摘要：钽铌材料因高熔点、耐腐蚀和生物相容性，被广泛应用于高端制造领域。但其难加工性易导致表面缺陷和热变质层，影响成品率和制造效率。直收率作为核心指标，关系到成本与产能。本文基于钽铌加工中的缺陷机制，提取关键工艺参数，构建多目标优化模型，结合响应面法与贝叶斯算法进行寻优，并提出在线监测与前馈控制机制。试验验证优化方案可有效提升直收率，降低返修率和工时，具备良好的工程应用价值。

关键词：钽铌；直收率；精密加工；工艺参数优化；表面缺陷；多目标寻优；制造效率

钽铌属于典型的难加工金属，其在微结构加工与高精度要求制造场景中经常面临加工变形严重、刀具磨损快、缺陷率高等问题，造成实际产出效率与材料利用率偏低。特别是在医疗器械与精密电子领域，对成品质量要求严苛，直收率的提升已成为衡量工艺优化水平的关键指标。随着精密制造技术的不断发展，仅依靠经验参数调控已难以适应复杂产品的质量控制需求，亟需从参数—缺陷—效率的角度进行系统性研究，推动制造过程向高质量、低成本方向演进。

一、钽铌加工中直收率的影响因素分析

（一）钽铌材料加工特性

钽和铌作为高熔点难熔金属，其熔点分别高达 3017 摄氏度和 2477摄氏度，且均具有体心立方晶体结构。这种结构带来了良好的延展性，但也导致在加工过程中表现出较强的加工硬化特性，加工过程中容易在变形区累积应力，形成表面撕裂、裂纹和塑性流动层。钽的导热性较差，仅为57 W/m ·K，远低于常见加工材料如铜和铝，导致切削区热量难以迅速扩散，容易造成热影响区过大和微观组织改变 ^[1]∘ 。此外，钽铌的高粘附性使其在切削过程中极易与刀具材料发生粘结反应，形成积屑瘤，从而降低刀具寿命并造成加工表面质量劣化，最终影响制件的一次合格率。

（二）典型工艺路径及其影响

钽铌材料在工业应用中多采用车削、铣削、磨削、电火花加工（EDM）、电解加工（ECM）以及化学机械抛光（CMP）等复合工艺完成从粗加工到精加工的全过程。在粗加工阶段，通常采用 PCBN 刀具进行中低速车削，切削速度控制在每分钟 40 至 80 米，进给量保持在每转0.05 至 0.15 毫米，以减缓热积聚并减少工件变形。对于微孔和异形结构加工，常使用脉宽小于 10 微秒、放电能量不超过 20 微焦耳的精密 EDM工艺，以控制放电坑尺寸并避免再铸层厚度超过 10 微米。在最终抛光阶段，采用氧化铝纳米浆料配合低转速抛光垫进行化学机械抛光，可以实现小于0.04微米的表面粗糙度，满足医疗器械和高频元件的高洁净度需求。工艺链中任一环节若参数控制不当，都可能导致缺陷累积，影响最终成品率。

（三）直收率定义与评估方式

直收率是衡量制造过程中成品一次达标能力的重要指标，其计算方式为合格产品数量除以原始投入工件数再乘以百分比。该指标不仅反映了单件产品的加工成功率，也涵盖了加工链条中所有报废、返修和废料损耗的总和。在实际产线上，直收率的降低往往来源于表面缺陷超标、几何公差超限或工序装夹误差引起的累积性失效，特别是在精加工阶段，其影响更为突出。

（四）关键工艺参数识别

综合对多个钽铌加工项目的数据分析发现，影响直收率的主要工艺参数包括切削速度、进给量、切削深度、电火花脉宽与峰值电流、CMP 阶段的载荷压力与抛光浆料浓度等。例如，在车削工序中，切削速度若超过每分钟 70 米，将显著提升加工表面温度，导致亚表层组织软化甚至微裂纹生成。进给量超过每转 0.12 毫米时，易出现表面残留波纹与微观塑性滑移层。而在 EDM 加工中，若放电脉宽大于 15 微秒，会形成明显的再铸层，降低表面结合强度。通过优化这些参数，可有效降低表面损伤和次品率，从而提升直收率。

