高精度陶瓷球材料結(jié)構(gòu)概念的理論與應(yīng)用研究*

汪文忠

(浙江省陶瓷工業(yè)協(xié)會(huì) 杭州 310004)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 典型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

目前陶瓷的應(yīng)用前景廣闊，主要分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷。功能陶瓷的主要用途是利用材料的磁、電、光、生物的耦合特性，實(shí)現(xiàn)特定功能。結(jié)構(gòu)陶瓷材料是指具有耐高溫抗磨的陶瓷，可作為高性能機(jī)械結(jié)構(gòu)零件，本文提到的用于制造高精度陶瓷球的陶瓷材料屬于此類。

合成陶瓷材料的商業(yè)研究開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，我國起步較晚，始于20世紀(jì)70年代。在使用助燒劑的同時(shí)，材料中的氣孔無法完全消除。針對這一特點(diǎn)的研究是個(gè)研究熱點(diǎn)。當(dāng)然相對的高價(jià)位，也是限制其快速發(fā)展的一個(gè)重要原因。

1.2 陶瓷球研磨成球原理與研磨條件

1.2.1 陶瓷球研磨成球原理

球面加工過程實(shí)際就是一個(gè)漸進(jìn)的被加工成理想球面的過程。理想球體，它的每個(gè)截面都是一個(gè)正圓。首先給研磨器具一個(gè)繞Z軸自轉(zhuǎn)的角速度∞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對球面區(qū)域的研磨加工。被加工球體也會(huì)在磨盤的帶動(dòng)下以一定的自轉(zhuǎn)角速度自轉(zhuǎn)，球體與研磨器具的接觸區(qū)域就會(huì)實(shí)時(shí)變化。研磨器具的研磨跡線對被加工球體實(shí)現(xiàn)全包絡(luò)和實(shí)現(xiàn)均勻包絡(luò)是獲得高形狀精度的球體的前提條件。

陶瓷球研磨成球如下兩種條件：

1.2.2 研磨條件

1.2.2.1 切削的等概率性

對于被加工的每個(gè)點(diǎn)在球面上都有相同的加工概率。

1.2.2.2 尺寸選擇性

磨大球，或少磨小球；磨長軸方向，不磨或少磨短軸方向。

1.3 陶瓷球的研磨方式

各研磨加工方式在很大程度上，決定著加工成球的質(zhì)量，所以研磨加工方式對陶瓷球的影響是十分重要的。研磨加工方式對切削等概率性和尺寸選擇性的符合程度越高，球的合格率就越高。陶瓷球的研磨加工方式還是沿用了傳統(tǒng)的鋼球加工方式，分為V形槽研磨和自轉(zhuǎn)角主動(dòng)控制，磁流體研磨和四研具研磨加工方式。

1.4 陶瓷球材料性能與表面質(zhì)量的研究現(xiàn)狀

陶瓷球材料是高精度球體成球的首要保證。陶瓷材料性能的高低是生產(chǎn)原料、制備技術(shù)的共同作用結(jié)果，不同的原料和制備技術(shù)對陶瓷材料性能的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大差異。物理性能是時(shí)下陶瓷球材料性能的主要研究熱點(diǎn)。

2 考慮材料結(jié)構(gòu)特性及其強(qiáng)度準(zhǔn)則及模型

材料結(jié)構(gòu)性在宏觀上主要由3個(gè)因素決定：結(jié)構(gòu)的臨界強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度和幾何形態(tài)變化。但這3個(gè)因素又受制于材料的微觀結(jié)構(gòu)，所以材料的微觀形態(tài)是最終決定材料結(jié)構(gòu)性的因素。

2.1 宏觀材料結(jié)構(gòu)特性

該描述理論的材料全狀態(tài)函數(shù)，是材料結(jié)構(gòu)的臨界強(qiáng)度，能較為全面地反映材料的基本性能的一種方法。結(jié)構(gòu)臨界強(qiáng)度的變化規(guī)律是其重要基礎(chǔ)。這一關(guān)系反映出以下兩方面含義：

1)經(jīng)典理論意義上的材料強(qiáng)度曲面具有局部性和特定性。

2)材料各結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的強(qiáng)度特性，就構(gòu)成了材料全狀態(tài)函數(shù)從整體上、結(jié)構(gòu)變化，其他全部可能性上和結(jié)構(gòu)變化的路徑，反映了材料強(qiáng)度的宏觀特性。

2.2 結(jié)構(gòu)性材料模型的選用和強(qiáng)度準(zhǔn)則

筆者選用顆粒結(jié)構(gòu)材料模型進(jìn)行分析以利于討論上的方便。假設(shè)材料的顆粒之間均勻分布，各顆粒間強(qiáng)度分布的概率是均衡的，構(gòu)成簡單的結(jié)構(gòu)關(guān)系。壓強(qiáng)度和平行切平面的剪切強(qiáng)度在整個(gè)統(tǒng)計(jì)域中是隨機(jī)均勻分布的。

3 陶瓷球材料結(jié)構(gòu)性的描述理論及模型

3.1 宏觀材料結(jié)構(gòu)特性的描述理論

材料全狀態(tài)函數(shù)理論是描述材料結(jié)構(gòu)的臨界強(qiáng)度、剛度和幾何形態(tài)變化的規(guī)律。

3.2 結(jié)構(gòu)性材料的模型

分析結(jié)構(gòu)性材料的特征，以發(fā)現(xiàn)微觀或細(xì)觀層面上，材料具有很強(qiáng)的不均勻性。

4 結(jié)語

高精度陶瓷球作為陶瓷球軸承的重要組成元件，市場的需求每年增多，然而國內(nèi)高精度陶瓷球的生產(chǎn)能力較弱，很難滿足市場需求。筆者對陶瓷球材料性能和球體表面質(zhì)量的研究與評價(jià)，意在促進(jìn)陶瓷球加工和生產(chǎn)的技術(shù)推進(jìn)，材料性能的研究方面以氮化硅陶瓷材料為主，通過對幾種類型度準(zhǔn)則的分析，可以發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度的形式與經(jīng)典彈理論完全一致。結(jié)構(gòu)簡單的材料只是結(jié)構(gòu)性復(fù)雜材料的特例。尤其是20世紀(jì)80年代美國、日本、瑞士等國家爭先對其性能成分摻雜相結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)做了充分研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了大量的實(shí)用器件。

1 黃傳真,楊為清,艾興.新型陶瓷軸承研究的現(xiàn)狀與展望.中國陶瓷工業(yè),1999,6(2):25～27

2 王國強(qiáng),王玉金.高速數(shù)控機(jī)床主軸用陶瓷軸承的研究進(jìn)展.軸承,2003(9):49～51

3 俞茂宏.工程強(qiáng)度理論.北京:高等教育出版社,1997

4 鄭穎,仁沈球,江龔曉.南巖土塑性力學(xué)理論.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002

5 Zhen Yingren,Shen Zhujiang,Gong Xiaonan.Geotechnical plastic mechanics.China Architecture & Building Press,2002(9):12～15

6 劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù).北京:中國電力出版社, 2010

7 盧啟柱,劉豐, 蘆鑫,等.有源型光纖電流互感器的研究.光通信技術(shù), 2009(6):54～56