精密磨削和超精密磨削精密加工
精密和超精密加工技术
电子材料，磁性材料的镜面磨削：大尺寸硅片；铁金氧磁头 光学材料的镜面磨削：记录用光学材料，光学镜片研磨抛光前 陶瓷材料的镜面磨削 高精度钢铁材料及复合材料，硬质合金
4、脆性材料精密磨削
尖锐压头下的材料变形过程
(a) 初始加载: 接触区产生—永久塑性变形区，没有任何 裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。 (b) 临界区: 载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力 集中处产生中介裂纹(M edian Crack)。 (c) 裂纹增长区: 载荷增加, 中介裂纹也随之增长。 (d) 初始卸载阶段: 中介裂纹开始闭合，但不愈合。 (e) 侧向裂纹产生: 进一步卸载，由于接触区弹塑性应力 不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧 边扩展的横向裂纹(L ateral Crack)。 (f) 完全卸载: 侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则 形成破坏的碎屑。
精密、超精密磨削、镜面磨削形成的零散刻痕
1、精密和超精密磨削加工基础
精密和超精密磨削分类
将磨料或微粉与结合剂粘合在一起， 形成一定的形状并具有一定强度，再 采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂 轮、砂条、油石、砂带等磨具。
精密和超精 密磨料加工 固结磨 料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。
3、在线电解磨削技术
ELID磨削的特点
磨削过程具有良好的稳定性； ELID修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率； ELID修整法使磨削过程具有良好的可控性；
采用ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的 残留裂纹。
3、在线电解磨削技术
1、精密和超精密磨削加工基础
切削和磨削的比较
精密和超精密加工
1、精密和超精密加工的三大领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。
2、金刚石刀具进行超精密切削时，适合加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。
3、最硬的刀具是天然单晶金刚石刀具。
金刚石刀具的的寿命用切削路程的长度计算。
4、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等直接相关。
5、影响超精密切削极限最小切削厚度最大的参数是切削刃钝圆半径r n。
6、金刚石晶体有3个主要晶面，即（100）、（110）、（111），（100）晶面的摩擦因数曲线有4个波峰和波谷，（110）晶面有2个波峰和波谷，（111）晶面有3个波峰和波谷。
以摩擦因数低的波谷比较，（100）晶面的摩擦因数最低，（111）晶面次之，（110）晶面最高。
比较同一晶面的摩擦因数值变化，（100）晶面的摩擦因数差别最大，（110）次之，（111）晶面最小。
7、实际金刚石晶体的（111）晶面的硬度和耐磨性最高。
推荐金刚石刀具的前面应选（100）晶面。
8、（110）晶面的磨削率最高，最容易磨；（100）晶面的磨削率次之，（111）晶面磨削率最低，最不容易磨。
9、金刚石的3个主要晶面磨削（研磨）方向不同时，磨削率相差很大。
现在习惯上把高磨削率方向称为“好磨方向”，把低磨削率方向称为“难磨方向”。
10、金刚石磨损本质是微观解离的积累；破损主要产生于（111）晶面的解离。
11、金刚石晶体定向方法：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。
其中激光晶体定向最常用。
12、金刚石的固定方法有：机械夹固、用粉末冶金法固定、使用粘结或钎焊固定。
13、精密磨削机理包括：微刃的微切削作用，微刃的等高切削作用，微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。
14、超硬磨料砂轮修整的方法有：车削法、磨削法、滚压挤轧法、喷射法、电加工法、超声波振动修整法。
电解在线修锐法（ELID—electrolytic in—process dressing），原理是利用电化学腐蚀作用蚀出金属结合剂。
常用精密加工和超精密加工方法
常用精密加工和超精密加工方法(1)钻削加工：是将工件上的金属材料在刀具作用下进行来回转动，把车削面旋转出来，是加工圆柱形、锥形、凹形孔和凹陷、螺纹等零部件表面等的单一机床加工方法。
(2)车削加工：是指加工零件时借助车刀切削，用于加工外螺纹、花键、形状方程式曲面及其他复杂曲面等外形精密零部件。
