10第七章 陶瓷精加工

第七章陶瓷精加工

内容提要:

1、先进陶瓷精加工机理；

2、各种陶瓷精加工方法，如磨削加工、切割和打孔，以及精加工设备;

重点掌握陶瓷制品的磨削加工工艺及设备，了解切割、打孔工艺及其设备和激光与镭射加工、线切割加工等当今先进加工技术。

主要外语词汇：

hone 珩磨，珩磨机；

lap 研磨

microfinishing 精密磨削

abrasive 研磨料

polish 抛光

grinding 磨削，研磨

第一节 陶瓷精加工机理

加工的定义：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。

1.1 陶瓷材料的结构性能特点

陶瓷材料属于多相多晶体，由离子键或混合键（离子-共价键）结合而成，质地硬而脆，属于硬脆材料，难于机械加工和保持加工精度。

1.2 陶瓷材料的加工机理

陶瓷作为硬脆材料，其精加工是以加工点部位的材料微观变形或去除作用的积累方式进行的。

图5.1为加工量造成变形断裂的原因示意图。

从图中可以看出，当一次加工量达到10um时，陶瓷材料出现裂纹，这种裂纹现象被称之为“脆性断裂”。

第二节陶瓷精加工方法种类

陶瓷的精加工方法，依制品性能要求的不同、工艺不同有很多的方法。

一般还是以机械加工为主。

1、陶瓷的精加工依加工能量方式的不同，可归纳如下：

2、陶瓷的冷加工还可分为：

一般加工（丝级精度）；精密加工（微米级加工）；超精密加工（亚微米级至纳米级精度）。

超精密加工，因加工量极小，被加工陶瓷表面的晶体结构仍具有完整性。

陶瓷的机械加工主要是研磨和抛光，个别陶瓷（如六方氮化硼陶瓷）在一般精度和精密加工范围内，也可以用类似于金属加工的车、铣、刨加工等。

3、超精密精加工工艺示意图

第三节 磨削加工及设备

3.1 陶瓷磨削的应用：

1、电子陶瓷

电子陶瓷部件是指显微集成芯片、磁头和基板之类的计算机零件。

例如显微集成芯片是制造在单个晶片上的许多部件，被用来形成能提供特殊功能的表面形貌； 磁头和硬盘之间间隙的一致性和可靠性就是靠磁头表面的精密外形来实现。 一般来说，电子陶瓷的精加工在零件几何形状方面有非常严格的公差要求。

2 、技术陶瓷

技术陶瓷是开发利用各种陶瓷性能，如电、热性能和耐腐蚀性能等的零件。包括照明用石英管、半导体部件封装、核能、生物医学、光学纤维等。

技术陶瓷的加工常常涉及到把大零件或管子切割成具有最小缺口损伤的小零件，同时也经常要求无划痕或镜面光洁度的平面精加工。

图18－1表示在单轮和组合砂轮切割零件中使用的典型配置。

3、传统陶瓷

传统陶瓷是低密度、多孔陶瓷。它们一般尺寸较大或成块状，应用在陶瓷承受残酷的热、电或化学性能的地方。

典型应用实例有：耐火材料、炉衬、电子零件、涂层陶瓷等。

传统陶瓷的磨削加工在形状和结构上变化很大。磨削加工广泛地使用金属结合剂砂轮，用来切断零件或形成大平面。

与其它的应用相比，传统陶瓷的缺口损伤标准和公差要求一般很宽。

4 、先进陶瓷

先进陶瓷是供机械和结构使用的高强度、高密度（低气孔率）陶瓷，这些材料最难磨削。

典型要求是磨削后要有高的残留强度，并且要采用生产上可行的磨削方法（即短的磨削周期、经济的磨削工艺，以及一定的零件质量）。

图18.2是一些磨削后的先进陶瓷零件。

3.2 磨削机理：

磨粒切削刃撞击陶瓷工件瞬间，陶瓷材料内部就产生裂纹，这些裂纹的连接就形成切屑

金属材料依靠磨粒切削刃引起的剪切作用生成带状或接近带状的切屑。

Subramanian 和Ramanath1992 报道了陶瓷切削中除了脆性断裂磨屑外，还产生了类似延展性变形的磨屑形态。

1、磨削方向对陶瓷强度的影响

图18－5表示精密磨削后热压氮化硅陶瓷（HPSN）的强度（回弹模量，MOR）。从图中可以看到磨削方向对材料的强度有重要的影响（Ohta和Miyahara，1990）。当磨粒尺寸减小时，强度的各向异性逐渐减小。

因此，为了获得高的残留强度，使用细磨粒磨削有利。

2、表面光洁度和残留强度

图18-6表明：

①残留强度的提高与表面光洁度的改善有关。

②仅仅改善表面光洁度不足以提高强度。

如果使用粗磨料，即使具有好的表面光洁度也不会引起强度的提高，即，简单地通过对加工表面进一步的摩擦抛光，得到更好的表面光洁度，并不能去除已经在陶瓷表面造成的损伤。

这里所指的损伤主要是由于脆性破坏造成的裂纹生成和扩展。

3、磨料粒度对残留强度的影响

图18－5和18－6表明磨料越细，磨削后陶瓷的强度越高，表面光洁度越好。

试验已证明，当使用粗磨料时，氧化铝陶瓷的表面光洁度一般不随切深或工作台运动速度变化。然而，当使用细磨料时，光洁度逐渐改善。

4、图18－7表明磨削SIALON材料所需要的比能量（去除单位体积材料所需的能量）是磨料粒度的函数。可以发现当磨料粒度减少时，比能量显著地增加。

3.3陶瓷精加工精密磨削工艺的典型选择

3.4 磨料产品的选择

根据使用的磨料（类型、形状、强度和其它特性）、磨粒尺寸、结合剂种类（用于固定磨料的基体和它的摩擦行为）、磨料含量和磨料产品的形状和外形可将所有用于陶瓷精加工磨料产品进行分类。

具体的磨料产品选择可以从很多参考文献中获得（工程材料手册，1989，1994）；也可以向磨料制造商询问产品的特性。

这里重点讨论具有一般指导意义的问题。

1、陶瓷精加工使用的磨料

金刚石是陶瓷精加工优选的磨料，因为它是最硬的材料并且比陶瓷工件材料更耐磨。

图18-21是金刚石的硬度与其他工件材料和磨料硬度的对比。

根据不同的应用，金刚石磨料可以采用广泛的尺寸范围，如图18-22所示。