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1、国内外先进陶瓷材料加工技术的进展300072天津大学 高温陶瓷材料及工程陶瓷加工技术教育部重点实验室于思远林滨林彬摘要随着先进陶瓷材料的开发和应用 ,陶瓷材料的加工技术受到人们的普遍观注 ,本文查阅了近二十年来 有关的文献资料 ,对国内外陶瓷材料加工技术的研究成果进行了系统地综述 ,并着重从材料的去除机理 ,优质高 效加工新工艺及加工工艺装备三方面介绍了陶瓷材料的切削加工 ,磨削加工 ,研磨 ,抛光和孔加工技术的进展 。 先进陶瓷是采用优化配方和精细生产工艺制造 , 具有优良的机械 、 物理性能的陶瓷材料 ,许多性能是金 属材料无法比拟的 , 而且与传统陶瓷不同 , 在 70 - 80 年代
2、,先进陶瓷由于其优良的耐高温抗磨损性能在电 子和光学高科技器件中应用日益广泛 。近年来随着材 料机械性能的改进 ,先进陶瓷作为机械结构零件新材 料也显示出广阔的应用前景和巨大的市场 。CIRP 文 献报导 ,到 2000 年日本先进陶瓷材料和器件的销售额 将达到 300 亿日元 , 尤其是具有优良热性能的 Si3N4 , SiC 非氧化物陶瓷的应用 ,将有更加快速的增长 ,由此 可见这一诱人的应用前景 。 从毛坯到产品 ,陶瓷材料需要二次加工 ,但由于硬 脆特性 ,陶瓷的加工性比多属材料困难得多 ,因此需要 开发优质高效的陶瓷加工新工艺新技术 。先进陶瓷的 加工 ,涉及到陶瓷材料的性能 ,加工
3、技术 ,检测 ,连结和 涂覆等许多方面 ,本文由于篇幅所限 ,只重点介绍先进 陶瓷的切削加工 ,磨削加工 ,研磨抛光和孔加工技术等 方面的进展 。 1先进陶瓷材料的切削加工 1. 1切削机理的研究 1980 年 ,日本学 者 杉 田 忠 彰 , 根 据 线 性 断 裂 力 学原理 ,研究了陶瓷切削过程的材料去除机理 ,提出了 材料去除的三种模型 : (1) 不稳定裂纹扩展型 , (2) 裂纹 残留型 , (3) 塑性变形型 。他研制成功微细切削装置 , 放在 SEM 中直接观察了 30 - 1000 倍倍率下裂纹的产 生 ,扩展和材料去除的脆性断裂过程 。 1983 年 ,日本 Kanazaw
4、a 大学 , K. Ueda 利用断裂 力学理论 ,初步探讨了材料的脆性断裂和塑性流动的 关系 ,研究了材料塑性流动时的切削 。 1990 年 ,日本 Osaka 大学 , T. Nakasuji 研究了光 学零件的镜面切削 ,根据材料特性和切削参数 ,建立了 由脆性到延性转变的模型和延性去除所需的 必 要 条 件 ,用上述观点实现了锗 ,硅和铌酸锂 (LiNbO3 ) 的镜面 加工 ,粗糙度 20nm 。 1991 年 ,日本 Kanazawa 大学 , K. Ueda 进一步用 弹塑性断裂力学和 J - 积分方法研究了陶瓷材料脆性 / 延性转换模式 。 90 年代 ,日本有几位学者开始用分
5、子动力学仿真方法研究有色金属的材料去除机理 ,在 1997 年 ,日 本 Nagoyo 工艺研究所 T. Inamura ,应用重组分子动力学 原理对单晶硅以不同切削深度进行微细切削 动 态 仿 真 ,研究了裂纹扩展和塑性流动的条件 。结果表明 ,在 真空条件下 ,无缺陷单晶在较大的切削范围里均可实 现延性加工 ,而在大气压条件下临界切削深度的数值 就小得多 。 1 . 2切削工艺的研究 1984 年 ,鸣龙则 彦 在 日 本 春 、 秋 季 学 术 演 讲 会 上介绍了切削予烧结陶瓷的研究成果 , 对 Al2O3 陶瓷 在 500 - 1000 ,Si3N4 陶瓷在 1100 - 1400
