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陶瓷材料加工技術的突破及成本趨勢
發布時間:2019-11-08????來源:明睿陶瓷???作者:管理員
       陶瓷材料具有良好的耐高溫耐腐蝕性能、強度高、硬度高,是優良的高性能材料。隨著陶瓷材料學的發展,其制備技術也越來越多,陶瓷材料的性能也逐步得到提高。陶瓷材料可以用到空間探測、航空航天等高技術領域中。
 
陶瓷材料的原子通過共價鍵、離子鍵結合,而金屬材料通過金屬鍵相結合,所以陶瓷材料與金屬材料有完全不同的性質。陶瓷材料在常溫下對剪切應力的變形阻力很大,且硬度很高。由于陶瓷晶體是由陽離子和陰離子以及它們之間的化學鍵組成的,化學鍵具有方向性、原子堆積密度低、原子間距大,使陶瓷顯示出很大的脆性,加工產生的缺陷多,所以是典型的難加工材料。發展高效低成本的加工技術十分重要。
 
1、陶瓷材料的車磨削加工技術
 
      陶瓷材料的脆性極高,似乎很難將陶瓷與車削聯系起來,但是陶瓷材料的壓痕實驗表明如果選用合適的金剛石刀具角度和切削參數仍然可以實現陶瓷材料的延性加工。相關的實驗也表明采用超硬刀具材料都可以加工陶瓷材料。李湘釩超精密車削陶瓷材料的實驗表明采用W-Co類硬質合金可以加工陶瓷零件。日本的原昭夫曾采用聚晶金剛石刀具車削Al2O3和Si3N4陶瓷。目前車削陶瓷材料主要選用金剛石刀具。在刃磨性能上單晶金剛石刀具優于聚晶金剛石刀具,它們都屬于微量切削,去除率較低,加工質量和精度難以保證,還有待于進一步的研究。
 
      磨削可以滿足硬金屬的加工要求,因而也可以成為陶瓷材料的主要加工方法,其精度和效率比較適中。磨削陶瓷材料一般選用金剛石砂輪,金剛石砂輪磨削材料時磨粒切人工件,磨粒切削刃前方的陶瓷表面材料受到擠壓,當壓力值超過陶瓷材料承受極限時被壓潰,形成碎屑。同時磨粒切人工件時,由于壓應力和摩擦熱的作用,磨粒下方的材料會產生局部塑性流動,形成變形層,當磨粒切出時,由于應力的消失,引起變形層從工件上脫離形成切屑。從成屑機理上看陶瓷
 
      材料的去除方式仍然是脆性的。磨削加工后的表面殘留了大量的加工缺陷,因此深加工就成為必然的工序。為了降低深加工的成本,近年來提出了延性域磨削的概念。延性域磨削以提高磨削表面質量為主要目標,采用調整磨粒排布方式以及精密修整等技術來實現陶瓷材料的高效精密加工。陶瓷材料的磨削還存在砂輪磨損堵塞以及加工效率低等問題,這些問題有待于進一步的研究。
 
2、陶瓷材料的特種加工技術
 
      超聲加工是在加工工具或被加工材料上施加超聲波振動,在工具與工件之間加入液體磨料或糊狀磨料,并以較小的壓力使工具貼壓在工件上。加工時,由于工具與工件之間存在超聲振動,迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷撞擊、拋磨被加工表面,加上加工區域內的空化、超壓效應,從而產生材料去除效果。超聲加工比較適合陶瓷材料表面脆性的特點,這種方法加工的表面質量較好,容易實現加工自動化。其缺點是加工效率較低,工具壽命較低。
 
      激光加工陶瓷材料,是利用能量密度極高的激光束照射到陶瓷材料表面上,光能被陶瓷表面吸收,光能部分轉化為熱能,使局部溫度迅速升高產生熔化以至氣化并形成凹坑。隨著能量的繼續吸收,凹坑中的蒸氣迅速膨脹,把熔融物高速噴射出來,同時產生一個方向性很強的沖擊波,這樣材料就在高溫、熔融、氣化和沖擊作用下被蝕除。激光加工高效環保,但光斑表面的溫度梯度容易形成陶瓷材料表面的微裂紋,而且激光設備昂貴,使用成本較高。
 
      電火花加工主要是通過電極間放電產生高溫熔化和汽化蝕除材料。電火花加工適合于導電材料的加工。因為陶瓷材料是電絕緣體,所以必須采取特殊工藝。一種高壓電火花加工方法是在尖電極與平電極間放入絕緣的陶瓷材料工件。兩電極間加以直流或交流高電壓,使尖電極附近的介質被擊穿,發生輝光放電蝕除。另一種加工方法是在薄片陶瓷工件上壓放一塊薄金屬網作為輔助電極,輔助電極和工具電極分別與脈沖電源的正負極相連,并放在油類工作液中,當脈沖電壓施加到兩極間,便在工具與輔助電極間產生火花放電;當電火花穿過工件上的輔助電極時,由于金屬材料的氣化噴射或濺射等作用使陶瓷零件表面導電,加工得以持續。還有一種加工方法是在陶瓷的表面涂覆導電材料進行電火花加工。電火花加工仍面臨加工效率低、加工表面質量難以保證等問題,這些有待于進一步的研究。
 
3、特種加工輔助車磨削技術
 
      車磨削加工的效率相對較高,但其對工具的要求非常高,而且陶瓷材料的表面質量難以保證,對于成形陶瓷零件的加工也較難。為了提高陶瓷材料的加工精度以及加工范圍,在車磨削加工中引入特種加工技術將會同時獲得較高的加工效率和表面質量。
 
      超聲磨削加工,是在磨削加工的同時,對工具或工件施加超聲頻率振動,充分利用超聲波的高頻振動和空化作用去除材料,超聲磨削加工方式較適用于陶瓷材料的加工,其加工效率隨著材料脆性的增大而逐漸提高。超聲磨削技術可以明顯降低磨削溫度、增加砂輪使用壽命、提高加工精度和表面質量。
 
      激光輔助車削技術是將激光照射到刀具附近的陶瓷材料,在車削陶瓷材料的過程中,材料剪切區域因激光產生高溫軟化,減小了陶瓷材料的切削阻力,增加了陶瓷材料的加工延性,從而達到了陶瓷材料的高效延性加工。
 
      在線電解磨削技術是將電解技術引入到磨削過程中,通過連續有限量的電解作用來蝕除砂輪表面的金屬結合劑從而對砂輪進行修整以達到微粉磨粒不斷出露的目的。在線電解技術是日本理化研究所研究的成果,加工陶瓷材料可以達到超精密加工的水平。
 
4、成本趨勢

      隨著陶瓷材料加工技術的不斷突破進步,生產效率提升較高,陶瓷加工成本也在不斷降低。
 
5、結論
 
      陶瓷材料在高技術領域中應用的廣泛性促進了其加工技術的研究。陶瓷材料硬度高脆性大,采用傳統的車磨削技術進行加工難度比較大,而特種加工技術效率低成本高,所以采用傳統的車磨削技術與特種加工技術相結合的方法將是以后陶瓷加工技術研究的趨勢。
 

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