陶瓷材料加工技术固定头

2019-12-11 06:46

金属材料的加工可根据材料种类、工件外形、加工精度、加工本钱、加工效率等因素选择不同的加工方法。而对于陶瓷材料,由于其特殊的物理机械性能,最初只能采用磨削方法进行加工,随着机械加工技术的发展,目前已可采用类似金属加工的多种工艺来加工陶瓷材料,下面我们就来看看陶瓷材料加工方法:

第一、切削加工

陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷,也适用于完全烧结体陶瓷。半烧结体陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量,从而进步加工效率,降低加工本钱。日本的研究职员使用各种刀具在不同温度下对Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半烧结体进行了切削试验。试验中根据不同的加工要求,采用了干式切削与湿式切削等方法,获得了有价值的研究成果。

国外一些研究者针对完全烧结体陶瓷的切削加工进行了试验研究。日本的研究职员在使用聚晶金刚石刀具对Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷进行切削试验时发现,粗粒聚晶金刚石刀具在切削过程中磨损较小,加工效果较好;在使用金刚石刀具切削ZrO2陶瓷时,达到了类似于切削金属时的效果。他们还探讨了陶瓷塑性切削极限题目,指出当Al2O3陶瓷的临界切削深度apmax= 2μm时, SiC陶瓷的apmax= 1μm, Si3N4陶瓷的apmax= 4μm( ap>apmax时,陶瓷材料会产生脆性破坏;ap< apmax时,则为塑性活动式切削)。美国的研究职员对单晶锗进行了一系列金刚石车削试验,成功地实现了脆性材料的塑性超精密车削,并提出了临界切削厚度的计算公式。用金刚石刀具切削脆性材料并获得高质量的加工表面是近十几年来发展起来的新技术,通常称为脆性材料的超精密车削加工。

第二、ELID磨削加工

ELID磨削技术是由日本物理化学研究所的大森整等人于1987年提出的一种磨削新工艺,其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整,即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流,使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐往除,使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面,从而实现对砂轮的修整,并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的困难,同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保持锋锐性,为实现稳定的超精密磨削创造了有利条件。

日本的研究职员使用#8000(最大磨粒直径约为 2μ m)铸铁基金刚石砂轮对硅片进行磨削,获得了最大表面粗糙度值为0.1μm的高精表面。使用青铜基砂轮对陶瓷材料进行精密磨削也达到了相同的加工效果。哈尔滨产业大学采用ELID磨削技术对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削,磨削表面质量与在相同机床条件下采用普通砂轮磨削相比大幅度进步,部分工件的表面粗糙度Ra值已达到纳米级,其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra0.012μm。这表明ELID磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精加工,但加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层的未电解物质被压进工件表面而造成表面层釉化及电解磨削液配比改变等题目,有待于进一步研究解决。

第三、研磨、抛光加工

研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细往除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工与光整加工中,特别是在用于陶瓷轴承的陶瓷球的精密加工中,研磨、抛光加工有着不可替换的位置。光学玻璃、蓝宝石等光学材料,硅片、GaAs基片等半导体材料,Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷等陶瓷材料的镜面加工大多采用研磨、抛光加工方法。从材料的往除机理上看,研磨加工是介于脆性破坏与弹性往除之间的一种加工方法,而抛光加工基本上是在材料的弹性往除范围内进行。研磨、抛光加工由于材料往除量小,加工效率低,一般只用于超精加工的终极工序。研磨、抛光加工的材料往除率与被加工材料的韧性有较大关系,韧性越高,加工效率越低。

第四、超声加工

超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动,在工具与工件之间加进液体磨料或糊状磨料,并以较小的压力使工具贴压在工件上。加工时,由于工具与工件之间存在超声振动,迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面,加上加工区域内的空化、超压效应,从而产生材料往除效果。超声加工与其它加工方法相结合,形成了各种超声复合加工工艺,如超声车削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声振动珩磨、超声研磨抛光等。

超声复合加工方式较适用于陶瓷材料的加工,其加工效率随着材料脆性的增大而进步。日本的研究职员对陶瓷材料的超声磨削加工进行了研究,使陶瓷材料的加工效率进步近一倍;他们在对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行加工时,在工具与工件上同时施加超声振动,从而使加工效率进步了2~3倍;在钻头上施以超声振动进行深孔加工,大大进步了孔内表面质量与孔的圆度。在国内,华北工学院辛志杰等人进行了超声振动珩磨技术研究,开发出了超声振动珩磨装置,其特点是研磨圆盘激发弯曲振动(圆盘振动频率为20kHz,振幅约为15μm),而珩磨杆和珩磨头体均不振动。对710钢、铝、钛管等进行的超声振动珩磨初步实验表明,加工效率明显进步,并可获得高精度、高表面质量和具有高耐磨性的精密孔。此项技术在高效率光整加工陶瓷、光学玻璃等硬脆材料中具有很大潜力。

第五、塑性法加工

传统的材料往除过程一般可分为脆性往除和塑性往除两种。在脆性往除过程中,材料往除是通过裂纹的扩展和交叉来完成的;而塑性往除则是以剪切加工切屑的形式来产生材料的塑性流。对于金属的加工,塑性切削机理很轻易实现,而对于脆性材料如工程陶瓷和光学玻璃等,采用传统的加工技术及工艺参数只会导致脆性往除而没有明显的塑性流,在超过强度极限的切削力作用下,材料的大小粒子发生脆性断裂,这无疑将影响被加工表面的质量和完整性。由加工实践可知,在加工陶瓷等脆性材料时,可采用极小的切深来实现塑性往除,即材料往除机理可在微小往除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。超精加工技术的最新进展已可将加工进给量控制在几个纳米,从而使脆性材料加工的主要往除机理有可能由脆性破坏转变为塑性流。塑性切屑变形过程可以明显降低次表面(表层)破坏,这种硬脆材料的新型加工技术称为塑性法加工。

近年来,很多学者应用金刚石磨削方法对脆性材料塑性方式磨削的理论和工艺、脆-塑性转变、材料特性、切削力和其它参数的关系进行了系统研究,研究重点是被加工零件的塑性方式表面形成机理和几何精度,其中包括相关机床和砂轮技术的研究与开发。1991年,英国国家物理实验室的研究职员首先采用四面体(Tetraform)结构并应用具有良好工程性的减振机理来设计机床的主要结构,研制出世界上第一台Tetraform-1型超精密磨床。用该磨床对陶瓷、硅片和单晶石英试件进行了大量塑性磨削试验,获得了高质量的样品,其特点是:(1)可采用相对较大的切深(大至10μm)进行加工;(2)表面几何外形精度高,试件四周几乎没有碾痕;(3)机床可在无环境隔离条件下磨削高质量试件;(4)次表面破坏深度仅为传统磨削的1%~2%,甚至小于抛光加工对光学元件的影响。基于Tetraform原理,1995年英国Fra-zer-Nash咨询有限公司和Granfield精密工程有限公司联合研制了Tetraform-2型多功能磨床。发展趋势表明,脆性材料塑性加工技术在超精加工领域有着巨大的应用潜力。

由于陶瓷材料具有特殊的优良性能,可广泛应用于高速、高温、腐蚀性介质等金属材料无法满足要求的特殊场合,但由于其硬度高、脆性大、耐磨性好,很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工,从而限制了它的应用和发展,上述各种陶瓷加工方法各有其优、缺点,但又不能互相取代。加工陶瓷材料时应根据材料种类、工件外形及精度、本钱、效率等因素,选择合适的加工方法。

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