10第七章 陶瓷精加工

第七章陶瓷精加工内容提要:1、先进陶瓷精加工机理；2、各种陶瓷精加工方法，如磨削加工、切割和打孔，以及精加工设备;重点掌握陶瓷制品的磨削加工工艺及设备，了解切割、打孔工艺及其设备和激光与镭射加工、线切割加工等当今先进加工技术。

主要外语词汇：hone 珩磨，珩磨机；lap 研磨microfinishing 精密磨削abrasive 研磨料polish 抛光grinding 磨削，研磨第一节 陶瓷精加工机理加工的定义：将一定的能量供给具有某些性能的材料，使形状、尺寸、表面光洁度、物性等达到一定要求的过程。

1.1 陶瓷材料的结构性能特点陶瓷材料属于多相多晶体，由离子键或混合键（离子-共价键）结合而成，质地硬而脆，属于硬脆材料，难于机械加工和保持加工精度。

1.2 陶瓷材料的加工机理陶瓷作为硬脆材料，其精加工是以加工点部位的材料微观变形或去除作用的积累方式进行的。

图5.1为加工量造成变形断裂的原因示意图。

从图中可以看出，当一次加工量达到10um时，陶瓷材料出现裂纹，这种裂纹现象被称之为“脆性断裂”。

第二节陶瓷精加工方法种类陶瓷的精加工方法，依制品性能要求的不同、工艺不同有很多的方法。

一般还是以机械加工为主。

1、陶瓷的精加工依加工能量方式的不同，可归纳如下：2、陶瓷的冷加工还可分为：一般加工（丝级精度）；精密加工（微米级加工）；超精密加工（亚微米级至纳米级精度）。

超精密加工，因加工量极小，被加工陶瓷表面的晶体结构仍具有完整性。

陶瓷的机械加工主要是研磨和抛光，个别陶瓷（如六方氮化硼陶瓷）在一般精度和精密加工范围内，也可以用类似于金属加工的车、铣、刨加工等。

3、超精密精加工工艺示意图第三节 磨削加工及设备3.1 陶瓷磨削的应用：1、电子陶瓷电子陶瓷部件是指显微集成芯片、磁头和基板之类的计算机零件。

例如显微集成芯片是制造在单个晶片上的许多部件，被用来形成能提供特殊功能的表面形貌； 磁头和硬盘之间间隙的一致性和可靠性就是靠磁头表面的精密外形来实现。

一般来说，电子陶瓷的精加工在零件几何形状方面有非常严格的公差要求。

2 、技术陶瓷技术陶瓷是开发利用各种陶瓷性能，如电、热性能和耐腐蚀性能等的零件。

包括照明用石英管、半导体部件封装、核能、生物医学、光学纤维等。

技术陶瓷的加工常常涉及到把大零件或管子切割成具有最小缺口损伤的小零件，同时也经常要求无划痕或镜面光洁度的平面精加工。

图18－1表示在单轮和组合砂轮切割零件中使用的典型配置。

3、传统陶瓷传统陶瓷是低密度、多孔陶瓷。

它们一般尺寸较大或成块状，应用在陶瓷承受残酷的热、电或化学性能的地方。

典型应用实例有：耐火材料、炉衬、电子零件、涂层陶瓷等。

传统陶瓷的磨削加工在形状和结构上变化很大。

磨削加工广泛地使用金属结合剂砂轮，用来切断零件或形成大平面。

与其它的应用相比，传统陶瓷的缺口损伤标准和公差要求一般很宽。

4 、先进陶瓷先进陶瓷是供机械和结构使用的高强度、高密度（低气孔率）陶瓷，这些材料最难磨削。

典型要求是磨削后要有高的残留强度，并且要采用生产上可行的磨削方法（即短的磨削周期、经济的磨削工艺，以及一定的零件质量）。

图18.2是一些磨削后的先进陶瓷零件。

3.2 磨削机理：磨粒切削刃撞击陶瓷工件瞬间，陶瓷材料内部就产生裂纹，这些裂纹的连接就形成切屑金属材料依靠磨粒切削刃引起的剪切作用生成带状或接近带状的切屑。

Subramanian 和Ramanath1992 报道了陶瓷切削中除了脆性断裂磨屑外，还产生了类似延展性变形的磨屑形态。

1、磨削方向对陶瓷强度的影响图18－5表示精密磨削后热压氮化硅陶瓷（HPSN）的强度（回弹模量，MOR）。

从图中可以看到磨削方向对材料的强度有重要的影响（Ohta和Miyahara，1990）。

当磨粒尺寸减小时，强度的各向异性逐渐减小。