(3)铣削加工：是指利用滚筒式或刀片式的刀具的移动和旋转，把工件表面形成各种曲面的一种机床加工方法，主要用于加工工件体上的平面、槽、沟等工件表面。
(4)磨削加工：是指采用研磨轮加工工件表面，采用悬磨或抛光技术将其加工精度提高，使其表面光洁度、粗糙程度达到要求的一种机床加工方法。
(5)拉铆加工：是指拉铆头将两个工件紧固在一起，从而使两个工件处于相对固定的位置，而不受旋转影响的一种加工方法，是将机械元件拉铆加工的技术。
(1)水切削加工：是将工件表面由削刀削成薄片，然后由水冲刷把薄片去除，达到精密加工表面粗糙度和平整度要求的一种加工方法。
(2)气刀加工：是将刀具用空气喷射动力使得刀具旋转，切削工件的加工方法，可以实现高速、大功率的切削，适用于切削金属界面、铸件、钢材等表面加工。
(3)超声波加工：是指使用超声波让工件表面产生振动，来切削、拉分和焊接工件表面等加工方法，可以达到更高的精度和更小的表面粗糙度，并且可以实现连续加工。
(4)电火花加工：是一种快速高效的切削方法，主要是通过产生火花后，再通过冲击脉冲和热能来融化微小部份表面材料，从而实现准确切削的一种加工方法。
(5)激光加工：是通过产生强大的激光能，对工件表面进行破碎溶解而实现加工的一种加工方法，可以获得极高的切削精度、平整度和极好的加工质量，和小尺寸孔、槽加工。
第七讲精密加工和超精密加工
工艺过程的优化
五、游离磨料的高效加工
（一）超声研磨工艺
• 超声研磨是一种采用游离磨料（研磨膏或研磨液）进 行切削的加工方法。磨料通过研磨工具的振动产生切 削功能，从而把研磨头（工具）的形状传递到工件 上。 • 超声研磨正是利用脆性材料的这一特点。有目的有控 制地促进材料表层的断裂和切屑的形成。
二、金刚石车削技术及其应用
1. 金刚石车床的技术关键
• 除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高 的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只 需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较 低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精 度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影 响。 • 目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静 压轴承，轴向和径向的运动误差在50nm以下，个别主 轴的运动误差已低于25nm。金刚石车床的滑台在90年 代以前绝大部分采用气体静压支承，荷兰的Hembrug 公司则采用液体静压支承。进入90年代以来，美国的 Pneumo公司（现已与Precitech公司合并）的主要产品 Nanoform600和250也采用了具有高刚性、高阻尼和高
（二）超声研磨加工玻璃
• 在玻璃上钻孔时，超声加工已经可以与金刚石钻削竞 争，优化后的超声钻孔已经达到金刚石钻削时的材料 切除速度。根据孔径和孔深的不同，超声钻孔时的进 钻速度可也达到20～40mm/min。 • 用金刚石钻削玻璃上的孔时，需要从两面进刀，以免 钻透时出现玻璃崩裂，采用超声钻孔时，则可从一侧 直接钻通，工具出口时不会出现玻璃的崩裂。从而可 以省去金刚石钻孔时的校正和倒角等加工工序。 • 在玻璃上钻小孔时，超声研磨的作用变得更为重要。 普通的金刚石钻孔，最小孔径大约在2mm左右。超声 钻孔时的最小孔径几乎没有任何限制，目前在实验室 中进行的实验表明，用超声研磨可在3mm厚的玻璃上 钻出直径为0.5～1.0mm的小孔
精密和超精密加工技术
1、通常将加工精度在0.1-1um、加工表面粗糙度R在0.02-0.1um之间的加工方法称为精密加工。
而将加工精度高于0.1um、加工表面粗糙度R小于0.01um的加工方法称为超精密加工。
2、提高加工精度的原因：提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。
3、精密和超精密加工目前包含三个领域：超精密切削；精密和超精密磨削研磨‘精密特种加工。
4、金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。
5、金刚石刀具有两个比较重要的问题：晶面的选择；切削刃钝圆半径。
6、超稳定环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿五个方面的条件。
7、我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要内容包括以下四个方面：1）超精密切削、磨削的基本理论和工艺。
2）超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性。
3）超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿。
