无机材料工艺原理08无机非金属材料的加工ppt课件

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磨料喷射加工
磨料喷射加工示意图 压气瓶； 2 过滤器； 3 磨料室； 4 手柄； 5 喷嘴； 6 集收器； 7 工件； 8 控制阀； 9 振动器； 10 混合腔
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常规加工－激光加工
当激光照射在被加工工件表面时，光能被吸收 并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化以 致气化蒸发，形成小四坑随着激光能量的继续吸收， 凹坑中蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物被爆 炸性地高速喷射出来，所产生的反冲击力又在工件 内部形成一个方向性很强的冲击波。在高温熔融和 冲击波的同时作用下，工件达到加工的目的。
目前主要有以下三种形式： 绕线式线锯：切割运动与钢丝锯类似，切割
时，锯丝从一个绞轮绕到另一个绞轮上， 由于锯丝无焊缝，因此可实现高速切割。
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金刚石线锯－固结磨料锯
目前主要有以下三种形式： 往复式线锯：锯丝可上下往复运动结构较简
单，适应性好，可切割各种硬脆材料内, 外曲线表面。但锯丝的有效工作长度受到 限制，利用率不高，切割速度较低 (一般 为 2 ～ 3m/s) 。
• 无机非金属材料的加工 • 尺寸规整度：方法切割加工 • 表面光洁度：研磨与抛光 • 表面处理：防污 • 所有的加工，只是对其器形进行微调。 • 绝不能象加工金属一样加工陶瓷制品！！
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例如
• 显微镜观察用的光片与薄片应如何加工？ • 光片 • 薄片
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无机非金属材料的加工特征
烧结制品的精度都不可能很高，要获得 高精度、高表面质量的制品及元件，只有通 过加工及精加工甚至超精密加工才可实现。
加工精度越高的加工方法，材料的去除 速度越慢，生产效率越低、生产成本越高。
可通过提高加工精度，来提高产品的功 能和附加值。
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无机非金属材料的加工特征
无机非金属材料超精密加工特征： 弹性系数高、刚性好； 硬度高、耐磨性好、去除量小； 加工变质层小； 晶相稳定； 耐蚀性好； 适合超精密平面加工。
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无机非金属材料的加工特征
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金刚石线锯－钢丝锯
提高切割效率的关键是提高切割速度，方法： 通过单向行程钢丝，切割速度可提高 1 ～ 2 倍，达
400 ～ 800 ｍ/min； 通过提高送料速度，可缩短锯切时间，钢丝可重复使
用 5 ～ 10 次； 仍 用 单 向 走 丝 ， 但 增 大 钢 丝 线 长 度 ， 达 300 ～
500km，是普通钢丝线长度的 5 ～ 10 倍，最大 走线速度可达 900 ｍ/min。
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金刚石线锯－金刚石串珠锯
传统的金刚石串珠制备方法 电镀法：只有一层金刚石磨料，开始加工时切割速
度较快，但磨损速度也较快； 热压烧结法：1983年以后出现的烧结式串珠可以不 断地更新金刚石磨料，虽然切割速度较慢，但使用寿命
较长。 共同缺点：金刚石磨粒为随机分布，均匀性较差， 目前已开发出磨粒可按一定方向均匀分布的镶焊式金刚
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常规加工-切割加工
工艺要求：高效率、低成本、窄切缝 (材料利用率高) 、无损伤、无环境污染等。
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常规加工-切割加工
金刚石锯片切割，不能切割曲线，且切缝较宽， 出材率较低，不适于对贵重材料的精密切割；
激光束切割，切割深度有限，增大激光器功率， 则激光与工件间产生的高温等离子体会明显降低加 工效率，增加熔融物的排出难度，且设备投资费用 昂贵；
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常规加工-研磨与抛光
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。
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研磨硬脆材料时的加工过程 :
常规加工-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 去因磨粒的力学作用产生的加工缺陷。
阳极氧化蒸镀真空蒸镀晶体生长分子束外延烧结掺杂渗碳溅射沉积离子沉积离子镀离子溅射注入加工变形加工流动加工热流动加工高频电流热射线电子束激光液体气体流动加工压铸挤压喷射浇注微粒子流动加工超精密加工方法分类超精密加工方法分类分类加工方法可加工材料切削加工等离子体切割微细切削微细钻削各种材料有色金属及其合金低碳钢铜铝磨料加工微细磨削研磨与抛光弹性发射加工喷射加工黑色金属硬脆材料金属半导体玻璃金属非金属金属玻璃水晶特种加工电火花成形加工电火花线切割加工电解加工超声波加工微波加工电子束离子束激光去除加工光刻加工导电金属非金属导电金属金属非金属硬脆金属非金属绝缘材料半导体各种材料金属非金属半导体复合加工电解磨削电解抛光化学抛光各种材料金属半导体金属半导体综合性高新技术已发展成它以人技术组织为基础的精密加工系统工程涉及到如下因素
