工程陶瓷材料的加工方法
作者： 张勤河， 张建华 ，贾志新 ，艾 兴
来源：机械工程师 发布时间：2013-7-22
工程陶瓷材料是由粉状原材料在高温高压下烧结而成。由于烧结时收缩率较大,无法保证烧结后尺寸精度,而作为工件使用的工程陶瓷件都有一定的形位尺寸精度和表面质量要求,因此需要进行再加工。由于工程陶瓷材料硬度高、脆性大,属难加工材料,一般加工方法有机械加工、电加工、光加工、超声波加工等。
1 工程陶瓷材料的机械加工
1.1 工程陶瓷的车削加工
车削加工主要是用金刚石刀具(或其涂层刀具)切削高硬度、高耐磨性的工程陶瓷。多晶金刚石刀具难以产生光滑的切削刃,一般只用于粗加工;对工程陶瓷材料进行精车削时,使用天然单晶金刚石刀具,切削时采用微切削方式。由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大,车削加工难以保证其精度要求,故车削加工应用不多,基本上还处于研究阶段。国内外研究的重点主要是在工程陶瓷车削机理的研究及车削方法的研究上。目前对工程陶瓷的切削机理还没有形成统一的认识。
1.2 工程陶瓷的磨削加工
工程陶瓷材料的磨削加工是目前已有加工方法中应用最多的一种。磨削加工所用砂轮一般选用金刚石砂轮。对金刚石砂轮磨削机理不同学者有不同的解释。
(1)磨削时材料去除是由金刚石磨粒在作用于陶瓷工件瞬间产生的所有微观变形和破碎累积完成的。按材料内部缺陷(如裂纹、裂缝)的尺寸和密度以及作用区域应力大小的不同,材料去除方式不同。当切削刃接触工件形成的应力场比缺陷尺寸小时,材料主要通过塑性变形去除;当应力场大于缺陷尺寸时,则脆性微裂纹破碎起主要作用。
(2)金刚石砂轮磨削去除材料是由于磨粒切入工件时,磨粒切削刃前方的材料受到挤压,当压应力值超过陶瓷材料承受极限时便被压溃,形成大片碎屑。另一方面磨粒切入工件时,由于压应力和摩擦热的作用,磨粒下方的材料会产生局部塑性流动,形成变形层。当磨粒划过后,由于应力的消失,引起变形层从工件上脱离形成切屑。在材料去除的整个过程中,前刀面的压溃去除是主要的。
(3)认为工程陶瓷材料磨削去除过程分为三个阶段:弹性滑擦、流动变形和脆性断裂。弹性滑擦是指切削深度很小时,工件与磨粒之间仅作弹性接触滑动,此时不产生切屑。流动变形是指弹性变形和粘塑性流动造成少量磨屑和形成磨削表面的过程。流动变形的原因是由于磨粒切削刃的刃口钝圆半径r大,外锥角H小,在接触区容易形成较大非弹性应力场而避免或减少了裂纹产生和扩展,从而发生流动变形。脆性断裂是形成切屑的主要过程,磨粒给予工件材料施压作用而使其产生裂纹,进而产生局部破坏形成切屑。对工程陶瓷材料的磨削机理的解释还很多,但总的来看有一点是共同的,即脆性断裂是形成材料去除的主要原因。磨削加工中,切屑的清除是一大问题,一般采用冷却工作液清洗。冷却液不仅起到冲洗切屑粉末的作用,而且可以降低磨削区温度,提高磨削质量,减少磨粒周围粘结剂的热分解等。磨削液一般选用清洗性能好、粘度低的磨削液。金刚石砂轮因其选用结合剂种类、磨粒浓度的不同有不同的磨削特性。在其它磨削条件相同的情况下,青铜结合剂金刚石砂轮的磨削比为树脂结合剂的4倍,但被加工工件表面粗糙度较树脂结合剂砂轮所加工的大。铸铁结合剂是国外近几年开发的一种高强度的新型结合剂,它具有强度高,不易堵塞,磨刃锋利和加工效率高等优点,在国外已开始应用。金刚石颗粒大小是影响陶瓷工件表面质量的又一主要原因。颗粒愈大,所加工表面粗糙度愈大,但加工效率愈高。
1.3 工程陶瓷的钻削加工
工程陶瓷材料钻削多采用掏料钻。掏料钻的结构为一环形金刚石砂轮焊接到一中空的钢管上,焊接工艺为银焊。当钻削工程陶瓷材料时,金刚石砂轮高速旋转,利用端面的金刚石磨粒切削材料。钻削常压烧结氮化硅时,材料去除率可达1600mm3/min。近年来,有成功利用行星式金刚石砂轮钻削方法加工工程陶瓷材料的报道。所用钻头为一专用钻头,切削体部分为一小直径的金刚石砂轮。钻削时,砂轮一边自转,一边沿一定圆周公转,依靠砂轮端面的金刚石磨粒切削作用完成材料去除。该方法只适于加工较大的孔,对小孔加工较困难。
1.4 研磨和抛光
