复合加工

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1．组成复合加工的典型能量形式

复合加工是应用多种形式能量的综合作用来实现材料的去除。一些常见的以不同形式能量进行的加工类型如图1所示。

由留1可知，根据加工材料的特性和精度及效率的要求可以组合出为数众多的各具特点的新的复合加工方法。现就下列三类典型的复合加工的特征、技术关键和可能达到的精度等作系统的综述。

1）机械化学加工和化学机械加工。它主要用于进行脆性材料的越精密和表层及亚表层无损伤的加工。

2）磁场辅助加工。主要用于解决精密加工的高效性问题。

3）激光辅助车削。主要用于改善难切材料的切削加工性。

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2．化学机械复合加工

它是指化学加工和机械加工的复合。所谓化学加工是利用酸、碱和盐等化学溶液对金属或某些非金属工件表面产生化学反应，腐蚀溶解而改变工件尺寸和形状的加工方法。如果仅进行局部有选择性的加工，则需对工件上的非加工表面用耐腐蚀性涂层覆盖保护起来，而仅露出需加工的部位。化学机械复合加工是一种超精密的精整加工方法，可有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，它可防止通常机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕，避免磨粒的耕犁引起的隆起以及擦划引起的划痕，可获得光滑无缺陷的表面。

化学机械复合加工中常用的有下列两种：
l）机械化学抛光（CMP）
2）化学机械抛光

机械化学抛光（CMP）的加工原理是利用比工件材料软的磨料（如对Si3N4陶瓷用Cr2O3，对Si晶片用SiO2）,由于运动的磨粒本身的活性以及因磨粒与工件间在微观接触度的摩擦产生的高压、高温，使能在很短的接触时间内出现固相反应，随后这种反应生成物被运动的粒曲机械摩擦作用去除，其去除量约可做小至0.1nm级。团为磨粒是软于工件，故不是以磨削的作用来去除材料。如果把软质磨粒悬浮于化学溶液中进行湿式加工，则会同时出现溶液和磨粒两者生成的反应物，但因磨粒的吸水性而使其表面活性和接触点温度降低，故加工效率比单用软磨粒与适量抛光剂的干式加工为低。

化学机械抛光的工作原理是由溶液的腐蚀作用形成化学反应薄层，然后由磨粒的机械摩擦作用去除。

上述两种加工方法的工作机理、影响因素及适用范围见表1。

表 1 机械化学抛光和化学机械抛光的加工方法比较

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采用机械化学抛光可加工直径达300mm的硅晶片，其加工系统如图2所示，工艺参数例示如下:

抛光剂：超微粒（5～7nm）的烘制石英（SiO2）悬胶弥散于含水氢氧化钾（PH≈10.3）中，分布于抛光衬垫上
颗粒含量：SiO2（5～7nm）在软膏中占20％（质量分数）。
软膏流量：50mL/min，粘度：108Pa·s
晶片尺寸：200mm，压力：27～76kPa
衬垫转速：20r/min，保持架转速：50r/min
衬垫材料：浸渍聚氨酯的聚酯
衬垫的修整:转动衬垫修整器清除衬垫上已用过的软膏,并露出衬垫的纤维以供下一次加工。

加工表面粗糙度：Ra1.3～1.9nm

3．磁场辅助研抛加工

它通过在磁场作用下形成的磁流体使悬浮其中的非磁性磨粒能在磁流体的流动力和浮力作用下压向旋转的工件进行研磨和抛光，从而能提高精整加工的质量和效率。它可以获得Ra≤0.01μm的无变质层的加工表面，并能研抛复杂表面形状的工件。由于磁场的磁力线及由其形成的磁流体本身不直接参与材料的去除故称之为磁场辅助加工。

磁流体是由磁性颗粒、表面活化剂和液相载体（如水、油等）组成的。磁性颗粒的平均粒径在10urn左右，它被稳定的表面活化剂的有机分子所包围，成为一种稳定的磁性颗粒胶体，悬浮于油基或水基的液相载体中。例如CY3-1型金属磁流体就是由颗粒直径7.5～10nm的Fe3O4磁性材料（质量分数10％～30％），用表面活化剂油酸（质量分数40％～60％）使其弥散于矿物油载体内，它的饱和孩感应强度0.023T、密度1.2g/mL、动力粘度20×10-3Pa·s。由于磁性颗粒的磁力矩极大，不会因重力而沉淀，且其磁化曲线无磁滞，磁化强度能随磁场强度增加而增加，从而能实现对工件作用力和加工量的控制。

这种磁性磨粉加工工艺在40年代起源于美国，50年代末至60年代初经前苏联和保加利亚等国研究人员的发展，至70年代已显示该项技术可在大多数重型工件的精加工中应用，80年代末起日本又进一步研究其加工原理及设备，并使其在精整加工领域的应用得到发展，至90年代日本、英国和美国的研究者对其工艺和设备又不断地拓展和完善，并应用有限元法模拟磁性抛光过程，分析磁流体和磨粒在磁感应下的运动特性，大大地推进了这项工艺的发展和应用。