6、予烧结 ,切 削成形后完全烧结 ,然后精磨制成零件 ,研究表明 : (1) 干 式 切 削 中 , CBN 刀 具 切 削 1400 予 烧 结Si3N4 寿命最长 ,陶瓷刀具切削 Al2O3500 - 1000 予烧 结陶瓷存在着最佳切削速度 。 (2) 低温予烧结陶瓷 ,由于强度低 ,可用负前角刀 具大进给量切削 ,加工性最好 。 (3) 湿式切削 ,烧结金刚石刀具切削性能最佳 。 通过予烧结 ,不仅比完全烧结后再磨削的成本降 低 ,而且加工效率大大提高 ,因此是经济适用的重要工 艺 。 1983 年 ,中井哲男在 工业材料 上发表了切削 完全烧结陶瓷的研究成果 ,研究指出 : (1) 材
7、料的硬度和断裂韧性是影响切削力的主要 因素 ,由于硬度高 ,刃口难于切入 ,故径向力远大于其 他分力达 5 - 10 倍 。 (2) 切削用量对温度有影响 ,其中切削速度影响最 大 。 (3) 切削中刀具存在机械磨损 ,他学磨损和剥落 , 刃口的剥落是由于在热应力作用下晶界损伤和破裂所 致 。 目前 ,切削完全烧结陶瓷仍处于实验阶段 ,几个重 要问题有待解决 。 1986 年 , Toyo 大 学 , K. Uehara 考 虑 到 陶 瓷 切 削 的困难 ,采用氧乙炔火焰加热切削的方法 ,对莫来石和 氮化硅陶瓷进行加热切削实验 ,测定了切削力 ,表面粗 糙度 ,刀具磨损和切屑形成 , 发现
8、由 于 切 削 区 温 度 提 高 ,陶瓷的脆性转化为塑性 ,在高温条件下两种陶瓷均2001 . 4 (124)37 3/ 3 33/ 3 3具有金属切削的特性 ,加工表面粗糙度下降 ,刀具寿命 显著提高 ,存在的问题在于刀具的冷却问题有待解决 。 1992 年 ,日本 T. Mariwaki 在 CIRP 上发表了光学 玻璃延性域切削的文章 ,指出在切削方向上 ,将超声振 动作用于金刚石刀具上 ,进行钠钙玻璃端面切削 ,可获 得 Rmax = 30nm 的透明表面 ,实现延性域切削 , 通过切 槽实验还弄清了由于超声振动 ,临界切削深度增大了 。 1998 年 ,新加玻理化研究所 F. Z.
9、 Fang 进行单晶 硅的金刚石纳米切削 ,采用 0 - 25 前角刃具进行切深 不断变化的锥面切削 ,并用 SEM 和 AFT 检测 ,予加工 表面 Ra = 23 . 8nm ,Rmax = 140nm ,经延性域切削后 ,可稳 定的获得 Ra = 1nm 的镜面 ,并发现 :0 前角具有略大于 切深的刀尖钝圆半径 ,产生了延性域切削所需的流体 静水压力 。 2000 年 ,F. Z. Fang 又对 ZK N7 光学玻璃进行延 性域切削 ,证实在临界切削厚度极限以下 ,用于裂纹扩 展的能量大于塑性变形能 ,所以塑性变形起主导作用 , 可实现光学玻璃的纳米切削 。 1 . 3 金刚石切削机
10、床的发展 1962 年 ,美国 UNION CARDIE 公司超精密半球 面车床 ,加工直径 120mm ,尺寸精度 0 . 6m , Ra = 0 . 025m 。 1960 - 1984 年 , 美国 LLNL 国家实验室 DTM - 1 ,DTM - 2 ,DTM - 3 超精密金刚石 车 床 , 加 工 直 径 2100mm , 导 轨 直 线 度 0 . 1m/ 1000mm , 位 移 精 度 0 . 013m ,温控 20 0 . 0025 ,加工表面粗糙度 Rmax = 0 . 007m 。 80 年代 ,英国格兰菲尔德 CUPE 研究所超精密 金刚石镜面切削机床 ,加工直径
11、1400mm ,长 600mm , 径向刚度 876N/m ,轴向刚度 2360N/m , 机床分辨率 0 . 015m ,加工工件平直度 0 . 2m ,圆度 0 . 4m 。 1978 年 ,荷兰菲利甫公司 COLATH 数控超精密 金刚石车床 , 加工直径 200mm , 长 200mm , 圆度 0 . 5m ,Ra = 0 . 025m 。 1980 年 ,日本东京芝蒲公司超精密镜面切削机 床 ,主轴回转精度 0 . 05m ,轴向跳动 0 . 2m ,形状误差 0 . 5m ,加工表面粗糙度 Rmax = 0 . 02m 。 1984 年 ,日本 日 立 精 工 公 司 DPL -