因此，为了获得高的残留强度，使用细磨粒磨削有利。

2、表面光洁度和残留强度图18-6表明：①残留强度的提高与表面光洁度的改善有关。

②仅仅改善表面光洁度不足以提高强度。

如果使用粗磨料，即使具有好的表面光洁度也不会引起强度的提高，即，简单地通过对加工表面进一步的摩擦抛光，得到更好的表面光洁度，并不能去除已经在陶瓷表面造成的损伤。

这里所指的损伤主要是由于脆性破坏造成的裂纹生成和扩展。

3、磨料粒度对残留强度的影响图18－5和18－6表明磨料越细，磨削后陶瓷的强度越高，表面光洁度越好。

试验已证明，当使用粗磨料时，氧化铝陶瓷的表面光洁度一般不随切深或工作台运动速度变化。

然而，当使用细磨料时，光洁度逐渐改善。

4、图18－7表明磨削SIALON材料所需要的比能量（去除单位体积材料所需的能量）是磨料粒度的函数。

可以发现当磨料粒度减少时，比能量显著地增加。

3.3陶瓷精加工精密磨削工艺的典型选择3.4 磨料产品的选择根据使用的磨料（类型、形状、强度和其它特性）、磨粒尺寸、结合剂种类（用于固定磨料的基体和它的摩擦行为）、磨料含量和磨料产品的形状和外形可将所有用于陶瓷精加工磨料产品进行分类。

具体的磨料产品选择可以从很多参考文献中获得（工程材料手册，1989，1994）；也可以向磨料制造商询问产品的特性。

这里重点讨论具有一般指导意义的问题。

1、陶瓷精加工使用的磨料金刚石是陶瓷精加工优选的磨料，因为它是最硬的材料并且比陶瓷工件材料更耐磨。

图18-21是金刚石的硬度与其他工件材料和磨料硬度的对比。

根据不同的应用，金刚石磨料可以采用广泛的尺寸范围，如图18-22所示。

一般细磨料适合于精加工致密、高强度陶瓷，而粗和块状（较高断裂强度）磨料适合于低强度或多孔陶瓷的批量精加工。

在冲击强度、形状、尺寸和涂层方面，金刚石磨料可以有很大的不同。

其选择依据是既能避免表面损伤又具有经济性。

图18-23是根据磨料韧性和工件材料强度的磨料选择图。

2、全刚石砂轮用于陶瓷磨削的金刚石砂轮通常有四种结合剂：树脂、金属、陶瓷和电镀或钎焊在钢件上形成的单层金刚石。

每一种结合剂的优缺点列于表18－2。

由于存在多种操作范围和磨削外形，很难制定一个选择结合剂的准则。

①树脂结合金刚石砂轮：具有灵活性、使用方便、和回弹性是大家乐于使用的最普遍的原因。

②陶瓷结合的金刚石砂轮：在高效率磨削方面有很多优点，包括：保持形状、更高刚性、更紧密公差和重量轻。

③金属结合剂的金刚石砂轮：当持久性或长寿命是主要目标时，通常选用（如大接触面磨削和凹沟磨削）。

但是，高磨削力和功率是最经常的限制因素。

在干磨条件下，许多低强度和多孔的传统陶瓷使用金属结合的金刚石砂轮来切割、精加工和锯。

图18-24表示用于陶瓷精加工的各种金刚石磨料制品。

3.5 磨削条件及工艺1、磨削量磨削量．也就是磨料吃刀深度。

一般来说，粗磨比精磨的磨削量要大，但不能太太。

如果太大，则加工物速度和磨具切入深度也要大，而磨具的转速必须减少，这样，很可能造成加工物的破坏。

精磨的磨削量每次应＜10um；2、砂轮转速加工陶瓷材料比加工金属材料的转速要适当低一些。

如果采用冷却液，使用树脂粘结剂的砂轮，转速范围为20～30m／s。

对于无冷却液磨削的情况应该避免，否则，转速要比有冷却液磨削的转速低很多。

3、冷却液的选择陶瓷磨削加工，采用煤油冷却液最好：煤油是良好的冷却液，且能防止设备生锈，但煤油气味大，价格高，而目易起火不安全。

一般采用水溶性冷却液进行冷却。

4、磨削方式、方向及机床刚性①磨削方式不同导致磨削特性不同：如平磨时，采用杯式砂轮一般比直线砂轮磨削的表面粗糙度要好，效率可能高，可以降低成本②磨削的方向：磨削过程中，会产裂纹，对材料的强度产生影响，影响的程度与磨削的方向有关。

