氧化鋁陶瓷的孔加工質(zhì)量分析

吳文濤

摘 要 針對(duì)燒結(jié)金剛石鉆頭加工氧化鋁陶瓷出現(xiàn)裂紋及崩豁現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了預(yù)緊力工藝裝置，通過(guò)加工測(cè)試和比較計(jì)算，發(fā)現(xiàn)施加預(yù)緊力有助于改善氧化鋁陶瓷的孔加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 燒結(jié)金剛石鉆頭；氧化鋁陶瓷；預(yù)緊力；孔加工

0 前 言

氧化鋁陶瓷具有硬度高、強(qiáng)度高和耐高溫等優(yōu)異性能，廣泛運(yùn)用于化工、礦業(yè)、航空航天、汽車和微電子等工業(yè)領(lǐng)域。在加工過(guò)程中，陶瓷材料常需要進(jìn)行鉆孔和開(kāi)槽等工序，而氧化鋁陶瓷具有較高的硬度及較低的斷裂韌性，是典型的難加工材料。本文采用燒結(jié)金剛石鉆頭對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行磨削鉆孔，通過(guò)施加預(yù)緊力的工藝裝置較大程度地減小孔出口的崩豁和裂紋，從而改善孔加工質(zhì)量，獲得最優(yōu)預(yù)緊力及其理想范圍。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用燒結(jié)金剛石鉆頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由工作層、過(guò)渡層和金屬基體等三部分組成。工作層為金剛石磨粒與金屬結(jié)合劑混合的壓制層，金剛石磨粒包裹于結(jié)合劑中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的磨削；過(guò)渡層由結(jié)合劑粉末組成，不包含金剛石，牢固連接基體與工作層；基體由45#鋼經(jīng)機(jī)械加工而制成，起支撐工作層的作用，同時(shí)便于裝卡工具。燒結(jié)金剛石鉆頭工作層高度為6 mm，外徑為20 mm，內(nèi)徑為16 mm，水口數(shù)為2個(gè)，金剛石粒度為50/60（直徑為250 μm），金剛石磨粒的濃度為50%（0.44g/cm3，400%濃度制）。

試驗(yàn)采用的氧化鋁陶瓷工件為正方形，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5wt%，斷裂韌性為3.9 MPa·m1/2，維氏硬度為26GPa，工件厚度為10 mm。

在ZXL-20型鉆銑床上進(jìn)行試驗(yàn)，其額定功率為750 W，加工時(shí)采用水冷卻，冷卻液壓力為0.3 MPa，冷卻液流量為120 cc/s。

1.2預(yù)緊力工藝裝置

針對(duì)鉆頭加工氧化鋁陶瓷出現(xiàn)的裂紋及崩豁現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了由上壓板、上墊板、下墊板及夾具體組成的預(yù)緊力工藝裝置，裝置示意圖見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)采用的墊板材料為PVC硬塑料板，其彈性模量為2 300～2 500 MPa，厚度為2 mm。采用M12粗牙普通螺紋螺栓實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，通過(guò)測(cè)力矩扳手?jǐn)Q緊力矩來(lái)控制預(yù)緊力的大小，觀察氧化鋁陶瓷的孔加工質(zhì)量，選擇最優(yōu)預(yù)緊力。

2 結(jié)果分析

氧化鋁陶瓷在鉆孔過(guò)程中，出口處容易發(fā)生崩豁現(xiàn)象，其形狀類似圓錐體，因此選擇圓錐體的擴(kuò)口圓直徑D與孔徑D0的比值l（l=D/D0，崩豁比）和錐體高H（崩豁深度），作為不同預(yù)緊力條件下孔加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)參數(shù)見(jiàn)圖3。相同軸向壓力及主軸轉(zhuǎn)速條件下，崩豁比及崩豁深度小，說(shuō)明此預(yù)應(yīng)力條件下孔加工質(zhì)量好；崩豁比及崩豁深度大，則說(shuō)明此預(yù)應(yīng)力條件下孔加工質(zhì)量差。為了減小試驗(yàn)誤差，測(cè)量多點(diǎn)取平均值。試驗(yàn)前使用氧化鋁砂輪對(duì)燒結(jié)金剛石鉆頭的唇面進(jìn)行磨削開(kāi)刃，確保鉆頭處于正常工作狀態(tài)度。

