陶瓷材料機(jī)加工工藝參數(shù)的優(yōu)選

黃愛華，王強(qiáng)

(1.江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西萍鄉(xiāng)337055;2.井岡山大學(xué)，江西吉安343009;3.吉安市仿生包裝工程技術(shù)研究中心，江西吉安343009)

近年來，隨著陶瓷材料的迅猛發(fā)展，它在工業(yè)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時也對其性能和加工質(zhì)量提出了更高的要求。陶瓷材料的硬脆性及良好的耐磨性、耐腐蝕性、電絕緣性等特性，導(dǎo)致機(jī)械加工難度大、成本高，而且會導(dǎo)致陶瓷零件的強(qiáng)度下降，從而限制了陶瓷材料的使用［1］。研究質(zhì)量好、效率高、成本低的機(jī)加工技術(shù)，將促進(jìn)陶瓷材料在各領(lǐng)域應(yīng)用的深入［2］。陶瓷材料是典型的硬脆難加工材料，改善陶瓷零件機(jī)加工質(zhì)量的方法，主要是合理選擇加工工藝參數(shù)、改善材料加工性能、優(yōu)化設(shè)計材料顯微結(jié)構(gòu)。其中，機(jī)加工工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇最為重要，也是效果好、成本低的方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

應(yīng)用表面響應(yīng)法［3］，擬合響應(yīng)面模型，確定影響陶瓷材料機(jī)加工性能的主要因素，優(yōu)化機(jī)加工工藝參數(shù)。采用回歸方程擬合實(shí)驗(yàn)因素和響應(yīng)面之間的函數(shù)關(guān)系，將多元回歸分析、最小二乘法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計相結(jié)合，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)和過程設(shè)計，對回歸方程進(jìn)行分析即可得到最佳的加工工藝參數(shù)組合［1，4］。

1.1 一階響應(yīng)面模型

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計基礎(chǔ)上，建立設(shè)計變量與產(chǎn)品響應(yīng)量的函數(shù)關(guān)系，即為響應(yīng)面模型。一階響應(yīng)面模型就是線性響應(yīng)面模型，也就是響應(yīng)量(即輸出特性)Y 和實(shí)驗(yàn)因素X 間的函數(shù)關(guān)系與線性函數(shù)近似。

設(shè)有n 個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)因素Xi(i = 1，2，…，n)，它與響應(yīng)量Y 之間呈線性函數(shù)關(guān)系:

Y=β0+β1X1+…+βnXn+ε

式中:β0，β2，…，βn為待定系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法來估算;

ε 為擬合誤差，是一個隨機(jī)噪聲因素，服從正態(tài)分布。

1.2 二階響應(yīng)面模型

在許多情況下，響應(yīng)量與影響因素之間的關(guān)系并不是線性函數(shù)關(guān)系，而是復(fù)雜的非線性關(guān)系如二階模型，這就要用響應(yīng)曲面法來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

假設(shè)Xi∈R，其中R 是實(shí)驗(yàn)因素Xi所允許的范圍，則二階響應(yīng)曲面的模型為:

式中:β0，β1，…，βn，β11，β12，…，βnn通過最小二乘法估算得到，再通過方差分析和F 檢驗(yàn)確定模型的可行性。

通過優(yōu)化理論找出響應(yīng)面輸出最大值，即為最優(yōu)的工藝參數(shù)值。

2 刀具

硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度是高速鋼刀具的3倍。在同等條件下加工陶瓷材料，硬質(zhì)合金鋼刀具的磨損量比高速鋼刀具的磨損量要少得多［5］，其磨損量的比較見圖1所示。加工陶瓷材料時，應(yīng)優(yōu)先選用硬質(zhì)合金刀具［6］。

幾何角度是刀具切削部分幾何形狀的重要參數(shù)，直接影響陶瓷機(jī)加工的質(zhì)量以及切削的穩(wěn)定性［7］。

圖1 硬質(zhì)合金與高速鋼刀具的磨損量比較

2.1 前角

在刀具的幾何參數(shù)中，前角對切削力的影響最大。前角增大，切削變形與摩擦力減小，切削力相應(yīng)減小，即切削力隨著刀具前角的增大而減小。陶瓷是典型的脆性材料，塑性變形小，形成的切屑屬于崩碎狀，前角的作用不顯著。為了保護(hù)刀刃，提高刀頭強(qiáng)度，應(yīng)取較小的刀具前角。

2.2 后角

后角的主要作用是減小刀具后刀面與加工表面的摩擦，刀具前角確定后，后角的大小和刀刃的鋒利程度成正比，也影響刀刃的散熱，從而影響刀具的耐用度。后角的大小，關(guān)系到后刀面與工件間的摩擦、切削刃的銳利程度等，但后角太大將使刀刃強(qiáng)度和傳熱能力減小。