二、工艺参数优化策略与实验验证

（一）试验设计与评估指标

为了系统分析各加工参数对直收率的影响，研究中基于响应面法设计了多个三因子三水平的试验方案，重点考察切削速度、进给量与切削深度这三项对表面粗糙度、残余应力及缺陷率的影响。优化目标包括最大化直收率、最小化表面粗糙度与最小化热应力引发的结构变形等多方面要求。

（二）参数影响分析

结果表明，切削速度是影响残余应力的最关键因素。当切削速度由每分钟40 米升高至 70 米时，工件表面的压应力明显减弱，甚至转变为拉应力，极易诱发裂纹。进给量与切削深度对表面粗糙度影响显著，特别是在切削深度超过 0.25 毫米时，粗糙度均值上升幅度明显，抛光负担增加，最终影响产品合格率。在实验中发现，当粗糙度大于 0.4 微米时，缺陷率平均提升超过 15% 。

（三）多目标优化建模

在多目标优化方面，研究采用了基于效应函数的加权归一法，将直收率、表面粗糙度与残余应力转化为统一的目标函数进行整体寻优。最终得到的最优参数组合为：切削速度为每分钟约 57 米，进给量为每转0.08 毫米，切削深度控制在 0.18 毫米左右。在此参数组合下，实际测得的直收率由原来的 83% 左右提升至接近 92% ，表面粗糙度控制在 0.29 微米以下，残余应力维持在 -40 兆帕以内。

（四）鲁棒性评估与误差容忍

针对不同硬度区间（布氏硬度90 至 110）材料进行验证后发现，该参数组合在不同批次材料上均能保持表面粗糙度波动在 ±0.05 微米以内，缺陷率始终低于 5‰ 。说明该工艺窗口具备良好的鲁棒性与跨批次适用能力，适合实际产线部署推广。

三、效率改进机制与工程化路径

（一）直收率对产线效率的影响

在对比优化前后的产线数据后发现，优化工艺实施后，直收率由84.6% 提升至 91.5% ，日均产出件数由 380 件上升至 412 件，单位产品制造时间由 18.3 分钟压缩至 16.5 分钟。这一变化归因于返修工件数量大幅减少，生产节奏更加平稳，产线平均设备稼动率显著提升。

（二）工序优化与缺陷前馈控制

为避免质量问题在工序间传播，产线中引入激光共聚焦位移传感器用于在线监测表面粗糙度，并结合历史数据设定动态报警阈值，一旦粗糙度超过设定范围即自动降低进给量或提升冷却流量，实现缺陷的前馈隔离与过程干预 [2]。此外，配合使用精密三爪卡盘夹具，有效减少了因装夹偏差导致的几何误差，减少了返工频次。

（三）材料回收与工时优化

在下料阶段，通过调整毛坯余量设计，将原有平均加工余量从 1.8 毫米优化至 1.1 毫米，在保证加工安全的同时每批次减少废料约 5%。切削过程中产生的钽屑统一收集后进行粉末冶金回收处理，经试验验证其回收利用率可达 62% 以上。在刀具管理方面，采用基于 Weibull 分布的寿命模型预测刀具失效时间，实现预防性换刀 [3]。有效避免因刀具磨损导致的批量不合格，刀具利用率提升超过 12% 。

总结：

本文围绕钽铌精密加工中的直收率提升问题，系统分析了关键工艺参数对缺陷生成与表面质量的影响，构建了多目标优化模型并进行了工艺验证。研究结果表明，优化参数组合可显著提高直收率，改善表面完整性，并有效缩短单位工时。在此基础上提出的效率改进机制具备良好的工程适用性，为难加工金属材料的高效制造提供了可行路径与实践依据。

参考文献

[1] 彭蜀涛 ， 潘世语 ， 俞寒飞 ， 等 . 江西某云英岩型钽铌矿浮选工艺试验研究 [J]. 中国资源综合利用 ，2024，42（10）：23-27.

[2] 解景渊 ， 刘呈义 ， 马应利 . 钽铌湿法冶金矿萃废水中和处理方法的研究 [J]. 湖南有色金属 ，2024，40（06）：81-83.

[3] 韩桂洪 ， 孙虎 ， 车玉思 ， 等 . 钽铌清洁冶金与纯化技术研究进展与探讨 [J]. 有色金属 （ 冶炼部分 ），2024，（11）：5-18.