在試驗(yàn)條件下，預(yù)緊力的大小設(shè)置為12 800～16 800N。軸向壓力設(shè)置為750N，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 600 r/min。

圖4a和圖4b顯示了不同預(yù)緊力對(duì)崩豁比和崩豁深度的影響。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)預(yù)緊力不斷增大時(shí)，氧化鋁陶瓷的崩豁比和崩豁深度不斷減小，孔加工質(zhì)量越來(lái)越好，這是因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中，燒結(jié)金剛石鉆頭對(duì)陶瓷工件底部未鉆削的一層陶瓷材料具有擠壓作用，使其發(fā)生拉伸破壞現(xiàn)象，當(dāng)預(yù)緊力不斷增大，將會(huì)不斷平衡未鉆削陶瓷材料受到的拉伸應(yīng)力，孔出口的崩豁程度逐漸減小，從而降低了陶瓷孔口的崩豁比和崩豁深度，獲得了較好的孔加工質(zhì)量；但是當(dāng)預(yù)緊力增大至15 200N時(shí)，崩豁比和崩豁深度降低幅度較小，這是由于鉆頭對(duì)陶瓷工件底部最后一層陶瓷材料不斷地鉆削深入，鉆頭對(duì)陶瓷工件最后一層陶瓷材料產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力逐漸增大，但是此時(shí)預(yù)緊力的增量幅度難以完全平衡最后一層陶瓷材料所受的拉伸應(yīng)力，只能繼續(xù)逐漸小幅降低陶瓷工件出口處的崩豁比和崩豁深度，孔出口的加工質(zhì)量改善幅度不是特別明顯。

為降低崩豁比和崩豁深度，分別施加18 400N及20 000N的預(yù)緊力，結(jié)果顯示當(dāng)預(yù)緊力為18 400N時(shí)，其崩豁比和崩豁深度的大小與預(yù)緊力為16 800N時(shí)的大小基本沒(méi)有變化，即孔加工質(zhì)量基本沒(méi)有變化；而當(dāng)預(yù)緊力為20 000N時(shí)，氧化鋁陶瓷發(fā)生破碎現(xiàn)象，這主要是由于試驗(yàn)時(shí)預(yù)緊力裝置的預(yù)緊采用普通螺紋螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)，螺紋螺栓與氧化鋁陶瓷材料不能保持完全垂直的方向，所以在施加預(yù)緊力時(shí)容易對(duì)氧化鋁陶瓷產(chǎn)生彎矩，當(dāng)預(yù)緊力增大時(shí)，彎矩也會(huì)增大，當(dāng)彎矩增大至一定范圍時(shí)就會(huì)使氧化鋁陶瓷產(chǎn)生破碎現(xiàn)象。因此，在試驗(yàn)條件下，考慮到試驗(yàn)的安全性以及施加預(yù)緊力的可操作性，預(yù)緊力為15 200～16 800N時(shí)，使用燒結(jié)金剛石鉆頭加工氧化鋁陶瓷時(shí)產(chǎn)生的崩豁比和崩豁深度較小，獲得的孔加工質(zhì)量較好，且最優(yōu)預(yù)緊力為16 000N。

3 結(jié) 語(yǔ)

施加預(yù)緊力有助于改善氧化鋁陶瓷的孔加工質(zhì)量，預(yù)緊力15 200～16 800N時(shí)，孔的崩豁程度較小，孔加工質(zhì)量較好，最優(yōu)預(yù)緊力為16 000N。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]宋月清，劉一波.人造金剛石工具手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社.2014.

[2]北京第一通用機(jī)械廠編.機(jī)械工人切削手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1983.

[3]于愛(ài)武.機(jī)械加工工藝編制[M].北京：北京大學(xué)出版社.2010.