可加工陶瓷機械加工技術(shù)探析

梁新源

摘 要：作為最重要的非金屬材料之一，陶瓷材料被廣泛使用到各個行業(yè)中，其加工技術(shù)也日益受到人們的重視。本文就陶瓷材料的幾種常見加工方式作了詳細(xì)介紹，同時對它的現(xiàn)況和發(fā)展趨勢進(jìn)行了探究，以供參考。

關(guān)鍵詞：陶瓷材料；可加工陶瓷；機械加工

引言

陶瓷材料是一種具有硬度高、熔點高、抗氧化、耐磨性高等特點的無機非金屬材料，通過高溫?zé)Y(jié)人工合成形成。目前已被廣泛用在機械制造、航空行業(yè)、石化行業(yè)、核工業(yè)、生物行業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，也可作為功能材料使用。陶瓷材料種類繁多，大致上可以分為普通材料和特種材料兩大類。前者由天然原材料燒結(jié)而成，具有易獲得、成本低、技術(shù)成熟等特點；后者為人工合成化合物燒結(jié)而成。根據(jù)使用場合不同，特種材料又可分為工具陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷等。

在常溫狀態(tài)下，能夠使用金屬加工刀具和器械進(jìn)行鉆孔、車削、銑刨等加工，并能保持一定尺寸公差的一類陶瓷材料稱為可加工陶瓷。

1.陶瓷材料的加工機理

陶瓷材料現(xiàn)有的加工方法主要有機械加工、化學(xué)加工、電加工、超聲波加工、激光加工、高壓磨料水射流加工以及各種復(fù)合加工等，其中，機械加工作為最傳統(tǒng)的加工技術(shù)，被各行業(yè)廣泛使用。

陶瓷材料的加工機理研究最開始是從理論和試驗上研究陶瓷材料的壓痕斷裂現(xiàn)象。從上世紀(jì)70年代開始，各種壓痕斷裂理論取得了極大進(jìn)展；在試驗方面，研究人員通過電子、光學(xué)顯微鏡方法等研究陶瓷材料加工過程中裂紋的擴展情況，比較著名的有張壁等人的單金剛石磨粒的加工實驗，進(jìn)一步解釋了陶瓷材料的去除機理。在此之后，對陶瓷加工機理的研究更偏向模擬的方法，例如有限元法，分子動力學(xué)，離散元法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。

2.陶瓷機械加工技術(shù)

2.1陶瓷材料的車磨削加工技術(shù)

陶瓷材料的車磨削加工技術(shù)具有工藝簡單，效率高優(yōu)點，但陶瓷材料的硬度和脆度都遠(yuǎn)高于金屬材料，因此難以加工成復(fù)雜形狀，高精度尺度，低表面粗糙度的陶瓷工具。

考慮到以上幾個加工難點，針對陶瓷材料進(jìn)行壓痕實驗，結(jié)果顯示如果有恰當(dāng)?shù)慕饎偸毒咔邢鲄?shù)和切削角度，也能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷材料的深度加工。李湘釩超精密車削陶瓷材料的實驗、日本的原昭夫聚金剛石刀具車削實驗都表明采用 W-Co 類硬質(zhì)合金可以加工陶瓷零件。因此，刀具的選擇至關(guān)重要，目前主要采用金剛石刀具，此外，刀具角度，切削液，如何優(yōu)化切削速度、進(jìn)給量等工藝參數(shù)，也對陶瓷材料車削加工影響巨大。

由于車削加工缺點造成其不能廣泛用于加工陶瓷材料，而磨削能避免加工高硬材料的缺點，因此磨削成為加工陶瓷材料的主要手段。一般選用金剛石砂輪，其磨粒切入工件，其切削刃前方材料受到擠壓，超過承受極限就會形成碎屑；磨粒下方材料會發(fā)生塑性流動，形成切屑，而切削會加重砂輪的磨損，導(dǎo)致加工效率降低。

在機械加工過程中，常常發(fā)生陶瓷材料的強度下降，影響材料的使用性能。例如，普通SiC陶瓷和復(fù)相YAG/SiC陶瓷磨削前后的彎曲強度明顯降低，前者的表面中位裂紋深度為15μm，后者的加工損傷較小。因此，YAG/SiC陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計可成為一種提高材料可加工性，而不犧牲強度和韌性的有效途徑。

2.2陶瓷材料的電火花加工技術(shù)

電火花加工能對電阻率小于100 cm的陶瓷材料進(jìn)行高效率、低成本的加工。由于陶瓷材料是非金屬材料，不同于其他導(dǎo)電材料，其電火花加工技術(shù)也有所不同，不能直接照搬常用的電火花加工理論來解釋陶瓷材料的電火花加工。目前技術(shù)比較成熟的電火花加工陶瓷材料有切割和成型兩種。

陶瓷材料的電火花加工技術(shù)原理如下：電火花加工時，工件和電極絲兩端分別連接脈沖電源正負(fù)極，工件不斷進(jìn)給，工件端部和電極絲之間的電場強度不斷增大，當(dāng)達(dá)到介質(zhì)的擊穿強度時，兩級產(chǎn)生火花，開始放電，并且會瞬間達(dá)到高溫高壓，使工件的表面熔化、汽化，乃至升華、熱剝離整體顆粒移除等。