4）超精密加工的环境条件。
5）超精密加工的材料。
8、超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
9、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境等都直接有关。
10、为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。
2）切削刃钝圆能磨得极其锋锐，切削刃钝圆半径r值极小，能实现超薄切削厚度。
3）切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。
4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因素低，能得到极好的加工表面完整性。
11、SPDT——金刚石刀具切削和超精密切削。
12、晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开的现象称为解理现象。
精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段
1、精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段2、什么叫精密加工？加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工。
3、什么叫超精密加工？加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。
4、以下哪些是精密和超精密加工的分类？A.去除加工B.结合加工；C.变形加工；D.切削加工；E.磨粒加工F.特种加工；G.复合加工；5、影响精密与超精密加工的因素有哪些？加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境等。
6、我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？（1）超精密加工的加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差补偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。
7、举例说明超精密切削的应用范围有哪些？陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。
8、超精密切削速度是如何选择的？超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
9、金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。
10、单晶金刚石刀具破损或磨损不能继续使用的标志是？加工表面粗糙度超过规定值。
11、简述超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响？见书本P13-14。
12、简述超精密切削时积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响？见书本P14-15。
13、分别用1-2句话总结切削速度、进给量、修光刃、切削刃、背吃刀量变化对加工表面质量的影响？在常用超精密切削速度范围内，切削速度对加工表面粗糙度基本无影响；带有修光刃的刀具，当f<0.02mm/r时，进给量再减小对表面粗糙度影响不大；修光刃的长度过长，对加工表面粗糙度影响不大。
《精密和超精密加工技术(第3版)》第3章精密磨削和超精密磨削
2018/3/11
第1节 概述
二、精密和超精密砂轮磨料磨具
磨料及其选择
超硬磨料制作的磨具在以下几方面能够满足精密加工和超精密加工 的要求,因此使用广泛。
1)磨具在形状和尺寸上易于保持,使用寿命高,磨削精度高。
2)磨料本身磨损少,可较长时间保持切削性,修整次数少,易于保持精度。
3)磨削时,一般工件温度较低,因此可以减小内应力、裂纹和烧伤等缺
磨具的形状和尺寸及其基体材料
根据机床规格和加工情况选择磨具的 形状和尺寸。 基体材料与结合剂有关。
2018/3/11
第1节 概述
三、精密和超精密涂覆磨具
涂覆磨具分类
根据涂覆磨具的形状、基底材料和工作条件与用途等,分类见下表
涂 覆 磨 具
工 作 条 件
基 底 材 料
形 状
耐 水 (N)
2018/3/11
精密砂带磨削：砂带粒度F230～F320，加
工精度1μm，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度W28～W3，加工精 度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。
2018/3/11
第1节 概述
一、精密和超精密加工分类
游离磨料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。