磨削加工过程是高速旋转的砂轮磨粒对被磨削 层的挤压过程，磨屑实际上是被挤压下来的磨削过 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。
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常规加工-磨削加工
磨削加工形式：外圆磨削 (其方法有纵向磨削 法、切入磨削法、综合磨削法、深度磨削法) 、内 圆磨削、平面磨削 (又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) 、无心磨削 等；按以砂轮工作表面来区分，磨削加工又可分周 边磨削、端面磨削、成型磨削三大类。
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常规加工－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，另外，还开发了以等离子体进行加 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。
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常规加工-磨削加工
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金刚石线锯－固结磨料锯
金刚石线锯可切割硬脆材料的优点： 切割未经烧结的硬质合金时可保证其软边缘不产生
破损； 切割脆性晶体的加工效果优于砂轮切割，锯丝接触
工件后，其振动可马上停止； 加工温度较低，适于切割易炸裂材料； 切割绝缘体时不会引起崩碎； 可切割精密窄缝； 可切割出大尺寸工件切片。
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金刚石线锯－固结磨料锯
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金刚石线锯－钢丝锯
钢丝锯切割的优点：切缝窄 (目前最小 切缝可达 0.2 ｍｍ) 、切片量大、加工成本 低等；
缺点：可靠性较差、钢丝耐用度低，钢 丝锯加工所用切割液通常为磨料与矿物油按 一定比例混合而成，常用的磨料为碳化硅。
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金刚石线锯－固结磨料锯
采用电镀工艺将金刚石磨粒固着于钢丝 基体上制备而成其最大特点是采用线型锯丝， 因此可对硬脆材料进行曲线切割，锯缝可小 于 1mm ，不仅可用于加工石材，玻璃等普通 硬脆材料，而且特别适合宝石，玛瑙，陶瓷, 水晶等贵重硬脆材料的精密切割。
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金刚石线锯
线锯种类
使用游离磨料钢丝锯；
使用固结磨料金刚石线锯和金刚石 串珠锯。
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金刚石线锯－钢丝锯
钢丝锯：用一根钢丝缠绕在一组锯丝导轮上，形 成一排按一定间隔排列的切割线切割时，钢丝按一 定方向运动，并与工件相互压紧，当含有游离磨料 的切割液浇注到工件与锯丝之间时，锯丝的快速运 动将切割液带入工件切缝中，而对工件材料产生切 割作用。
2. 出材率提高； 3. 可有效控制锯丝弯曲，提高切割精度； 4. 数控切割并且允许切割形状复杂的曲面。 5. 振动切割，其效率相当于普通无振动切割的 3
倍，并且可以降低切削力，提高切割精度，延长 工具寿命。
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常规加工-切削加工
通常用超高精度的车床和金刚石单晶车刀进行 加工，吃刀深度与走刀量都很小，可用于精加工， 它是一种高效率的加工方法一般，切削工具的硬度 为被加工物硬度的 4 倍左右。高硬度的氧化铝陶瓷 可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。
高压水射流切割，可以切割石材、陶瓷等脆性 材料，但切缝较宽，不易实现精细的切割加工，且 设备昂贵，需耗费大量水资源。
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无机非金属材料的常规加工
近十几年来，随着超硬材料及其应用技术的迅 速发展，切割加工无机非金属材料的新工艺、新设 备不断涌现，其中金刚石线锯切割技术发展较快， 其独特结构不但能切割各种贵重硬脆材料，而且可 以方便地切割曲线。
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常规加工-粘弹性流动加工
粘弹性流动加工的特点： 适用范围广，尤其适用于各种型孔、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，加工后表面粗糙度可
达原始的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l～ 5min；对小 型零件可以同时加工多件。 但仅适于表面加工，不能修正零件的形状误差。
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磨料喷射加工
利用混有细磨料粉末的气体，聚焦成束 的高速喷射来进行加工磨料种类应随被加工 陶瓷的硬度而定。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，特别硬的陶瓷可用碳化硼作磨料。
磨料种类、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 度等都可能是影响磨料喷射加工的因素通常
与金属材料相比，无机非金属材料的弹 性变形小，适合于超精密加工，且在使用时， 易于保持精度。但对于一些小体积的薄形产 品，则由于刚性较差，易造成加工精度的降 低。
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无机非金属材料的加工特征
