先进材料加工成形技术专题报告_零件加工技术专题报告
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先进材料加工成形技术专题报告
摘要：本文对材料加工成形技术现状做了一个概述，同时对未来先进材料加工技术作了展望。重点介绍了几种先进材料加工成型技术的应用，包括激光加工技术，超声加工技术，电磁加工技术。
关键词：先进材料 加工技术 激光加工 超声加工 电磁加工
0 引言
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是社会现代化的物质基础和先导[1]。人们通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会生存和发展的基本条件之一，而材料科学显得尤为重要[2]。一般而言，材料可以分为传统材料和先进材料两大类，先进材料是指那些新近开发或正在开发的，具有优异性能的材料。先进材料不仅是对于高科技和新技术有重要的影响，同时也是发展高科技的物质基础，可以说掌握先进材料是一个国家在科技上处于领先地位的标志。
但是更为重要的是，随着科学技术的发展，先进材料的生产，制备，应用都越来越发杂，这就迫切需要材料加工成形技术的发展。正如学者认为的材料制备、[3]成形与加工技术发生了一场“静悄悄的革命”一样。材料成形加工技术与科学作为制造业的重要组成部分，其发挥着重要的作用，有时候甚至可以对材料的性能产生决定性影响。特别是现在先进材料在航空航天，机械，汽车领域越来越多的采用，其加工成形技术的重要性也尤为突出[4]。如今，为了适应全球竞争的需要，同时也为了占据有利形势，改善材料及相关制备技术对国家是非常重要的[5]。
当今先进材料加工成形技术已经发生了很多变化。从尺度上看，精密制造技术已经突破了微米级技术，进入了亚微米和拉米技术领域。同时，在加工过程中也更多的开始强调成形质量的问题，其要求开始向无缺陷方向过度。值得注意的是，现在成形加工技术也越来越与社会需求联系紧密，其倾向于快速化方向发展，来提高竞争力。并且随着复合材料的应用日益广泛，也迫切需求其加工成形工艺的提高。就目前发展情况来看，材料成形加工过程也在向建模与仿真靠近，同时也注重材料加工成形的信息化与清洁化，这也是未来材料发展的主流方向。几种先进材料加工技术
1.1 激光加工技术
激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等性能，加上激光的空间控制性和时间控制性很好，易获得超短脉冲、尺度极小的光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，足以融化世界上任何金属和非金属物质，特别适合自动化加工，而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大[6]。由于激光热处理有相当明显的优势，其解决了困扰已久的传统金属热处理不能解决或不易解决的技术难题。激光加工技术作为一项综合集成激光技术、新材料技术、计算机与数控技术的现代化先进制造技术，一直得到世界各国重要研究机构和大学的重视和推广
目前激光加工技术有五大热点：激光焊接、激光成形与制造、新激光器与新激光加工研究、激光表面强化及激光加工过程的传感、检测与控制。随着技术的进步，这些研究方面还可以进一步细分。而激光热处理的技术关键有三个：高功率的激光器；多自由度的加工设备并与计算机配套；不同应用的激光处理工艺[7]。
[8]分析对比中国与国际激光加工研究领域不难看出：(1)中国激光材料加工研究紧扣国际研究主导方向，研究成果丰硕；(2)中国在激光表面强化领域基础扎实，实力雄厚，特别是激光熔覆技术的研究特色鲜明；(3)现在中国激光焊接与激光成形制造领域的研究与产业化紧密结合，形成了良性发展；(4)但是也明显看到我国在新型激光器和应用方面的研究严重不足，光学元器件方面研究也很微弱，成为了掣肘我国激光加工技术提高的瓶颈。
1.2 超声加工技术
超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或弓箭沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工[9][10]方法。大量实验研究和加工结果表明,超声振动加工有能量集中、瞬间作用、快速切削的特性，能有效地改变传统加工的切削机制，具有独特的加工工艺效果。
