陶瓷加工技术

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1．机械加工 " z: V. E9 {/ v+ ?) C

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机械加工是陶瓷材料的传统加工技术，也是应用范围最广的加工方法。机械加工主要是指对陶瓷材料进行车削、切割、磨削、钻孔等。其工艺简单，加工效率高，但由于陶瓷材料的高硬、高脆，因此机械加工难以加工形状复杂、尺寸精度高、表面粗糙度低、高可靠性的工程陶瓷部件。下图为切割、磨削、钻削加工示意图。

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陶瓷的机械加工示意图
a 切割加工  b磨削加工  c钻削加工

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（1）陶瓷材料的切削加工

切削加工是利用金刚石、立方氮化硼、硬质合金等超硬刀具对陶瓷材料进行平面加工，通常采用湿法切削，即不断向刀具喷射切削液。使用切削液的主要目的是带走切削碎屑、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。由于加工过程中，材料表面受到机械应力作用，容易在材料表面产生凹坑、崩口、表面及表下层微裂纹。刀具、切削液的选择，刀具切削进给速度、进给量等工艺参数的优化，是陶瓷材料切削加工的研究热点问题。

（2）陶瓷材料的磨削、抛光加工 0 |, h8 `+ M# ~' l0 ]; T' u

陶瓷烧结体表面，由于在成型、烧结以及加工过程中引人大量凹痕、微裂纹等缺陷，在工程使用及力学性能测试之前通常需经过磨削、研磨和抛光处理。它们的加工机理都是通过磨料与陶瓷工件在一定压力作用下，随着磨料与材料表面的相互运动，磨料颗粒与工件表面凹凸峰相互摩擦以实现材料表面的平整性。磨料、磨削液的选择，作用压力和相互滑移速度的控制是该加工方法的关键。

（3）陶瓷材料的钻孔加工 

陶瓷发动机、航天航空、化工机械等工程领域应用的陶瓷零件，通常需要进行孔洞的钻削加工。尤其带有螺纹的孔洞加工是陶瓷材料加工工艺中要求极高的工艺操作。目前机械钻削方法只能加工数毫米的陶瓷孔洞。微小孔洞的加工需要超声、激光、放电加工，以及机械加工等加工技术的复合加工。 $ ~3 a. V0 Q8 a( J

2．放电加工 & L+ X# [( b, m- S, k

1947年B.R.Lazarenko等提出了放电加工硬质金属材料的新思路。80年代末，放电加工技术被引入陶瓷材料加工领域。研究表明：当单相或陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属复合材料的电阻小于100Ω.m时，陶瓷材料可以进行放电加工，加工原理略。

根据放电加工的基本原理，材料的可加工性能主要取决于电学、热物理性能，如：电导率、熔点、比热、导热系数等。 0 M u; u" J1 U

放电加工是制备高尺寸精度、低表面粗糙度、复杂形状高性能陶瓷元件很有应用前景的加工技术，深入研究放电加工工艺控制步骤，设计和制备导电性能和力学性能俱佳的复相陶瓷材料是该方法未来发展的关键。

3．超声波加工 8 {0 Z; h, A+ v

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超声波加工是利用产生超声振动的工具(模具)，带动工具和陶瓷元件间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件进行加工。随着工具在三维方向上的进给，工具端部的形状被逐步复制在陶瓷工件上。常用的磨料是碳化硼、碳化硅和氧化铝等。一般选用的工作液为水，为提高材料表面的加工质量，也可用煤油或机油作液体介质。研究表明：用金刚石砂轮作超声波振动磨削陶瓷材料时，材料的去除速率随加工强度的增大而增高，只有达到某一临界压强时，磨料对陶瓷材料才有磨削作用。超声波加工的原理略。部分陶瓷材料超声波加工的工艺参数如下表所示。