2.3陶瓷材料的激光加工技術(shù)

陶瓷材料具有高硬度、高脆性、高熔點等特點使其難進(jìn)行進(jìn)一步的機械加工。采用激光加工技術(shù)，可以提高陶瓷材料的加工效率。激光加工技術(shù)具有切縫窄，光-熱轉(zhuǎn)換快等特點，可以在陶瓷材料的切割方面獲得特殊的運用，例如可以實現(xiàn)一些精密加工。

激光技術(shù)屬于不接觸式、無摩擦力加工，具有能量密度大，能加工一些特殊型面等優(yōu)點，在工程陶瓷材料加工方面體現(xiàn)出強大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

激光加工陶瓷時，以高能量、高密度的激光束為熱源，光能被陶瓷材料表面吸收，迅速轉(zhuǎn)換成熱能，陶瓷材料的局部溫度瞬時升高，材料在液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)之間發(fā)生相變，將多余材料去除。

如果需要完成不同的加工內(nèi)容，可以在加工時改變激光的參數(shù)，例如掃描速度和激光功率，激光參數(shù)在激光加工中的作用至關(guān)重要，只有掌握了各個參數(shù)的功能，才能正確進(jìn)行正確加工。

3.陶瓷材料加工技術(shù)的改進(jìn)

3.1車磨削加工技術(shù)參數(shù)的改進(jìn)

雖然機械加工的工藝簡單，效率高，但難以加工較復(fù)雜、高精度的陶瓷材料部件。而且陶瓷材料與金屬材料的車磨削加工過程有著明顯區(qū)別，硬、脆仍然給陶瓷材料的加工帶來很大程度上的困擾，因此需要對加工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。對于車削加工陶瓷材料，可以采用金剛石刀具或涂層刀具，將會大大改善加工效果。多晶金剛石刀具難以產(chǎn)生光滑鋒利的切削刃，一般只用于粗加工；而天然單晶金剛石刀具可以應(yīng)用與陶瓷材料的精密車削，且采用微切削方式，但需要注意在加工過程中需要留意刀具的磨損情況。

陶瓷材料最重要的加工方法就是磨削加工。首先，可以在處理磨屑方面做出改進(jìn)：采用冷卻液不僅能起到?jīng)_洗磨屑的作用，還可以對工件和刀具進(jìn)行冷卻處理，減少砂輪的磨損；其次，砂輪材料的選擇也影響陶瓷材料的加工：一般選擇高強度、高效率、難堵塞、鋒利的鑄鐵結(jié)合劑；最后，需要通過改進(jìn)金剛石磨粒的大小來改善加工表面的質(zhì)量，選擇越小的磨粒，得到的表面粗糙度越低。

3.2多種加工技術(shù)綜合使用

由上文可知，由于陶瓷材料自身結(jié)構(gòu)的特殊性，每種加工方式都存在著一定的缺陷。在這些基本的加工方式之外，多種加工技術(shù)的綜合使用，即復(fù)合加工，可以揚長避短，更加有效的加工陶瓷材料，達(dá)到預(yù)期效果。

多種技術(shù)綜合使用一般具有較好的加工質(zhì)量，是當(dāng)前機械加工技術(shù)發(fā)展趨勢之一。目前陶瓷材料復(fù)合加工的方法有很多，如電火花磨削、 磁力磨削、超聲機械磨削、電解電火花線切割、 超聲電火花復(fù)合加工和充氣電解放電復(fù)合加工等。這些復(fù)合加工方法可以在加工效率和加工質(zhì)量上獲得很大的改進(jìn)，因此是解決陶瓷材料加工問題最有力的途徑。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，更多的復(fù)合加工方式也會不斷被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用到實踐當(dāng)中來，陶瓷材料的加工將不再成為困擾人們的問題。

4.總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從傳統(tǒng)加工到新型加工再到復(fù)合加工最后到特種加工，加工方法也發(fā)生了質(zhì)的改變。人們不再受限于金屬材料，而將研究重心轉(zhuǎn)向非金屬材料。本文從陶瓷材料的傳統(tǒng)機械加工方法到包括電火花技術(shù)和激光技術(shù)的特種加工技術(shù)，深度解析了陶瓷材料的各種加工方法，使得陶瓷材料的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴大，對陶瓷材料的發(fā)展注入了新的動力，有著十分重要的意義。

近年來，隨著新型磨削方式的出現(xiàn)，陶瓷材料去除機理的研究有了很大的發(fā)展，為陶瓷材料的進(jìn)一步發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。由此可見，陶瓷加工技術(shù)的研究方向主要可以分為兩個方面：①對現(xiàn)有的加工方法進(jìn)行改進(jìn)和深化，使其更加成熟，在實際操作過程中總結(jié)經(jīng)驗，獲得更好的參數(shù)指標(biāo)，優(yōu)化加工過程，提高加工質(zhì)量和加工效率；②研發(fā)新的加工技術(shù)，特別是新的復(fù)合加工技術(shù)，例如電火花機械、超聲波機械復(fù)合等。

由此可以預(yù)見，在未來一段時間內(nèi)，陶瓷材料的發(fā)展將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期，其加工方法會更加成熟，加工質(zhì)量會更加令人滿意，應(yīng)用范圍甚至可以推廣到其他非金屬材料，為人們的生活帶來更多方便。

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