精密陶瓷五大加工工藝介紹

　　精密陶瓷材料具有特殊的優(yōu)良性能，可廣泛應(yīng)用于高速、高溫、腐蝕性介質(zhì)等其他金屬材料無(wú)法滿足要求的特殊場(chǎng)合，但由于其硬度高、脆性大、耐磨性好，很難實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高可靠性的加工，從而限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。上述各種陶瓷加工工藝各有其優(yōu)、缺點(diǎn)，但又不能互相取代。加工精密陶瓷材料時(shí)應(yīng)根據(jù)材料種類、工件形狀及精度、成本、效率等因素，選擇合適的加工工藝。 　　為了實(shí)現(xiàn)精密陶瓷材料的精密及超精加工，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正致力于塑性法加工工藝(切削或磨削)的研究與開(kāi)發(fā)。如國(guó)外正在開(kāi)發(fā)超微磨料砂輪技術(shù)，改造已有精密機(jī)床或設(shè)計(jì)新型精密機(jī)床；德國(guó)主要致力于塑性加工機(jī)理和先進(jìn)陶瓷的實(shí)驗(yàn)研究；英國(guó)則側(cè)重于開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)新穎、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的超精密塑性加工機(jī)床；美國(guó)是計(jì)算機(jī)工業(yè)和現(xiàn)代通訊業(yè)的發(fā)源地，非常重視半導(dǎo)體和光電子元器件如硅片、鍺片、石英和光電子玻璃等的塑性加工。

　　新型精密陶瓷材料的研究開(kāi)發(fā)不斷推動(dòng)和促進(jìn)陶瓷加工工藝的發(fā)展；另一方面，陶瓷加工工藝的發(fā)展又為新型精密陶瓷材料的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的工藝支持。目前，精密陶瓷材料加工中仍有許多難題需要解決，隨著加工工藝的不斷完善和發(fā)展，精密陶瓷材料的應(yīng)用前景將更加廣闊。   

　　精密陶瓷材料具有強(qiáng)度高、硬度高、密度低、膨脹系數(shù)低以及耐磨、隔熱、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、電熱性能優(yōu)越等特性，已成為廣泛應(yīng)用于航天航空、儀器儀表、石油化工、機(jī)械制造及核工業(yè)等領(lǐng)域的新型材料。但由于精密陶瓷材料同時(shí)具有高脆性、低斷裂韌性及材料彈性極限與強(qiáng)度非常接近等特點(diǎn)，因此精密陶瓷材料的加工難度很大，加工工藝稍有不當(dāng)便會(huì)引起工件表面層組織的破壞，很難實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高可靠性的加工，從而限制了精密陶瓷材料應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。為滿足近年來(lái)科技發(fā)展對(duì)精細(xì)陶瓷、光學(xué)玻璃、晶體、石英、硅片和鍺片等脆性材料制品日益增長(zhǎng)的需要，在目前較為成熟的精密陶瓷材料加工工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)高精度、高效率和具有高表面完整性的精密陶瓷材料加工工藝顯得尤為迫切。

　　其他金屬材料的加工可根據(jù)材料種類、工件形狀、加工精度、加工成本、加工效率等因素選擇不同的加工工藝。而對(duì)于精密陶瓷材料，由于其特殊的物理機(jī)械性能，最初只能采用磨削方法進(jìn)行加工，隨著機(jī)械加工工藝的發(fā)展，目前已可采用類似金屬加工的多種工藝來(lái)加工精密陶瓷材料。

　　目前較為成熟的精密陶瓷材料加工工藝主要可分為力學(xué)加工、電加工、復(fù)合加工、化學(xué)加工、光學(xué)加工等五大類。。 　
　
　　精密陶瓷材料主要加工工藝

　　一、 切削加工

　　精密陶瓷材料的切削加工不僅適用于半燒結(jié)體陶瓷（陶瓷素坯）（陶瓷素坯），也適用于完全燒結(jié)體陶瓷。半燒結(jié)體陶瓷（陶瓷素坯）的切削加工是為了盡可能減少完全燒結(jié)體陶瓷的加工余量，從而提高加工效率，降低加工成本。國(guó)外的技術(shù)人員使用各種刀具在不同溫度下對(duì)Al2O3（氧化鋁陶瓷）陶瓷和氮化硅陶瓷（Si3N4）陶瓷半燒結(jié)體進(jìn)行了切削試驗(yàn)。試驗(yàn)中根據(jù)不同的加工要求，采用了干式切削與濕式切削等方法，獲得了有價(jià)值的研究成果。