加工陶瓷材料時，通常根據(jù)背吃刀量來選擇后角。粗加工時，背吃刀量大、進(jìn)給量大，后角取小值;精加工時，背吃刀量小、進(jìn)給量大，后角取大值。陶瓷材料的強(qiáng)度、硬度高，為加強(qiáng)切削刃，一般采用較小后角。

2.3 主偏角

采用大的主偏角，能夠有效減小切削力，但會降低刀具耐用度，也使得加工表面粗糙度變差。加工陶瓷材料時，為改善刀頭散熱條件及強(qiáng)度，降低切削溫度、提高刀具耐用度，獲得較好的零件表面粗糙度，應(yīng)選用較小的主偏角、較大的刀尖圓弧半徑，在靠近刀尖處設(shè)置一個過渡刃。

3 背吃刀量

根據(jù)機(jī)加工條件和陶瓷零件的加工要求，選擇合理的切削用量(背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度)，對于提高機(jī)加工生產(chǎn)率和刀具耐用度、保證加工質(zhì)量、防止陶瓷零件脆性斷裂極其重要。在刀具材料相同的條件下，背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度的取值不是由某一個因素決定的，應(yīng)綜合考慮陶瓷零件的加工方式、加工工藝要求和零件材料特性等因素，優(yōu)化得到最佳值。

背吃刀量對加工質(zhì)量及刀具耐用度影響較小，如果刀具耐用度為定值，要保證最高的生產(chǎn)率即金屬切除率最大，顯然應(yīng)該首先盡量選擇大的背吃刀量。粗加工的背吃刀量根據(jù)工序余量而定，除留下后續(xù)工序余量外，粗加工余量盡量一次加工完成，以使走刀次數(shù)最少。

通過正交試驗(yàn)，得到加工陶瓷材料背吃刀量的優(yōu)化值為:粗車外圓1.5 ～4 mm，精車外圓0.02 ～0.1 mm;鉆削深度9.5 mm。

4 進(jìn)給量

確定背吃刀量后，根據(jù)機(jī)床動力和工藝系統(tǒng)的剛性或零件加工表面粗糙度的要求，盡量選擇大的進(jìn)給量。進(jìn)給量是影響加工零件表面粗糙度的主要因素，太大會造成零件加工表面質(zhì)量下降，要提高表面質(zhì)量必須采用較小的進(jìn)給量［8］。粗加工時，進(jìn)給量的選擇受切削力的限制，在工藝系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度允許的情況下選擇較大的進(jìn)給量;半精加工和精加工時，進(jìn)給量的值比粗加工時小，產(chǎn)生的切削力不大，故進(jìn)給量主要受到零件表面粗糙度要求的限制，一般選較小值。進(jìn)給量和表面粗糙度的關(guān)見圖2。

切削陶瓷材料時，若進(jìn)給量大于0.228 6 mm/r，零件加工表面會出現(xiàn)嚴(yán)重破裂。通過正交試驗(yàn)，得到加工陶瓷材料進(jìn)給量優(yōu)化值為:粗車外圓時0.15 m/r，精車外圓時0.06 mm/r;鉆削時0.3 mm/r。

圖2 進(jìn)給量和表面粗糙度的關(guān)系

5 切削速度

根據(jù)選擇切削用量的基本原則，應(yīng)該在背吃刀量和進(jìn)給量確定后，再根據(jù)刀具耐用度選擇切削速度。切削速度是影響機(jī)加工性能的主要因素，切削速度對切削力的影響呈馬鞍形變化，切削速度與刀具磨損的關(guān)系見圖3所示。

圖3 切削速度對刀具磨損的影響

切削陶瓷時，應(yīng)采用低的切削速度。一般僅為鑄鐵切削速度的一半，這樣零件及刀具的溫度較低，可避免加工表面裂紋［9］。正交試驗(yàn)得到的切削速度優(yōu)化值為:粗車外圓15 m/min，精車外圓10 m/min;鉆削速度10 m/min。

6 結(jié)束語

陶瓷材料的切削加工過程和金屬材料有著明顯的不同［10］，但只要合理選擇加工方法、刀具、切削用量、冷卻方法，優(yōu)化工藝參數(shù)，采用普通刀具和傳統(tǒng)機(jī)械加工方法進(jìn)行陶瓷材料的切削加工，完全有可能達(dá)到工藝簡單、效率高的加工效果。

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【3】陳品，吳兆華，黃紅艷，等.表面響應(yīng)法在埋置型大功率多芯片微波組件熱布局中的應(yīng)用研究［J］.電子質(zhì)量，2001(1):40－43.

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【5】馬廉潔.可加工陶瓷切削加工的實(shí)驗(yàn)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2004:24－26.

【6】GROSSMAN D G.Machining a Machinable Glass-ceramic［J］.American Machinist，1978(5):139－142.

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【10】鐘利軍，于愛兵，劉家臣，等.可加工陶瓷材料的機(jī)械加工技術(shù)［J］.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2003(2):41－45.