加工表面质量低、刀具破损非常严重等问题。在一般切削条件下，高温合金表层会产生硬化层、残余应力、白层、黑层、晶粒变形层等过大的问题。

2 高温合金切削加工特点分析

镍基高温合金是难加工材料中最难加工的材料之一，与45钢相比其加工难易程度仅为后者的（5～15）%，虽然难以加工但仍然广泛应用，尤其是在航空发动机中所占比重特别大，虽然重量不是很大，但毛坯件的重量却很大，材料的大部分作为切削余量被去除掉，切削时工作用量很大。因此高温合金加工效率与加工质量是航空航天零部件加工急需解决的问题。

1）切削变形大

在切削加工高温合金的过程中，切削的温度很高，切削表面塑性变形增大明显，塑性变形大小关系着切削变形系数的大小，低速情况下塑性变形过程并不明显，高速切削时个别的延伸率超过40%，合金中奥氏体晶格滑移系数增多产生塑性测流，导致切削加工比较困难。

2）加工硬化倾向大

由于高温合金的塑性、韧性大，在高温和高压作用下切削力和切削热会使合金产生严重的塑性变形，变形的过程中活跃的奥氏体将部分转变为稳定的马氏体，合金中强化因子也会分散出来，同时化合物的分解融合都将导致合金材料的表面强化和硬度的提高，增大切削难度，切削试验表明，切削速度越高，进给量越小硬化程度就越小。

3）刀具磨损较大

切削高温合金时，由于本身含有许多金属化合物和其他金属元素等构成的硬质点，随着一次次切割产生的大量的热贴附在切削区，并没有传递给工件或被切屑带走，过高的温度和过多的热量促使刀具的刃口迅速磨损、崩裂，磨损的刀刃反过来又使切削区域产生更多的热量，进一步缩短刀具的寿命如图6、图7所示。件与刀具接触发生卷屑，双方的内部不稳定的化学元素在切削区域中扩散与结合，导致原材料的物理与化学性能发生改变，导致刀刃很快变钝，前刀面无月牙洼，后刀面磨损严重，刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。

4）切削区域温度较高

切削高温合金时，材料具有较高的屈服强度较大的塑性变形，较大的进给速度下较大切深会产生大量的热量，而材料的导热系数又较小，切削区域聚集了很多的切削热，而高温合金散热性能很差，形成了很高的切削温度，刀具磨损加重。

5）切削精度较低

刀具切削高温合金时，材料的导热性散热性能很差导致工件表面温度较高，剧烈的切割会使工件产生轻微的热变形，可能与需要测量数值有所偏差。又因切削时刀具前角较小、速度较低时产生的切屑呈挤裂状，切削产生的变形会使所测物理量产生影响。

3 高温合金切削加工技术分析

镍基高温合金含有铬、钒、钛、锆、铌、铁、铝、钴、锰和稀土等很多活泼金属元素。在空气中会发生氧化反应，在高温和较差环境下内部元素会发生转变。这样对材料的物理性能和化学性能都有着不利的影响。同时在切削时刀具磨损严重，加工效率低。因此选用合理刀具及工艺方式对于切削加工有着重要意义。

1）刀具材料的合理选用

高温合金切削性差，普通的硬质合金和高速钢几乎无法加工镍基高温合金，所以这类材料应选用耐热性好抗弯强度高、导热性好、耐磨抗粘结性好的刀具材料。针对高温合金切削加工特性以及刀具破损机理的研究，国外学者一直试图开发出适合切削高温合金的高效刀具。应用新型刀具可以很大程度提高难加工材料的加工效率，目前，加工高温合金比较常用的刀具有：硬质合金、陶瓷、涂层硬质合金以及PCBN等刀具（图8、图9）。各种刀具材料物理热力学性能见表3。表3中可以看出：切削硬度上硬质合金刀具较低，陶瓷刀具稍好，PCBN硬度最好。

2）刀具几何参数选择

硬质合金刀具在高速干切削加工高温合金时，刀具前后刀面都会出现明显磨损，切削刃处最大，同时也为了减小塑性变形，减小切削力，减小加工硬化和降低切削温度，刀刃强度保持一定量的前提下，尽量选用较小的正前角。粗加工时：硬质合金刀具前角则取3°～6°，精加工时：硬质合金刀具则取5°～8°，当切削速度较大时，可以采用负前角。为了减小刀具后刀面与加工表面的摩擦，应选较大的后角，后角的增加可以减少后刀面的磨损，增加刀具的寿命。粗加工时：硬质合金刀具后角取8°～10°，精加工时：硬质合金刀具应取10°～12°。