第3章 精密磨削和超精密磨削 3.1 概述
3.2 精密磨削 3.3 超硬磨料砂轮磨削
3.4 超精密磨削
3.5 精密和超精密砂带磨削
2018/3/11
第1节 概述
精密和超精密磨料加工是利用细粒度的磨粒和 微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工,得到高 加工精度和低表面粗糙度值。对于铜、铝及其 合金等软金属,用金刚石刀具进行超精密车削是 十分有效的,而对于黑色金属、硬脆材料等,用 精密和超精密磨料加工在当前是最主要的精密 加工手段。
现代制造技术第3章 精密加工和超精密加工
3.6 研磨
3.6.1 研磨 研磨是一种简便可靠的精密加工方法，研 磨后的表面的尺寸误差和几何形状误差， 在研具精度足够高的情况下可以小到0.1～ 0.3，表面粗糙度可达Ra0.04～0.01。在现 代工业中往往采用研磨作为加工最精密和 最光洁的零件的终加工方法。 3.6.2 超精密研磨 超精密研磨是一种加工精度达0.1以下，表 面粗糙度Ra在0.02以下的研磨方法。
3.4.3珩磨的用途 珩磨主要用于加工孔径为5～500毫米或更 大的各种圆柱孔，如缸筒、阀孔、连杆孔 和箱体孔等，孔深与孔径之比可达10，甚 至更大。在一定条件下，珩磨也能加工外 圆、平面、球面和齿面等。圆柱珩磨的表 面粗糙度一般可达Ra0.32～0.08微米，精 珩时可达Ra0.04微米以下,并能少量提高几 何精度,加工精度可达IT7～4。平面珩磨的 表面质量略差。
(2)哈脖望远镜重量达900Kg的大型反射镜的 加工 (3)精密雷达、精确制导、电子对抗、TMD、 NMD、间谍卫星等 (4)人造卫星仪表轴承 (5)红外导弹中红外线反射镜 (6)超小型计算机等
(7)海湾战争、克索沃战争、伊拉克战争中美 国及其盟国武器系统中大部分与超精密加 工技术有关。如：精密雷达、精确制导、 电子对抗、隐形飞机、夜战能力、间谍卫 星、红外制导等。 (8)美国及其盟国的胜利在某种意义上看，可 以说是高技术战争、是高科技的胜利。没 有超精密加工技术，就没有真正的国防工 业。
3．超精密加工 超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为 0.001数量级，表面粗糙度Rz为0.001数量 级的加工方法，加工中所使用的设备，其 分辨率和重复精度应为0.01数量级。目前， 超精密加工的精度正从微米工艺向纳米工 艺提高。微米工艺是指精度为1～10－2的 微米、亚微米级工艺，而纳米工艺是指精 度为10-2～10-3的纳米级工艺（1＝ 103nm,nm称纳米）。
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2019/3/3
第1节 概述
二、精密和超精密砂轮磨料磨具
磨料粒度及其选择 结合剂及其选择
多选用180 ＃～240 ＃普通 磨料、170/200 ～325/400 超硬磨料的磨粒和各种 粒度的微粉。
将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并 有一定的强度。 树脂结合剂、陶瓷/3
又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。 动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨 和油磨。（溶于水） 树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂 等。用于难磨材料或复杂形面的磨削或抛光。（易 溶于有机溶剂） 高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。 （粘接性能好、耐湿、有弹性，成本高）
第1节 概述
三、精密和超精密涂覆磨具
涂覆磨具分类
2019/3/3
第1节 概述
三、精密和超精密涂覆磨具
2019/3/3
第1节 概述
三、精密和超精密涂覆磨具
涂覆磨料及粒度
棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆 刚玉、黑色碳化硅、绿色碳化硅、 氧化铁、人造金刚石等。 涂覆磨料的粒度无论磨粒还是 微粉，都用P字粒度号表示。
15mm/min ，修整深度为2.5μm/单行程，精修次 数2～3次，光修次数1次单行程（光修是无修整 深度20修19/整3/3，是为了去除砂轮表面个别突出微刃）。
2019/3/3
第2节 精密磨削
二、精密磨削砂轮选择 砂轮的粒度 可选择粗粒度和细粒度两类。粗粒度经过
精细修整，微刃切削作用是主要的；细粒度经过精细修 整，半钝态微刃在适当压力下与工件表面的摩擦抛光作 用比较显著，可以得到质量更高的加工表面和砂轮使用 寿命。
结合剂 选择树脂类较好，加入石墨填料可加强摩擦抛 光作用。对粗粒度砂轮也可用陶瓷结合剂，加工效果也 不错。
第3章精密磨削和超精密磨削 3.1概述 3.2精密磨削 3.3超硬磨料砂轮磨削 3.4超精密磨削 2019/3/3