无机非金属材料硬度高、耐磨性好、去 除量小，故加工效率低，但加工面粗糙度小、 加工变质层也较浅。
导热性差，加工点附近温度容易上升， 刀具的磨损较大，增加了加工阻力和加工热 量，进而导致了各种加工误差，且易在材料 表面产生裂纹及缺陷，降低加工精度和表面 质量。
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常规加工-研磨与抛光
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，抛光时，由于摩擦力 而发生粉末脱落，使加工得以进行。
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常规加工-粘弹性流动加工
这是利用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。
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无机非金属材料的加工特征
适合超精密平面加工：金属都是多晶体， 没有实用的单晶材料。但无机非金属的各种 单晶材料正在实用化。抛光多晶材料时易产 生由结晶方位引起的各向异性，而单晶材料 却易于均匀地平面抛光，得到无残留加工变 质层的平滑表面。
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无机非金属材料的常规加工
最常用的机械加工方法是切削加工，其 主要形式是材料的脆性断裂过程，导致了零 件强度的不稳定性。提高无机非金属材料加 工质量、可靠性和生产效率，是使它们得以 广泛应用的基本要求。
无机非金属材料的加工
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本章内容
• 无机非金属材料的加工特征 • 无机非金属材料的常规加工 • 无机非金属材料的精密加工 • 陶瓷的金属化与封接
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考虑？？？
• 材料工程基础中，金属材料的加工方法： • 铸造 • 压力加工 • 焊接 • 表面处理 • 无机非金属材料有无这些加工？
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无机材料加工实例
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无机非金属材料的加工特征
加工变质层小：在较高温度下才有塑性 变形，加工中不会产生毛刺，使用中发生刻 痕时，其两侧也不会有材料凸起现象，易保 持形状精度。
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无机非金属材料的加工特征
加工变质层小：在较高温度下才有塑性 变形，采用先粗加工〔确保形状精度），再 精加工〔除去粗加工的变质层），可提高加 工效率。
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常规加工-研磨与抛光
抛光目的：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Βιβλιοθήκη 磨粒的大小和保持磨粒 的方法不同。
陶瓷研磨：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：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。
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金刚石线锯－固结磨料锯
目前主要有以下三种形式： 环形回转式线锯：焊接为环形，可通过导轮
实现循环切割，整个锯丝长度均可参与切 割，使用寿命长，切割速度高 (可达 10 ～ 20m/s) ；但切割内曲面时必须先 切割一条引线槽。
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金刚石线锯－金刚石串珠锯
金刚石串珠锯：最早出现于 70 年代， 应用于石材开采，后来广泛用于建筑物、桥 梁等混凝土结构的拆除和改造，也用于切割 玻璃等硬脆材料金刚石串珠锯由钢丝绳芯、 金刚石串珠和隔离套组成，串珠按一定间隔 穿在绳芯上，并由隔离套相互分开。
石串珠。
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金刚石线锯－金刚石串珠锯
金刚石串珠锯不但能切割直面，而且能 切割曲面切割板料时，可进行多道串珠锯切 割，生产效率很高，用途广泛。但切缝较宽， 因此目前还不适合用于细微结构和贵重材料 的切割加工。
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线锯切割－发展方向
1. 切割速度将不断提高：往复式线锯仅为 2 ～ 3m/s ，而回转式线锯则可提高到 20m/s 以上；
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粘弹性流动加工过程示意图 1、粘性磨料； 2、夹具； 3、上部磨料室； 4、工件；5、下部磨料室；6、液压操纵活塞的
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常规加工-粘弹性流动加工
粘性磨料介质应具备的性能： 有一定的流动性和粘弹性； 有很强的内聚力； 有很小的内摩擦力； 稳定性好，使用寿命长； 磨料不粘到加工零件上； 切削作用强，加工速度快，抛光效果显著； 介质对工件无腐蚀作用，对人体无影响。
常多种加工法同时使用，并在抛光液中 添加化学药品，既可保证加工形状精度，又 可得到化学加工的无损伤加工面。
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无机非金属材料的加工特征
晶相稳定：在高温下不会发生类似金属 组织学的相变，故用其制造的零件不会发生 时效变化，尺寸及形状能长期保持稳定。
耐蚀性好：不易氧化，表面耐腐蚀性好， 在加工和使用过程中不会生锈。