对于铣削等断续切削，在工艺系统的刚度、机床功率满足要求的情况下，刀具必须有足够的刚度，同时刀齿强度要高。一般铣刀前角通常取0°～5°，后角为13°～16°为宜。对于立铣刀螺旋角选较小为宜，通常选取28°～35°。对于钻削，可以采用超硬高速钢或者超细晶粒硬质合金钻头，通过钻头长度改变来改善切削效果。

3）切削高温合金加工工艺

国内外研究加工高温合金主要从切削力、切削温度、刀具寿命及加工表面质量等进行实验研究，这对于改善切削加工过程中刀具磨损、工件表面完整性提高都有深刻意义。

研究发现TiN涂层和无涂层的PCBN刀具高速车削GH4169时，在250m/min涂层刀具寿命高出无涂层20%左右，在相对较低速度的150m/min和225m/min时产生的是压缩残余应力，而当速度提高到300m/min时，产生的是拉伸残余应力。在进行高速铣削GH4169高温合金时，发现采用顺铣加工的表面粗糙度比逆铣要高。如图10所示。

4）高温合金切削液的选择

对于提升高温合金加工性而言，多数研究还是停留在切削液改进上，在除去切削液后并没有找到合适的替代介质，切削液的冷却润滑作用只能少部分的实现，因此对于刀具的使用、刀具的寿命、切削效率也受到不同程度的影响。选取合适的切削液可以减轻切削过程中的摩擦，及时带走切削区的热量。研究发现高温合金适用于水基的切削液来冷却降温，水基切削液是应用最为广泛的切削液，占到市场份额的70%以上，按稀释后的状态水基切削液包含乳化切削液、微乳化切削液、合成切削液。而对于高温合金内部晶格特殊性，切削时采用合成切削液较为合适。

传统的冷却方式对于减少刀具破损现象、提高断屑性能所起作用非常小，而且绝热剪切作用对降低切削温度的作用也并不明显。但是，随着机床辅助设备的发展，近来出现了高压冷却切削方式，为解决高温合金的高效切削加工问题提供了技术支持。寻找传统切削液替代品和新的冷却方式已成为当下加工高温合金材料的当务之急。

4 高压冷却切削高温合金加工新进展

在切削高温合金材料时，会发生严重的加工硬化，高温合金内部存在许多高硬度的硬质化合物，单位时间内产生的切屑和热量均较多，所以如果想得到较小的刀具磨损量应采用冷却润滑技术。目前切削技术主要采用干式切削技术、MQL技术、低温冷风切削技术。

镍基高温合金的高速切削中PCBN刀具的磨损量在湿切削条件下比干切削减少40%～50%。镍基高温合金高速切削过程中，PCBN刀具磨损严重，受切削热的影响很大，通过切削液冷却可以明显改善磨损问题。因此，通过PCBN刀具配合有效的冷却方式，才可以提高PCBN的切削性能与刀具寿命，改善高温合金切削加工性。与普通冷却方式相比，高压冷却不但可以更加有效的降低切削温度，而且还可以提高切削过程中的刀具的断屑性能。高压水射流通过刀具前刀面向上开口的方式，喷射到刀具的前后刀面如图11所示。以提高刀一屑接触面的润滑性，并降低工件表面温度。高压冷却液的使用对刀具寿命也会产生影响，刀具冷热频率交替变高，使刀具受到较多的热冲击，过高的冷却液压力直接喷射也会造成刀具的冲击腐蚀，在10bar高压冷却的条件下，刀具寿命比100bar时高出33%～61%，尤其是在较低的速度（150m/min）切削时。所以在使用切削液情况下，合理选用切削速度、和切削液压力有助于刀具寿命提高。

针对高温合金等难加工材料冷却润滑方式的研究，国内外诸多刀具生产厂家和高等院校均开展了大量的试验研究工作。因此，高压冷却切削技术已成为研究的重点，并且已经成为高温合金切削加工技术应用研究的一个重要方向。

5 结论

高温合金的研制与应用一直受到各国学者的高度重视和研究机构的支持，高温合金材料的广泛应用，其切削加工性的研究已成为切削研究的一个重是要方向，高温合金承受温度已接近极限，通过改变合金晶格内部来提升温度的空间难以实现。高温合金的发展重心已由普通锻造和铸造高温合金发展为定向凝固高温合金和单晶高温合金，并向弥散强化高温合金和纤维增强的高温合金方向发展。

应该对于抗腐蚀性好、强度韧度好的变形合金如GH4169，GH4720等的深入研究，保持产品性能和强度，以延长发动机使用寿命和降低变形合金磨损为主要目标，同时对GH4169高性能合金材料的加工技术改进。也要大胆探索超过1100℃以上的新型材料，如铌基合金和高温抗腐蚀性金属化合物。本文研究探讨了高温合金的组成、用途、使用情况和合理选择刀具材料等，以及使用新式高压冷却技术对切削高温合金的提升具有一定的参考使用价值。