　　國(guó)外一些研究者針對(duì)完全燒結(jié)體陶瓷的切削加工進(jìn)行了試驗(yàn)研究。國(guó)外的技術(shù)人員在使用聚晶金剛石刀具對(duì)Al2O3（氧化鋁陶瓷）陶瓷與氮化硅陶瓷（Si3N4）陶瓷進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，粗粒聚晶金剛石刀具在切削過(guò)程中磨損較小，加工效果較好；在使用金剛石刀具切削ZrO2氧化鋯陶瓷）陶瓷時(shí)，達(dá)到了類似于切削金屬時(shí)的效果。他們還探討了陶瓷塑性切削極限問(wèn)題，指出當(dāng)Al2O3（氧化鋁陶瓷）陶瓷的臨界切削深度apmax＝ 2μm時(shí)， SiC（碳化硅陶瓷）陶瓷的apmax＝ 1μm， 氮化硅陶瓷（Si3N4）陶瓷的apmax＝ 4μm( ap＞apmax時(shí)，精密陶瓷材料會(huì)產(chǎn)生脆性破壞；ap＜ apmax時(shí)，則為塑性流動(dòng)式切削)。美國(guó)的技術(shù)人員對(duì)單晶鍺進(jìn)行了一系列金剛石車削試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了脆性材料的塑性超精密車削，并提出了臨界切削厚度的計(jì)算公式。用金剛石刀具切削脆性材料并獲得高質(zhì)量的加工表面是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，通常稱為脆性材料的超精密車削加工。

　　二、 研磨、拋光加工

　　研磨、拋光加工是采用游離磨料對(duì)被加工表面材料產(chǎn)生微細(xì)去除作用以達(dá)到加工效果的一種超精加工工藝。在精密陶瓷材料的超精加工與光整加工中，特別是在用于陶瓷軸承的陶瓷球的精密加工中，研磨、拋光加工有著不可替代的位置。光學(xué)玻璃、藍(lán)寶石等光學(xué)材料，硅片、砷化鎵基片等半導(dǎo)體材料，Al2O3（氧化鋁陶瓷）陶瓷、氮化硅陶瓷（Si3N4）陶瓷等精密陶瓷材料的鏡面加工大多采用研磨、拋光加工工藝。從材料的去除機(jī)理上看，研磨加工是介于脆性破壞與彈性去除之間的一種加工工藝，而拋光加工基本上是在材料的彈性去除范圍內(nèi)進(jìn)行。研磨、拋光加工由于材料去除量小，加工效率低，一般只用于超精加工的最終工序。研磨、拋光加工的材料去除率與被加工材料的韌性有較大關(guān)系，韌性越高，加工效率越低。

　　三、 ELID磨削加工

　　ELID磨削加工技術(shù)是由國(guó)外技術(shù)人員于1987年提出的一種磨削新工藝，其基本原理是利用在線的電解作用對(duì)金屬基砂輪進(jìn)行修整，即在磨削過(guò)程中在砂輪和工具電極之間澆注電解磨削液并加以直流脈沖電流，使作為陽(yáng)極的砂輪金屬結(jié)合劑產(chǎn)生陽(yáng)極溶解效應(yīng)而被逐漸去除，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修整，并在加工過(guò)程中始終保持砂輪的鋒銳性。ELID（電解在線砂輪修整技術(shù)）磨削技術(shù)成功地解決了金屬基超硬磨料砂輪修整的難題，同時(shí)在線電解的微量修整作用使超細(xì)粒度砂輪在磨削過(guò)程中能保持鋒銳性，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超精密磨削創(chuàng)造了有利條件。

　　國(guó)外的技術(shù)人員使用＃8000(最大磨粒直徑約為 2μ m)鑄鐵基金剛石砂輪對(duì)硅片進(jìn)行磨削，獲得了最大表面粗糙度值為0.1μm的高精表面。使用青銅基砂輪對(duì)精密陶瓷材料進(jìn)行精密磨削也達(dá)到了相同的加工效果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用ELID（電解在線砂輪修整技術(shù)）磨削技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃等脆性材料實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削，磨削表面質(zhì)量與在相同機(jī)床條件下采用普通砂輪磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra值已達(dá)到納米級(jí)，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可達(dá)Ra0.012μm。這表明ELID（電解在線砂輪修整技術(shù)）磨削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料表面的超精加工，但加工過(guò)程中仍存在砂輪表面氧化膜或砂輪表面層的未電解物質(zhì)被壓入工件表面而造成表面層釉化及電解磨削液配比改變等問(wèn)題，有待于進(jìn)一步研究解決。

　四、 塑性法加工

　　傳統(tǒng)的材料去除過(guò)程一般可分為脆性去除和塑性去除兩種。在脆性去除過(guò)程中，材料去除是通過(guò)裂紋的擴(kuò)展和交叉來(lái)完成的；而塑性去除則是以剪切加工切屑的形式來(lái)產(chǎn)生材料的塑性流。對(duì)于金屬的加工，塑性切削機(jī)理很容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于脆性材料如工程陶瓷和光學(xué)玻璃等，采用傳統(tǒng)的加工工藝及工藝參數(shù)只會(huì)導(dǎo)致脆性去除而沒(méi)有顯著的塑性流，在超過(guò)強(qiáng)度極限的切削力作用下，材料的大小粒子發(fā)生脆性斷裂，這無(wú)疑將影響被加工表面的質(zhì)量和完整性。由加工實(shí)踐可知，在加工陶瓷等脆性材料時(shí)，可采用極小的切深來(lái)實(shí)現(xiàn)塑性去除，即材料去除機(jī)理可在微小去除條件下從脆性破壞向塑性變形轉(zhuǎn)變。超精加工工藝的最新進(jìn)展已可將加工進(jìn)給量控制在幾個(gè)納米，從而使脆性材料加工的主要去除機(jī)理有可能由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤?。塑性切屑變形過(guò)程可以顯著降低次表面(表層)破壞，這種硬脆材料的新型加工工藝稱為塑性法加工。

