特种陶瓷第六章陶瓷材料的加工

《特种陶瓷第六章陶瓷材料的加工》由会员分享，可在线阅读，更多相关《特种陶瓷第六章陶瓷材料的加工（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章陶瓷加工,陶瓷加工成一定形状和尺寸后，才能将这些功能定量地表示出来，加工后的陶瓷就成为零(部)件或制品。 陶瓷与金属或塑料相比，适用范围限制的原因：形状、尺寸难以控制，不能将定性功能进行精密的定量所致。 用于机械方面的结构陶瓷材料，要在它的某些部位与金属部件进行紧密的结合或配合。,6.1陶瓷加工定义,陶瓷的加工可定义为： 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）切削加工 切削加工：利用金刚石、立方氮化硼、硬质合金钢等超硬刀具对陶瓷材料进行（形状）平面加工。 切削加工：干式切削与湿式切削；通常采用湿法切削，即不间断向刀具喷射切削液。 喷

2、射切削液的主要目的： 带走切削碎屑，减少刀具与材料的摩擦 降低刀具和加工材料的温度 延长刀具使用寿命，减少材料表面损伤等。,6.1机械加工,切削工具的硬度被加工物硬度的4倍左右。 高硬度的氧化铝陶瓷选用多晶金刚石刀具进行切削加工 烧结或熔融氟云母成型的云母陶瓷也容易进行切削加工。 国外研制成功了多种采用高精度空气轴承主轴的超精密机床，用金刚石刀具能高精度切削加工各种非金属材料，且加工成本低。 等离子体进行加热切削的方法，这种方法是用等离子体加热陶瓷至高温后，在强度较低状态时切削陶瓷，可采用CBN(立方氮化硼)切削工具，工具尖端用水冷却。,2） 磨削加工 （1） 基本原理 磨削加工过程是高速旋转

3、的砂轮的磨粒对被磨削层的挤压过程 磨削过程中有的磨粒起切削作用，有的起刻划作用，有的则仅起摩擦抛光作用。 陶瓷零件经磨削加工后尺寸精度可以达到 SJ 1782-81规定的1级精度，表面粗糙度可达金属标准Ra 1.6以上，并能获得精确的几何形状。,（2） 磨料的种类 磨料种类：天然磨料和人造磨料两大类。适合陶瓷加工用的人造磨料有碳化硅类和超硬类磨料两类。 a.碳化硅类磨料 碳化硅类磨料硬度比刚玉高，磨料刃口锋利，导热性好，但韧性差，不宜磨削钢材等，却适用于磨削脆性材料。它是加工陶瓷、玻璃等脆硬材料的最佳磨料之一。,(2) 超硬类磨料 人造金刚石是目前世界上已知材料中最硬的一种。其刃角非常锋利，且

4、能长时间地保持，适用于加工一般磨料难以加工的高硬度材料。它具有磨削性能好、切削效率高、磨削力小、磨削温度低等优点。,3) 砂轮 砂轮是将分散的磨粒用结合剂粘合在一起后而制成的不同形状的磨具。 (1) 砂轮的硬度 砂轮的硬度是指磨粒受磨削力作用时脱落的难易程度，与磨料的硬度是两个不同的概念。砂轮过硬或过软都直接影响产品加工质量和产量。,(2) 砂轮的组织 砂轮的组织是表示砂轮松紧程度的，它与磨粒结合剂与气孔三部分的体积比例有关。通常用砂轮中磨料所占体积的百分比来表示砂轮的松紧程度，可分为紧、中等、松三大类和十二个组织级别。,(3) 砂轮的强度 砂轮的强度一般用安全线速度来表示。使用时砂轮的圆周线

5、速度不能超过规定的安全线速度。普通砂轮的安全线速度为35m/s。 (4) 砂轮的尺寸和形状 不同类型规格的磨床都明确规定所用砂轮的形状和尺寸。,4) 磨削的类型 磨削加工的形式很多，有外圆磨削、内圆磨削、平面磨削、无心磨削等； 按砂轮工作表面来区分，磨削加工：周边磨削、端面磨削、成型磨削。 平面磨削分为适用于精磨的圆周磨削、适用于粗磨的端面磨削、转盘式研磨。 外圆磨削的方法有：纵向磨削法、切入磨削法、综合磨削法、深度磨削法。,6.3 研磨与抛光,研磨、抛光加工：用游离磨料对被加工表面材料产生微细去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

6、陶瓷球的精密加工中，研磨、抛光加工有着不可替代的位置。,3. 研磨与抛光,3. 研磨与抛光,图3说明在加工面上产生的微小裂纹趋于长大，然后尖端脱离。 影响加工特性的主要因素有研具的种类、磨粒的种类和大小、研磨液、加压压力、加工速度等。 抛光的目的是使表面光滑。 抛光时采用软质、富于弹性或粘弹性的工具(抛光机)及微粉磨料。抛光与研磨的差别在于磨粒的大小和保持磨粒的方法不同。,3. 研磨与抛光,1) 陶瓷的研磨与抛光机理 研磨加工一般使用较大粒径的磨粒，其刃口曲率半径较大，常采用钝角压痕器的磨削分析模型，在研磨硬脆材料时，磨料具有滚压作用，而嵌入研具中磨粒的外露刃口通过微切削作用而去除材料。 抛光