在工业生产的某些领域,仅靠磨削是达不到工程陶瓷件表面光洁度要求的,通常要采用研磨和抛光。另一方面,工程陶瓷材料韧性较小,脆性较大,其强度很容易受表面裂痕的影响。但加工工艺往往造成加工表面材料有许多微裂纹,裂纹往往引起应力集中,使裂纹末端应力更大。当该处应力超过裂纹扩展临界值时,裂纹便扩展,引起工件的破坏。加工表面愈粗糙,表面裂纹愈大,愈易产生应力集中,工件强度愈低。因此,研磨不仅是为了达到一定的粗糙度和高的形状精度,而且也是为了提高工件的强度。研磨工程陶瓷用的磨料主要是B4C和金刚石粉。在研磨加工中,研磨参数选择合理时可以达到1um/m的形状精度和Ra<0.3um的粗糙度。抛光是采用软质抛光器和细粉磨粒以较低的压力作用于工件的一种精加工过程。软质抛光器以弹塑性方式保持着磨粒对加工工件的切深非常浅,通过产生微小的压痕进行加工。近几年抛光技术又有了新的发展,如超声抛光、电加工复合抛光等。
2 工程陶瓷的电加工
电加工技术包括用成形工具作电极的型腔加工和利用金属丝作电极的线切割加工。电加工方法一般只适用于导电陶瓷的加工,要求电阻率小于100欧姆.cm。电加工方法是加工导电工程陶资的一种有效加工方法。加工Al2O3工程陶瓷材料时,最大加工效率为42mm3/min,此时加工表面粗糙度Ra36um;加工Si3N4工程陶瓷材料时,最大加工效率为32mm3/min,加工表面粗糙度为Ra7um,对那些结构形状复杂的工程陶瓷件,单纯用机械加工几乎不能实现,而采用电加工法便很容易完成,并且电火花加工还可以利用线电极实现微小孔加工。
3 激光加工工程陶瓷材料
激光加工工程陶瓷是利用一束能量密度极高的激光束照射到被加工工件表面上,光能被加工表面吸收,并部分转化为热能,使局部温度迅速升高产生熔化以至汽化并形成凹坑。随着能量的继续吸收,陷坑中的蒸汽迅速膨胀,相当于产生了一个微小爆炸,把熔融物高速喷射出来,同时产生一个方向性很强的冲击波,这样材料就在高温、熔融、汽化和冲击波作用下被蚀除。一般加工工程陶瓷使用的激光有CO2激光和YAG激光两种。CO2激光加工工程陶瓷时,吸收率接近100%,用YAG激光加工时吸收率低些。由于CO2激光有高的可用功率和长脉冲时间,可以进行高速度加工。然而,由于CO2激光易被工程陶瓷吸收及工作焦点大,往往对工件产生较大的热影响区,易使脆性高的SiC陶瓷等破裂;YAG激光器提供较低的束线功率和较小的脉冲持续时间,但由于其射束密度高,可用来加工非常脆的工程陶瓷材料。
4 工程陶瓷的超声波加工
超声波加工是利用工具作超声频振动,通过磨料悬浮液中的磨料去除工件材料。超声波在硬脆材料加工中的应用较早,起始于本世纪四十年代,是目前应用较普遍的一种加工方法。特别是对那些不导电或电阻率高而不能采用电加工的工程陶瓷是一种有效的加工方法。但超声波加工也存在如下缺点:
(1)加工工具通用性差。加工不同的孔、槽时需用不同的工具,工具的更换比较麻烦;
(2)由于加工过程中工具质量的变化,造成共振频率的游移,而使加工速度和加工质量受到影响;
(3)加工工程陶瓷材料时,工具磨损严重,加工效率不高。超声波加工已开始应用于工程陶瓷材料加工,目前对其进一步的研究主要集中在如何提高加工效率和加工质量等方面。此外,国内超声波加工机床还存在功率小,工具输出振幅低的缺点,通常单边最大输出振幅只有12um左右,而国外超声波加工机床的单边最大输出振幅可达80um。
5 工程陶瓷的其它加工方法
除以上介绍的加工方法外,还有一些加工方法在生产中得到应用。如离子束加工、等离子加热切削、化学加工、磨料射流加工等。但这些加工方法在工程陶瓷的加工中不是主要的,这里不再详述。总之,用于加工工程陶瓷材料的方法很多,但由于工程陶瓷材料本身的特殊性能,所有的加工方法都不十分理想,目前的实际应用中仍以磨削加工为主。为了推动工程陶瓷材料的普及和应用,人们仍在不停地探索更有效的加工方法。从研究动态看,有这样一种趋势:即把两种或几种加工方法复合在一起形成一种新的加工方法。如超声放电复合加工、电解放电复合加工、超声振动复合磨削等。这样不仅可大大提高加工效率,而且可以提高工程陶瓷件的加工质量。