　　近年來(lái)，許多學(xué)者應(yīng)用金剛石磨削方法對(duì)脆性材料塑性方式磨削的理論和工藝、脆-塑性轉(zhuǎn)變、材料特性、切削力和其它參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究重點(diǎn)是被加工零件的塑性方式表面形成機(jī)理和幾何精度，其中包括相關(guān)機(jī)床和砂輪技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。1991年，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員首先采用四面體(Tetraform)結(jié)構(gòu)并應(yīng)用具有良好工程性的減振機(jī)理來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)，研制出世界上第一臺(tái)Tetraform－1型超精密磨床。用該磨床對(duì)陶瓷、硅片和單晶石英試件進(jìn)行了大量塑性磨削試驗(yàn)，獲得了高質(zhì)量的樣品，其特點(diǎn)是：

　　(1)可采用相對(duì)較大的切深(大至10μm)進(jìn)行加工；

　　(2)表面幾何形狀精度高，試件周圍幾乎沒(méi)有碾痕；

　　(3)機(jī)床可在無(wú)環(huán)境隔離條件下磨削高質(zhì)量試件；

　　(4)次表面破壞深度僅為傳統(tǒng)磨削的1%～2%，甚至小于拋光加工對(duì)光學(xué)元件的影響?！?br /> 　
　　五、 超聲加工

　　超聲加工是在加工工具或被加工材料上施加超聲波振動(dòng)，在工具與工件之間加入液體磨料或糊狀磨料，并以較小的壓力使工具貼壓在工件上。加工時(shí)，由于工具與工件之間存在超聲振動(dòng)，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷撞擊、拋磨被加工表面，加上加工區(qū)域內(nèi)的空化、超壓效應(yīng)，從而產(chǎn)生材料去除效果。超聲加工與其它加工工藝相結(jié)合，形成了各種超聲復(fù)合加工工藝，如超聲車削、超聲磨削、超聲鉆孔、超聲螺紋加工、超聲振動(dòng)珩磨、超聲研磨拋光等。

　　超聲復(fù)合加工方式較適用于精密陶瓷材料的加工，其加工效率隨著材料脆性的增大而提高。國(guó)外的技術(shù)人員對(duì)精密陶瓷材料的超聲磨削加工進(jìn)行了研究，使精密陶瓷材料的加工效率提高近一倍；他們?cè)趯?duì)Al2O3（氧化鋁陶瓷）陶瓷與ZrO2（氧化鋯陶瓷）陶瓷進(jìn)行加工時(shí)，在工具與工件上同時(shí)施加超聲振動(dòng)，從而使加工效率提高了2～3倍；在鉆頭上施以超聲振動(dòng)進(jìn)行深孔加工，大大提高了孔內(nèi)表面質(zhì)量與孔的圓度。在國(guó)內(nèi)，華北工學(xué)院辛志杰等人進(jìn)行了超聲振動(dòng)珩磨技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)出了超聲振動(dòng)珩磨裝置，其特點(diǎn)是研磨圓盤激發(fā)彎曲振動(dòng)(圓盤振動(dòng)頻率為20kHz，振幅約為15μm)，而珩磨桿和珩磨頭體均不振動(dòng)。對(duì)710鋼、鋁、鈦管等進(jìn)行的超聲振動(dòng)珩磨初步實(shí)驗(yàn)表明，加工效率明顯提高，并可獲得高精度、高表面質(zhì)量和具有高耐磨性的精密孔。此項(xiàng)技術(shù)在高效率光整加工陶瓷、光學(xué)玻璃等硬脆材料中具有很大潛力。

　　在研究用于陶瓷軸承的精密陶瓷球高效加工工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用超聲振動(dòng)研磨方法可提高加工效率和表面質(zhì)量。該方法是在傳統(tǒng)的球研磨機(jī)上，用兩個(gè)電致?lián)Q能器通過(guò)放大桿(縱向振動(dòng))在上研盤水平切線方向激勵(lì)不轉(zhuǎn)動(dòng)的上研盤，使上研盤產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，接觸研盤振動(dòng)頻率為21kHz，振幅為15μm。加工時(shí)，由于研盤與陶瓷球之間存在超聲振動(dòng)，迫使磨粒急劇轉(zhuǎn)動(dòng)，并以很大的速度和加速度不斷撞擊加工表面，從而產(chǎn)生快速去除材料的加工效果。此外，由于小直徑磨粒的劇烈跳動(dòng)，造成噴砂強(qiáng)化效果，對(duì)表面微細(xì)溝槽自成作用、粗糙表面的平滑以及產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力都有促進(jìn)作用。
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