7、使用较小粒径的磨粒，曲率半径小，可用锐角压痕器磨削模型，加工表面的抛光是以磨粒的微小塑性切削，生成切屑而去除材料的。,3. 研磨与抛光,由于接触表面局部高温和高压，生成化学反应物由抛光盘不断将材料去除的。当用软质研磨抛光盘时，可用伴随着滑动的压痕器磨削模型，材料是以局部微裂纹扩展，塑性流动和界面反应去除材料的。 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。,3. 研磨与抛光,研磨加工是介于脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法， 抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围内进行。 研磨、抛光加工由于材料去除量

8、小，加工效率低，一般只用于超精加工的最终工序。 研磨、抛光加工的材料去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。 抛光的机理有多种，由此产生了许多不同的抛光方法。如复合抛光、软质粉末的机械化学抛光、水合抛光及无污染抛光等。,3. 研磨与抛光新工艺及原理,2） 陶瓷研磨抛光新工艺 (1) 弹性发射加工技术 (2) 液体浮动研磨与抛光技术 (3) 界面反应抛光技术 (4) 机械化学固相反应抛光 (5) 水合反应抛光 (6) 磁悬浮抛光技术,3. 研磨与抛光,对电子材料的最终精加工还可采用具有复合效果的化学-力学抛光法，即采用磨粒的力学研磨确保形状精度，同时用化学研磨除去因磨粒的力学

9、作用产生的加工缺陷。 由软质粉末产生的机械-化学抛光的最大特征是其粉末比加工物的质地还软，能够与加工物发生固相反应，在其与通常抛光进行同样的滑动时，由于摩擦力而发生粉末脱落，使加工得以进行。 有时为了减少加工物以外的其它元素所引起的污染，可采用与加工物陶瓷材质相同的陶瓷藉其相互摩擦而进行抛光。,4. 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4为加工过程示意图。 粘性磨料在一定压力作用下反复在工件待加工表面滑移通过，从而达到表面抛光或除去毛刺的目的。,4

10、. 粘弹性流动加工,4. 粘弹性流动加工,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的。粘性磨料介质应具备如下性能： (1) 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。,4. 粘弹性流动加工,3） 粘弹性流动加工的特点 (1)适用范围广：此法适用于各种型孔、交叉孔、喷嘴小孔等内壁的精加工。 (2)抛光效果好，加工精度较高：加工后的表面粗糙度和原始状态有关，可达原始粗糙度的1/1

11、0，一般可提高3级左右。 (3)加工效率高：磨料流动加工时材料的去除量一般为0.010.1mm，加工时间通常为15min；对小型零件可以同时加工多件。,5. 磨料喷射加工,1) 基本原理 磨料喷射加工是利用混有细磨料粉末的气体，聚焦成束的高速喷射来加工工件材料的。 压气瓶供应的气体必须是干燥清洁的，并具有适度的压力。混合腔利用一个振动器进行激励，以使磨料均匀混合。喷嘴紧靠工件并且有一个很小的角度。 加工硬度较小的陶瓷可用石英或石榴石，加工较硬的陶瓷可用碳化硅或氧化铝，对特别硬的陶瓷可用碳化硼作磨料。,5. 磨料喷射加工,7,5. 磨料喷射加工,2) 影响加工过程的因素 影响磨料喷射加工的因素有

12、磨料的种类、磨料尺寸、喷嘴口径、喷嘴与工件表面的距离、喷嘴角度、磨料喷射速度等。通常磨粒愈大，喷射速度愈高，材料的去除速度也愈快。,6.超声波加工,1) 基本原理 超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。加工时，在工具和工件之间加入液体(水或煤油等)和磨料悬浮液，并使工具以很小的力P轻轻压在工件上。超声换能器产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.050.1mm左右，驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，而被打击下来。,6.超声波加工,

13、与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，促使工作液钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。 所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，以强化加工过程。,6.超声波加工,6.超声波加工,2) 影响加工速度的因素 影响超声加工速度的主要因素有： (1) 工具的振幅和频率的高低 过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，可能超过它的疲劳强度而降低使用寿命，而且在联结处的损耗也增大。因此一般

14、控制振幅在0.010.1mm，频率在1600025000Hz之间。,6.超声波加工,(2) 进给压力的大小 加工时工具对工件应有一个合适的进给压力，压力过小，则工具末端与工件加工表面间的间隙增大，从而减弱了磨粒对工件的撞击力和打击深度；压力过大，会使工具与工件间隙减小，磨料和工作液不能顺利循环更新，也将降低生产效率。一般而言，加工面积小时，单位面积最佳静压力可较大。 (3) 磨料硬度的高低 磨料硬度愈高，加工速度愈快，通常采用金刚石、碳化硼、碳化硅、刚玉等磨料。,6.超声波加工,(4) 磨料悬浮液浓度的大小 磨料悬浮液浓度太大或太小都会使加工速度降低，通常采用的浓度为磨料对水的质量比约0.51左右。 (5) 被加工材料的性质 被加工材料愈脆，则承受冲击载荷的能力愈低，因此愈易被加工；反之韧性较好的材料则不易加工。,6.超声波加工,3) 超声波加工的特点 (1) 适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、金刚石等。 (2) 加工设备结构简单，操作、维修方便。 (3) 工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，表面粗糙度也较好，而且可以加工薄壁、窄缝零件。,