部分陶瓷材料采用超声波加工的参数表

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制品名称	磨料		8 ]! V* O7 g; q8 g0 d5 i3 X 　 3 w6 X- E. f3 s 加工速度(mm/min)
	' a/ Q- v7 q5 m6 ], t& B2 l 磨料	7 O/ F4 Z5 j: O/ Q% Y1 f# _ 磨料目数
" f+ j9 d" _6 D8 b z* _ 石英	% Y9 R3 l7 D( \ SiC	8 n3 O) x8 m* o7 B 320	4 \7 c/ W. \- G5 B$ b 　 - o. @: R4 v( n" f/ [: m b 5.5
: l4 H5 k- q: `" k 单晶ZrO2	: l+ _. {5 P# w$ ]# b: P; ] n1 i3 J" s 　 SiC	5 z# E- E s4 s* j' c 　 320	7 v2 N& \* T( ~$ P. F+ E 　 7 g3 h; ? t) [1 `6 U8 J 3.5
W' K* ^* T9 l 红宝石	SiC	: q8 k x. d O8 Q' m0 j 280	3 ~3 B3 @0 g$ s) U" ` 0.8
Al2O3	: K* l, w, F6 d$ Y+ {; ~; N/ h 　 SiC	; R+ q1 s4 H3 |5 j/ e 　 280	! q. K& r0 |4 N5 h, n 　 Z9 p; w2 L# @: \, g 3.6
Si3N4	/ F2 h* M4 R. f; o E/ e/ U$ W B4C	$ t8 C O3 _- }! X L6 T% w 　 280	5 P4 o ]% o0 F: M3 O8 ` 　 3.0
# ]8 E. _. `0 @+ j SiC	; A, A$ I8 C: ~! }* u' r 　 B4C	/ O- Q3 A9 J e# d {( B: G5 e 　 - s c, W0 Q- V8 A m! p3 n 280	3 I5 u3 y8 e* s* ?" U/ ?6 w5 P 　 3.0

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4．激光加工

在陶瓷材料上采用激光钻孔和切割，一般所需激光功率为150W～15kW。但同放电加工一样，由于陶瓷材料热导率低，高能束可能会在材料表面产生热应力集中，形成微裂纹、大的碎屑、甚至材料断裂。激光加工适合于在有机物和陶瓷等无机物材料上进行微钻孔、微切割、制作微结构。目前已能加工直径为4～5μm、深径比达10以上的微孔。通常所用激光源为CO₂和Nd：YAG激光。 ) _1 e" q5 `3 D1 F9 Q6 z; D

5．复合加工

针对不同陶瓷材料及陶瓷材料的不同热力学、物化性能，传统机械加工技术不断完善，同时新型加工技术层出不穷。传统加工技术效率高、尺寸精度低、表面光洁度差，各种新型电、热、化学、激光等加工技术适合加工精度要求高、形状复杂同时具有特定性能(导电性、化学特性等)的陶瓷材料，但同时具有加工效率低、要求加工形状尺寸小等。近年来，各种复合加工技术在实验室及工程领域得到广泛重视和应用。各种复合加工技术包括：化学机械加工、电解磨削、超声机械磨削、电火花磨削、超声电火花复合加工、电解电火花复合加工、电解电火花机械磨削复合加工等。工程实践表明：复合加工技术可提高材料的加工 ( N+ Q: a5 T. A4 T

效率和改善加工后材料的表面质量，是陶瓷材料加工技术发展的趋势之一。

下面以化学机械加工中的化学机械效应(Chemmechanical)来说明复合加工的优势。 y3 G$ m7 u* g3 h. a( P

在陶瓷材料的磨削、切削过程中，喷射的磨削、切削液通过与加工件表面的相互化学键合，对材料的去除率及表面光洁度有显著的影响。由于加工摩擦产生的机械能，引发许多复杂的化学反应。这种所谓的“化学机械效应”直接影响机加工过程中的摩擦系数、刀具或砂轮的磨损率、材料表面的粗糙度及力学性能、材料的去除率等。因此分析和研究磨削、切削液的理化性能对陶瓷材料加工性能的影响，选择适当的切削、磨削液也非常重要。Liang H．等研究了切削液、磨削液与蓝宝石、氧化铝多晶材料、单晶硅、氮化硅、碳化硅和硅玻璃等在加工中的化学机械作用。研究表明：硼酸和硅酸的水溶液分别作为不同陶瓷材料的切削液，其钻孔效率比水和商用切削液提高50％左右。Jahanmir S.等发现，在加工氧化铝多晶材料时，硼酸替代水作切削液，钻孔率提高，而硼酸对蓝宝石和硅基陶瓷材料则末发现相同的效应。估计可能是硼酸与氧化铝多晶材料的无定形晶界相反应，促使晶粒间发生断裂，提高了材料加工过程中的去除率。另一种化合物硅酸不与氧化铝相互作用，却可提高单晶硅、氮化硅、碳化硅材料的加工性能，目前该化学机械作用的机理还不清楚。【MechNet】

销销磨工

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