磨削方向如果是顺材料所施加成型压力的方向运动比逆材料施加成型应力的运动造成的断裂程度少得多。

因此，应当尽可能地使磨削方向与成型压力方向一致，以便减少工件的损坏。

③在进行磨削加工时，机床磨削盘的刚性或磨床的稳定程度对磨削效果也有很大的影响。

采用刚性好（特别是主轴刚性）的磨削盘或磨床的稳定性，不容易发生振动，对加工材料的表面粗糙度和精度是有好处的。

3.6 几种主要磨削方式1、研磨为了消除磨削过程中对材料产生的微崩刃，以提高材料表面的精度和粗糙度，还必须对其进行研磨。

研磨通常在双端面研磨机上进行。

研磨料一般为人造金刚石和立方BN粉料，粒度范围为250～600目。

对于较大尺寸的制品，采用研磨砂布进行加工。

冷却液可选用煤油和机油。

先进陶瓷的研磨过程如图5-3所示。

2、抛光为了获得光滑的制品表面，如12级的镜面粗糙度（Ra 值为0.05），进一步消除微崩刃，提高制品精度，必须对其进行抛光处理。

抛光机使用软质、富于弹性或粘弹性的材料和微粉磨料。

抛光时在加工面上产生的凹凸，或加工变质层极薄，所以其尺寸形状精度和表面粗糙度比研磨高。

3、粘弹性流动加工 ①基本原理粘弹性流动加工是利用一种含磨料的半流动状态的粘性磨料介质，在一定压力下强迫通过被加工表面，由磨料颗粒的刮削作用去除工件表面微观不平整部分的工艺方法。

图5-4为加工过程示意图。

②粘性磨料介质粘性磨料介质是将磨料与特殊的基体介质均匀混合而成。

粘性磨料介质应具备如下性能： （l ）有一定的流动性和粘弹性；（2）有很强的内聚力；（3）有很小的内摩擦力；（4）稳定性好，使用寿命长；（5）磨料不粘到加工零件上；（6）切削作用强，加工速度快，抛光效果显著；（7）介质对工件无腐蚀作用，对人体无影响。

③粘弹性流动加工的特点۞适用范围广。

适用于各种型孔、交叉孔、喷嘴小孔等内壁的精加工。

۞抛光效果好，加工精度较高。

加工后的表面粗糙度与原始状态有关，可达原始粗糙度的1/10，一般可提高3级左右。

۞加工效率高。

磨料流动加工时材料的去除量一般为0.01～0.lmm，加工时间通常为1～5min；可以同时加工多件。

۞仅适于表面加工，不能修正零件的形状误差。

3.7 磨削加工设备1、外圆磨床外圆磨床主要用于磨削各种圆柱体、外圆锥体和有台阶工件的外圆。

外圆磨床的类型、型号规格见课本。

2、内圆磨床内圆磨床主要用于磨削圆柱孔、圆锥孔、孔端。

内圆磨床的磨削方法和规格型号见课本。

3 、平面磨床平面磨床主要用于加工工件的平面、斜面、角尺面及成型面。

常用平面磨床有：（l）卧轴矩台平面磨床：用砂轮周边及端面磨削平面、斜面、角尺面及成型面。

（2）卧轴圆台平面磨床：用砂轮周边磨削圆形及阶梯状圆形平面、磨削内锥或外锥的圆形件表面；精密级、高精度级机床磨削高精度高光洁度圆形工件。

（3）立轴矩台平面磨床：用砂轮端面磨削工件尺寸大而磨削面不大的工件。

（4）立轴圆台平面磨床：用砂轮端面磨削尺寸较大的圆环形工件。

几种平面磨床的型号规格列于表5-5。

4、无心外圆磨床适用于大批量磨削各种圆柱体、套类及阶梯轴等工件的外圆，以及各种形状的回转体工件的成型面。

与普通外圆磨床比较，其特点是无需中心孔定位，工件支持在托板和导轮上，支承刚度好。