超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。近年来，随着不同领域实际加工的特殊需要，超声加工系统的应用研究有了新的发展[11]。目前超声加工技术主要应用在深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料超声加工、超声振动切削以及超声复合加工。但是随着超声技术的发展以及对材料要求的提高，未来超声加工发展趋势主要集中在[12]超声振动切削技术、超声复合加工技术和微细超声加工技术等方面。
值得一提的是由于非金属硬脆材料同时具有高脆性、底断裂韧性及材料弹性与强度非常接近等特点，因此加工难度大[13]，而超声加工方法很好的解决了这些问题，在其领域内得到了大量应用。1.3 电磁加工技术
材料的电磁加工是指利用电磁能量实现材料的熔化、精炼和成形等加工过程，其理论基础是研究电磁场和流体间相互作用的电磁流体力学[14]。利用磁性的同性磁极相吸,异性磁极相斥,位于磁场中的磁性物质按磁力线有序排列原理,将高强度磁性颗粒置于工件与工具之间,并处于高频转换的磁场之中,辅以一定的工具运动作用,磁力与工具运动之间形成“共振”,使磁性颗粒在工具及磁场的作用下以很大的加速度不断地撞击被加工表面,把工件材料剥落下来,从而形成加工过程[15]。
由于电磁加工中电磁力的易控性和没有接触摩擦，用它作为加工的执行手段，使大量的复杂操作，简化到少数手柄上。只有电磁加工时如此的易于实现自动化[16]和生产的高速度。
材料电磁加工的特点可以概括为：(l)以最廉价和方便的手段将高密度电磁能量作用于各种材料,特别是金属材料;(2)除去加热功能以外,充分发挥电磁场的各种功能.例如对熔融金属进行非接触性搅拌、输运和形状控制;(3)运用电磁流体力学理论可以有效地解决加工过程中的各种问题,例如电磁力的计算;(4)与电磁场相关的各种检测及控制技术日新月异,为材料电磁加工技术的研究和发展提供了条件.2 结语
随着科学技术的进步和物质生活的需要，材料科学的发展会不断向前，而先进材料作为未来的主流方向，其加工成形技术也显得尤为重要，本文以上介绍的方法也只是一小部分，其代表着先进材料加工成形技术发展的一些成果，可以预见，材料作为三大支柱之一，其成形加工技术也会迅速发展，带来更多的效益。引用文献 [1] 材料科学技术百科全书编辑委员会，材料科学技术百科全书（上册）.北京：中国大百科全书出版社，1995.[2]陈拥军，魏强民，李建宝.先进材料科学与应用的展望[J].21世纪青年学者论坛.[3]Thomas W E.The quiet revolution in materials proceing[C], Advanced Materials and Proceing, Proceedings of PRICM-3, 1998.3-11 [4] 荣烈润，新世纪材料成形加工技术的发展趋势[J],金属加工.2012,23:(36-38).[5] Federal research and development program of materials science and technology[R].USA, 1995.[6] 江海河，激光加工技术应用的发展及展望[J]，光电子技术与信息.2001,14(4):1-4.[7] 孙晓辉，激光加工技术的产业化应用[J].机械工人.2004,4:35-37.[8] 钟敏霖，刘文今.国际激光材料加工研究的主导领域与热点[J].中国激光.200811(35):1654-1658.[9] 曹凤国，张勤俭.超声加工技术的研究现状及其发展趋势[J].电加工与模具.2005年增刊：25-28.[10] 张存信,杨继先,曹文燕.超声振动精密加工研究现状与发展趋势[J].热处理技术与装备,2006,27(5).[11] 曹凤国.超声加工技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.[12] 张雄，焦锋.超声加工技术的应用及其发展趋势[J].工具技术.2012,46(1):3-5.[13] 郭昉，田欣丽，张保国等.超声振动在非金属硬脆材料加工中的应用[J].新技术新工艺.2009,9:14-18.[14] 张军，傅恒志，谢发勤等.金属熔体的电磁成形与凝固[J].材料研究学报.1997,11(6):612-614.[15] 陈养厚，电磁成型加工及其实现方法研究[J]，潍坊学院学报.2010,10(6):6-8.[16] 王金光.电磁加工探讨[J].电加工.
