2009年11月18日 星期三

陶瓷加工技術 www.tool-tool.com

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1.機械加工

機械加工是陶瓷材料的傳統加工技術,也是應用範圍最廣的加工方法。機械加工主要是指對陶瓷材料進行車削、切割、磨削、鑽孔等。其工藝簡單,加工效率高,但由於陶瓷材料的高硬、高脆,因此機械加工難以加工形狀複雜、尺寸精度高、表面粗糙度低、高可靠性的工程陶瓷部件。下圖為切割、磨削、鑽削加工示意圖。

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陶瓷的機械加工示意圖
a 切割加工 b磨削加工 c鑽削加工

(1)陶瓷材料的切削加工

切削加工是利用金剛石、立方氮化硼、硬質合金等超硬刀具對陶瓷材料進行平面加工,通常採用濕法切削,即不斷向刀具噴射切削液。使用切削液的主要目的是帶走切削碎屑、減少刀具與材料的摩擦,降低刀具和加工材料的溫度,延長刀具使用壽命、減少材料表面損傷等。由於加工過程中,材料表面受到機械應力作用,容易在材料表面產生凹坑、崩口、表面及表下層微裂紋。刀具、切削液的選擇,刀具切削進給速度、進給量等工藝參數的優化,是陶瓷材料切削加工的研究熱點問題。

(2)陶瓷材料的磨削、拋光加工

陶瓷燒結體表面,由於在成型、燒結以及加工過程中引人大量凹痕、微裂紋等缺陷,在工程使用及力學性能測試之前通常需經過磨削、研磨和拋光處理。它們的加工機理都是通過磨料與陶瓷工件在一定壓力作用下,隨著磨料與材料表面的相互運動,磨料顆粒與工件表面凹凸峰相互摩擦以實現材料表面的平整性。磨料、磨削液的選擇,作用壓力和相互滑移速度的控制是該加工方法的關鍵。

(3)陶瓷材料的鑽孔加工

陶瓷發動機、航太航空、化工機械等工程領域應用的陶瓷零件,通常需要進行孔洞的鑽削加工。尤其帶有螺紋的孔洞加工是陶瓷材料加工工藝中要求極高的工藝操作。目前機械鑽削方法只能加工數毫米的陶瓷孔洞。微小孔洞的加工需要超聲、鐳射、放電加工,以及機械加工等加工技術的複合加工。

2.放電加工

1947年B.R.Lazarenko等提出了放電加工硬質金屬材料的新思路。80年代末,放電加工技術被引入陶瓷材料加工領域。研究表明:當單相或陶瓷/陶瓷、陶瓷/金屬複合材料的電阻小於100Ω.m時,陶瓷材料可以進行放電加工,加工原理略。

根據放電加工的基本原理,材料的可加工性能主要取決於電學、熱物理性能,如:電導率、熔點、比熱、導熱係數等。

放電加工是製備高尺寸精度、低表面粗糙度、複雜形狀高性能陶瓷元件很有應用前景的加工技術,深入研究放電加工工藝控制步驟,設計和製備導電性能和力學性能俱佳的複相陶瓷材料是該方法未來發展的關鍵。

3.超聲波加工

超聲波加工是利用產生超聲振動的工具(模具),帶動工具和陶瓷元件間的磨料懸浮液,衝擊和拋磨工件進行加工。隨著工具在三維方向上的進給,工具端部的形狀被逐步複製在陶瓷工件上。常用的磨料是碳化硼、碳化矽和氧化鋁等。一般選用的工作液為水,為提高材料表面的加工品質,也可用煤油或機油作液體介質。研究表明:用金剛石砂輪作超聲波振動磨削陶瓷材料時,材料的去除速率隨加工強度的增大而增高,只有達到某一臨界壓強時,磨料對陶瓷材料才有磨削作用。超聲波加工的原理略。部分陶瓷材料超聲波加工的工藝參數如下表所示。

部分陶瓷材料採用超聲波加工的參數表

製品名稱


磨料


加工速度(mm/min)

磨料


磨料目數

石英


SiC


320


5.5

單晶ZrO2


SiC


320


3.5

紅寶石


SiC


280


0.8

Al2O3


SiC


280


3.6

Si3N4


B4C


280


3.0

SiC


B4C


280


3.0

4.鐳射加工

在陶瓷材料上採用鐳射鑽孔和切割,一般所需鐳射功率為150W~15kW。但同放電加工一樣,由於陶瓷材料熱導率低,高能束可能會在材料表面產生熱應力集中,形成微裂紋、大的碎屑、甚至材料斷裂。鐳射加工適合於在有機物和陶瓷等無機物材料上進行微鑽孔、微切割、製作微結構。目前已能加工直徑為4~5μm、深徑比達10以上的微孔。通常所用鐳射源為CO2和Nd:YAG鐳射。

5.複合加工

針對不同陶瓷材料及陶瓷材料的不同熱力學、物化性能,傳統機械加工技術不斷完善,同時新型加工技術層出不窮。傳統加工技術效率高、尺寸精度低、表面光潔度差,各種新型電、熱、化學、鐳射等加工技術適合加工精度要求高、形狀複雜同時具有特定性能(導電性、化學特性等)的陶瓷材料,但同時具有加工效率低、要求加工形狀尺寸小等。近年來,各種複合加工技術在實驗室及工程領域得到廣泛重視和應用。各種複合加工技術包括:化學機械加工、電解磨削、超聲機械磨削、電火花磨削、超聲電火花複合加工、電解電火花複合加工、電解電火花機械磨削複合加工等。工程實踐表明:複合加工技術可提高材料的加工效率和改善加工後材料的表面品質,是陶瓷材料加工技術發展的趨勢之一。

下面以化學機械加工中的化學機械效應 (Chemmechanical)來說明複合加工的優勢。 在陶瓷材料的磨削、切削過程中,噴射的磨削、切削液通過與加工件表面的相互化學鍵合,對材料的去除率及表面光潔度有顯著的影響。由於加工摩擦產生的機械能,引發許多複雜的化學反應。這種所謂的“化學機械效應”直接影響機加工過程中的摩擦係數、刀具或砂輪的磨損率、材料表面的粗糙度及力學性能、材料的去除率等。因此分析和研究磨削、切削液的理化性能對陶瓷材料加工性能的影響,選擇適當的切削、磨削液也非常重要。Liang H.等研究了切削液、磨削液與藍寶石、氧化鋁多晶材料、單晶矽、氮化矽、碳化矽和矽玻璃等在加工中的化學機械作用。研究表明:硼酸和矽酸的水溶液分別作為不同陶瓷材料的切削液,其鑽孔效率比水和商用切削液提高50%左右。Jahanmir S.等發現,在加工氧化鋁多晶材料時,硼酸替代水作切削液,鑽孔率提高,而硼酸對藍寶石和矽基陶瓷材料則末發現相同的效應。估計可能是硼酸與氧化鋁多晶材料的無定形晶界相反應,促使晶粒間發生斷裂,提高了材料加工過程中的去除率。另一種化合物矽酸不與氧化鋁相互作用,卻可提高單晶矽、氮化矽、碳化矽材料的加工性能,目前該化學機械作用的機理還不清楚。



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