加工過程中磨具對氧化鋯表面性能的影響

王錦

摘 ?要 ?本文主要介紹了氧化鋯陶瓷加工常用磨具的種類及其特性，對實際加工過程中可能出現(xiàn)的加工缺陷進行了分析，為氧化鋯陶瓷工件的加工提供參考。

關(guān)鍵詞 ?氧化鋯陶瓷;磨具;加工缺陷

0 ?前 ?言

氧化鋯陶瓷材料是近年來發(fā)展迅速的一種新型工程材料，它具有重量輕、硬度高、強度高、膨脹系數(shù)低、耐磨、耐高溫、耐腐蝕和化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在能源、航天、計算機、機械制造等領(lǐng)域逐漸顯示出其廣闊的應(yīng)用前景。在1 170 ℃時單斜晶型氧化鋯轉(zhuǎn)化為四方晶型，2 370 ℃時四方晶型氧化鋯轉(zhuǎn)化為立方晶型，并且這個過程是可逆的，這種結(jié)構(gòu)和性能的轉(zhuǎn)變是氧化鋯作為新型工程材料發(fā)展和應(yīng)用的依據(jù)。四方晶型的穩(wěn)定氧化鋯具備良好的力學性能，是氧化鋯陶瓷工程應(yīng)用的最好形態(tài)，主要用于制造發(fā)動機和燃氣輪機的零部件、渦輪葉片、軸承零部件、砂磨機配件、航天器噴嘴、人工牙床、人工關(guān)節(jié)、醫(yī)用工具、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、印刷機配件、閥門、活塞、刀具、密封件以及軍事應(yīng)用等。但是氧化鋯材料的優(yōu)良特性也給加工帶來了很大的不便，給加工帶來一些難度特點：較高的硬度和脆性、斷裂韌性差、彈性極限和材料強度接近。所以，選擇合適的加工工具、探究合適的加工方法，以此得到形態(tài)良好的氧化鋯加工成型面，對于氧化鋯陶瓷的運用和進一步發(fā)展有重要意義。

1 ?氧化鋯陶瓷加工用磨具

由于氧化鋯陶瓷在高溫燒成時存在12%～20%的燒結(jié)收縮和一定程度的燒結(jié)變形，燒結(jié)后的氧化鋯產(chǎn)品尺寸和表面光潔度很難達到要求的精度，現(xiàn)在一般采用金剛石磨具磨削的方法將燒結(jié)后的氧化鋯材料加工成尺寸精度和表面光潔度都達標的零件。氧化鋯陶瓷材料的部分性能參數(shù)如表1。

金剛石磨具最外層是金剛石層，下面依次是過渡層和基體。其中磨具的工作部分就是由金剛石磨料和結(jié)合劑共同組成的金剛石層，結(jié)合劑對金剛石磨具的性能和使用壽命起決定性作用。在氧化鋯陶瓷實際加工中用到的金剛石磨具，根據(jù)結(jié)合劑分類主要有青銅、陶瓷、樹脂和電鍍四種。青銅結(jié)合劑以錫粉和銅粉為原料，強度高、耐磨性好、經(jīng)濟性高，但是加工表面較粗糙，刀痕明顯，只用于粗磨;陶瓷結(jié)合劑制造的磨具磨削效率高，受溫度影響的形變量小，排屑性能好，一般用于氧化鋯陶瓷的粗磨和半精磨，加工金屬治具時也會使用此種磨具;樹脂結(jié)合劑磨具具有自銳性好，加工后表面粗糙度低，磨削溫度低和易于修整等特點，主要用于半精磨和精磨，以達到較高的零件表面要求;電鍍結(jié)合劑磨具是將100#～800#的金剛砂顆粒單層或多層電鍍在基體上，一般用于錐度磨具、異形磨具、成形磨具等特殊磨具，主要用于外圓磨床、數(shù)控加工中心來加工包含特殊特征的工件，由于鍍層比較薄的原因，電鍍磨具使用壽命較短。

此外，金剛石磨具粒度的選擇與待加工表面要求相關(guān)，待加工表面粗糙度要求越高，選擇使用的磨具的目數(shù)也就越高。一般粗磨時徑向切削量大，選擇100#～120#;半精磨選擇120#～200#，徑向切削量0.05～0.18 mm;精磨選擇200#～1 600#，徑向切削量不大于0.05 mm。

2 ?磨具對氧化鋯零件表面粗糙度的影響

表面粗糙度是評估加工零件表面質(zhì)量的重要指標之一，也是眾多氧化鋯零件的技術(shù)要求之一。本次實驗采用30×30×15 mm的氧化鋯陶瓷片為磨削樣片，實驗中切削液、機床加工參數(shù)、加工方式等參數(shù)保持不變的情況下，探究不同結(jié)合劑的磨具對氧化鋯陶瓷磨削表面粗糙度的影響。表2為平面磨削時青銅結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑三種不同結(jié)合劑的金剛石磨具對比試驗的磨削條件。表3為試驗結(jié)果。

由表3可知，在其它磨削條件均相同的條件下，青銅結(jié)合劑金剛石磨具磨削比最高、經(jīng)濟性最好，但被加工表面粗糙度最差。樹脂結(jié)合劑有一定彈性且軟，這使得磨削過程中磨具對被加工零件表面有彈性拋光作用且磨具不易堵塞，這樣可以得到最好的加工表面。陶瓷結(jié)合劑制成的磨具在實際加工中的性能表現(xiàn)介于二者之間。

3 ?氧化鋯陶瓷加工過程中與磨具相關(guān)的缺陷

氧化鋯陶瓷在具備高機械強度的同時，韌性較差，因此在加工過程中很容易出現(xiàn)崩邊、缺口等破壞工件外觀和結(jié)構(gòu)的問題。由于陶瓷零部件對尺寸精度和表面光潔度很多情況下都有較高的要求，下面就氧化鋯陶瓷零件加工過程中可能會產(chǎn)生的與磨具相關(guān)的問題及其原因進行一些分析：

（1）氧化鋯陶瓷零件缺口。造成零件缺口的主要原因是磨削時使用的磨具粒度太粗，特別是磨削至零件邊緣時此類問題比較突出。

（2）表面粗糙度不達標。當磨具轉(zhuǎn)速過低、精磨削時間較短時，零件單位面積承受的磨削周期很短，達不到一定的無進給磨削時間。另外，磨具粒度太粗、硬度太低、表面間隙太大、金剛砂不銳利也會導致這個問題。

（3）零件表面有波浪紋。主要是由于磨具硬度太高，徑向切削量太大導致磨具對零件表面的壓力發(fā)生周期性變化而引起的振動。

（4）零件表面出現(xiàn)螺旋線。原因是磨具未使用冷卻液修整或是修整有缺陷，邊緣有凸起、磨具上有破損剝離的沙粒未及時清理干凈。

4 ?結(jié) ?論

（1）不同結(jié)合劑的金剛石磨具各有其優(yōu)點，并且由于金剛石價格昂貴，加工時應(yīng)正確選擇和合理使用金剛石磨具。

（2）很多由磨具導致的缺陷在實際的氧化鋯陶瓷磨削加工過程中經(jīng)常會被忽略，在問題發(fā)生后進行原因分析時要特別注意分析金剛石磨具的狀況

參 考 文 獻

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