2019/3/3
第1节 概述
金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等 材料进行超精密切削，而对于黑色金属、 硬脆材料的精密与超精密加工，则主要 是应用精密和超精密磨料加工。
所谓精密和超精密磨料加工，就是利用 细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆 材料等进行加工 ，以得到高加工精度和 低表面粗糙度值。
2019/3/3
第2节 精密磨削
三、精密磨削时的砂轮修整
修整器低于砂轮中心 0.5-1.5mm ，向上 倾斜10°-15 °（此时 金刚石受力小，使用 寿命长）
砂轮修整是精密磨削的关键，有单粒金刚石修整、 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修 整等。 砂轮的修整用量有修整速度、修整深度、修整次 数和光修次数。修整速度越小工件表面粗糙度 值越小，但太小工件易烧伤，一般为10～
第2节 精密磨削
二、精密磨削砂轮选择 精密磨削时所用砂轮的选择以易产生和保持微刃及其
等高性为原则。 磨削钢件及铸铁件时，采用 刚玉磨料（韧性较高、能
保持微刃性和等高性）较好，单晶刚玉最好，白刚玉、 铬刚玉应用最普遍。 碳化硅磨料 韧性差，颗粒呈针片状， 修整时难以形成等高性好的微刃，磨削时，微刃易产生 微细破裂，不易保持微刃性和等高性。
2019/3/3
第1节 概述
一、精密和超精密磨料加工方法分类
2019/3/3
第1节 概述
一、精密和超精密加工磨料分类
固结磨料加工
精密和超精密砂轮磨削
将磨料或微粉与结合剂粘合 在一起，形成一定的形状并 具有一定强度，再采用烧结、 粘接、涂敷等方法形成 砂轮、砂条、油石、砂 带等磨具。
精密和超精密砂带磨削
砂轮粒度
2019/3/3
2019/3/3
第1节 概述
一、精密和超精密加工分类
游离磨料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。
2019/3/3
第1节 概述
二、精密和超精密砂轮磨料磨具
2019/3/3
普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含 量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削 选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度； 高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细 粒度、低质量浓度。
第1节 概述
二、精密和超精密砂轮磨料磨具
硬度及其选择 磨具的强度
精密砂轮磨削： 砂轮的粒度 60＃～80 ＃， 加工精度1μm，Ra0.025 μm； 超 精 密 砂 轮 磨 削 ： 砂 轮 的 粒 度 W40 ～ W50 ，得加工精度 0.1μm， Ra0.025 ～ 0.008 μm。
2019/3/3
精密砂带磨削：砂带粒度 W63 ～W28 ，
加工精度1μ m，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度 W28 ～W3，加 工精度0.1 μm，Ra0.025 ～0.008 μm。
第1节 概述
三、精密和超精密涂覆磨具
涂覆方法
重力落砂法
一般砂纸、纱 布均用此法
2019/3/3
涂覆法
一般塑料膜材料的基底砂 带都用此法。精密和超精 密加工中所用的涂覆磨具 多用涂覆法制作。
静电植砂法
沙粒尖端朝上，砂带切 削性强，等高性好，加 工质量好。
第2节 精密磨削
一、精密磨削机理
精密磨削主要靠砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性，磨削后， 被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度极小，加上无火花磨 削阶段的作用，获得高精度和小表面粗糙度表面。磨削机理归纳为如下几点： 1. 微刃的微切削作用 用较小的修整速度和修整深度精细修整砂轮，使磨粒微细破碎而产生微刃 2. 微刃的等高切削作用 分布在砂轮表层的同一深度上的微刃数量多、等高性好，使加工表面的残 留高度极小。 3. 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用 锋利的微刃随时间钝化，等高性得到改善。磨削区的高温使金属软化， 钝化20微19/刃3/3的滑擦和挤压将工件表面凸峰辗平，表面粗糙度数值减小。
普通磨具硬度低表示磨粒易脱落。 超硬磨具无硬度项指标。
高速回转时，抵抗因离心力的作用而自 身破碎的能力。
磨具的形状和尺寸及其基体材料
2019/3/3
根据机床规格和加工情况选择磨具 的形状和尺寸。 基体材料与结合剂有关，金属结合 剂磨具多采用铁或铜合金；树脂结 合剂磨具采用铝及合金或电木；陶 瓷结合剂磨具多采用陶瓷。