12、 400 型 超 精 密磁盘车床 , 加 工 直 径 120mm , 最 小 切 深 0 . 5m , 加 工工件平直度 0 . 2m ,Ra = 0 . 025m 。 2 先进陶瓷材料的磨削加工 2. 1 先进陶瓷材料的磨削机理 80 年初 , Frank 和 Lawn 首 先 建 立 了 钝 压 痕 器 , 尖锐压痕器和接触滑动三种机理分析研究模型 ,提出 了应力强度因子公式 K =EP/ C3/ 2 ; 根据脆性断裂力 学条件 K KC ;导出了脆性断裂的监界载荷 PBC = CK;他又根据材料的屈服条件 Y ,导出了塑性变形模式下临界载荷 PYC =Y (或 PYC = HY ) 。研
13、 究指出 :陶瓷材料的去除机理通常为裂纹扩展和脆性 断裂 ;而当材料硬度降低 ,压痕半径小 ,摩擦剧烈 ,并且 载荷小时 ,就会出现塑性变形 。 1991 年 ,东北大学郑焕文 ,蔡光起教授 ,对含钼 金属陶瓷进行磨削实验 ,通过测定单位磨削力 ,磨削能 和磨削比 ,以及 SEM 对表面和切削的观察 ,探索了金 属陶瓷材料的去除机理 。 1989 年 , T. G. Bifano 在 ASME 文献上明确提出 加工脆性材料的延性域磨削新工艺 ,认为采用高刚度 高分辨率精密磨床 ,通过控制进给率 ,就可使硬脆材料 以延性域模式去除材料 ,并给出了临界磨削深度表达 式 :DC = 0 . 15 3
14、 ( E/ H) 3 ( KC/ H) 2 ,根据能量守恒定律描 述了延性域磨削时 ,进给率和材料特性的关系 。 1996 年 ,美国麻省大学 S. Malkin 对陶瓷磨削机 理进行了综述 ,认为陶瓷材料低成本高效率磨削的基 础需要深入研究磨削机理 ,研究方法概括为压痕断裂 力学法和加工观察法 。压痕法将磨粒和工件间相互作 用 ,用理想的小范围内压痕表示 ,分析应力 ,变形及材 料去除的关系 ;而加工法包括测定磨削力 ,观察工件表 面与切屑 ,进一步研究材料的去除机理 ,两者均为磨削 机理的研究提供了重要见解 。 1994 年 , Keio 大学 , R. Rentsch 将分子动力学方 法
15、首先用于磨削机理的研究 ,给出了第一个磨削过程 的仿真结果 ,叙述了磨削中磨屑堆积的现象和切削过 程仿真的区别 。 1998 年 ,德国 Achen 生产工程研究所 V. Sinhoff 利用杯形金刚石砂轮磨削光学玻璃进行了机 理 的 研 究 ,重点是研究脆性/ 延性转变的特性 ,并将材料中的 应用分布 ,裂纹几何形状等损伤看成是磨粒几何形状 , 材料特性和外载荷等因素的函数 ,建立磨削评价模型 , 然后用 T. G. Bifano 能量守恒定律来描述材料的脆性 去除向延性去除过程的转变过程 。 2 . 2 磨削工艺及磨削加工性的评价 80 年初 ,日本学者富森,贵志浩三 ,田中义信等 发表了多篇文章 ,阐述了 Al2O3 及 Si3N4 等陶瓷磨削的 基本规律 ;影响磨削加工性的主要因素及金刚石砂轮 的磨 削 性 能 , 至 今 各 国 学 者 对 各 种 先 进 陶 瓷 材 料 如 Al2O3 ,Si3N4 ,ZrO2 , Sialon , SiC ,Mn - Zn 铁氧体 ,单晶硅 , 光学玻璃和金属陶瓷等的磨削力 ,磨削热 ,表面质量 , 砂轮磨损及修整进行了系统的研究 ,并研制成多种具 有复杂几何形状的高科技产品 ,已为许多工业部门所 采用 ,已达到较高的水平 。在这一领域下述几项成果 具有较大的影响 。2 . 2 . 1 在线电解修整金刚石砂轮 ( EL ID) 的精