常用的磁场辅助的精整加工有：磁性浮动抛光（Magnetic Float Polishing）和磁性磨料精整加工（Magnetic Abrasive Finishing），对其工艺分述如下。

1．磁性浮动抛光（MFP）

它是利用磁流体向强磁场方向移动，而非磁性磨粒被排斥向磁感应强度较弱的方向的特性，使悬浮于磁流体中的磨料分离出来富集在一起（图1）。磨料在磁浮力作用下，上浮压向运动的工件。有的设备在磁极与工件间放置聚丙烯弹性材料的浮体，使磁流体的压力经浮体挤压磨料和工件，它可使磁极附近的很大浮力经弹性浮体而均匀化，并可增大抛光的压力。

图2示出应用MFP法精加工高精度用瓷球的设备示意图。用以抛光直径9.5mm的Si3N4球。

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图中高速高精度的抛光轴支承于空气轴承上，最高转速达10000r/min。釹铁硼（Nd-Fe-B）永磁体以N和S极交替地排列在铝容器内，磁流体是由10～15nm的Fe3O4以胶体散布在水基载体液中，加入体积分数为5％～10％的磨料。抛光过程中水不仅起冷却液的作用，也能与工件表面起化学反应。垂向压力用压电传感器测量，并使每球压力控制在1N。由于高的抛光速度，它的材料去除率比传统的采用的低速转动的V形槽研磨要高数十倍，且在较低的抛光压力下，其表面粗糙度可达Ra4nm（Rmax40nm），陶瓷球的球度可达0.15～0.2μm，且表面基本上无裂纹和刻痕等损伤。

2．磁性磨料精整加工（MAF）

图3为MAF法的加工简图。磁性磨料在磁极N-S之间沿着磁力线有序地相互链接在一起，聚集成一层弹性的磁性磨料刷，当工件与它作相对运动时，就进行研抛加工。MAF法可不用抛光液，磁性磨料是在铁磁材料中加入粒度为1～10μm的磨料，聚集的磁性磨料刷的厚度约50～100μm。图示的装置可以加工磁性或非磁性材料的圆柱形工件如陶瓷轴承滚柱或钢滚柱。工件作回转运动，而磁极的往复振动形成了磁场的轴向振动运动，因此可以一次完成圆柱表面和棱边的精加工。由于聚集的磁性磨料刷的自动成形性，当采用不同的磁极形状和设备结构时，可实现对内圆、平面、异形曲面和球面等精整加工。此法具有高的材料去除率，其精加工的效果取决于工件的圆周速度、磁通量密度、工作间隙、工件材料、磁性磨料聚集层的尺寸以及相关的磨粒尺寸和所占的容积比例等。

此法所用的磁性磨料是一种复合磨料，通常将铁磁性物质和具有磨削性能的磨料按一定比例混合，经烧给、粉碎、球磨、筛选等工序制成，也可采用电铸或等离子粉末熔融法制作。铁磁性物质有铁、铁合金和铁的氧化物，磨料通常用氧化铝（Al2O3）、碳化物（TiC、Cr3C2、WC、ZrC）和金刚石，磨料的容积比例约为20％～50％。

l）精加工钢滚柱的工艺参数为：滚柱速度60m/min，磁感应强度l.2T，工作间隙10.2mm，磁极振动频率15Hz，振幅1.52mm，磁性磨料的平均粒度100μm，可在30s内使钢滚柱的表面粗糙度由Ra0.22μm降至Ra7.6nm。

2）精加立陶瓷（Si3N4）滚柱时，其磁性磨料聚集层中的磨料应按粗、半精和精加工，分别采用B4C、SiC和Cr2O3 。

4．激光辅助车削

激光辅助车削（LAT）是应用激光将金属工件局部加热，以改善其车削加工性，它是加热车削的一种新的形式。

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典型的LAT装置如图1所示。激光束经可转动的反射镜M1的反射，沿着与车床主轴回转轴线平行方向射向床鞍上的反射镜M2，再经X向横滑鞍上的反射镜M3及邻近工件的反射镜M4，最后聚射于工件上。共聚焦点始终位于车刀切削刃上方如图中距δ处，经激光局部加热位于切屑形成区的剪切面上的材料。

激光加热的优点是可加热大部分剪切面处材料，而不会对刀刃或刀具前面上的切屑显著地加热，因而不会使刀具加热而降低耐用度。

通过激光的局部加热可获得：

l）流线的连续切屑，并可减少形成积屑瘤的可能性，从而改善被加工表面的质量包括：表面粗糙度、残余应力和微观缺陷等。

2）切削力的降低。温度的升高使材料的屈服应力明显减小导致切削力减小，这样既使工件的弹性变形减少易于保证加工精度，又能提高刀具的耐用度，并有利于对难切材料的金属切除率的提高和加工成本的降低。如加工高强度30NiCrMo166钢和钨铬钴6合金用5kW，CO2激光器辅助加工，切削力降低70％，刀具磨损减少90％，切削速度提高使金属切除率增加二倍。