第6章 陶瓷的加工及改性

10.03.2021
河南省精品课程——陶瓷工艺原理
第二节 陶瓷的特种加工技术
6.2.1 电火花加工 电火花加工的原理是基于工件和工具（正、负电极）之间脉冲性火花放电时
的电腐蚀现象来蚀除（corrosion removing）多余的金属，以达到对零件的尺寸、 形状以及表面质量预定的加工要求。下图为放电加工示意图
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6.1.3 陶瓷的研磨、抛光加工
一、陶瓷的研磨（grinding） ①研磨加工是利用涂敷或压嵌游离磨粒与研磨剂的混合物在一定刚性的软质研具上，
研具与工件向磨粒施加一定压力，磨粒作滚动与滑动，从被研磨工件上去除极薄的余 量，以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法，研磨加工示意图如下图。
激光
M1
M2
M3
工件 刀具
100
M4 180
激光加工原理示意图
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6.2.4 超声波加工（ultrasonic machining）
③研磨工程陶瓷用的磨料一般采用B4C和金刚石粉，磨料粒度范围为250~600目，冷 却液可选用煤油或机油。但对于较大尺寸的制品，不适合采用端面研磨机加工，通常 采用研磨砂布进行加工。
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二、陶瓷的抛光（polishing）
①抛光是使用微细磨粒弹塑性的抛光机对工件表面进行摩擦使工件表面产生 塑性流动，生成细微的切屑，材料的剥离基本上是在弹性的范围内进行。 ②抛光的方法：一般的抛光使用软质、富于弹性或粘弹性的材料和微粉磨料。 ③抛光加工的用途：它是制备许多精密零件如硅芯片、集成电路基板、精密 机电零件等的重要工艺。 ④抛光时在加工面上产生的凹凸，或加工变质层极薄，所以尺寸形状精度和 表面粗糙度比研磨高。
6.1.1 陶瓷的切削加工（cutting）
一、陶瓷材料的切削加工特点 （1）陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性，对于一般工程陶 瓷的切削，只有超
硬 刀具材料才能够胜任 （2）陶瓷材料是典型的硬脆材料 （3）陶瓷材料的切削特性由于材料种类、制备工艺 不同而有很大差别
二、陶瓷材料的切削加工 （1）选择切削性能优良的新型切削刀具 （2）选择合适的刀具几何参数 （3）切削用量的选择 （4）设计的专用夹具、缓冲震动、施冷却润滑
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6.1.2 陶瓷的机械磨削加工
一、磨削加工机理（grinding）
① 材料脆性剥离是通过空隙和裂纹的形成 或延展、剥落及碎裂等方式来完成的 ② 在晶粒去除过程中，材料是以整个晶粒 从工件表面上脱落的方式被去除的。 ③ 陶瓷和金属的磨削过程模型如右图。金 属材料依靠剪切作用产生带状或接近带状 的切屑，而磨削陶瓷时，材料内部先产生 裂纹，随着应力的增加，间断裂纹的逐渐 增大，连接，从而形成局部剥落。
材料在高温、熔融、汽化和冲击波的作用下被 蚀除，从而进行打孔、画线、切割以及表面处理等 加工。
② 特点：
（1）加工速度快、无噪声，能实现各种复杂面型 的高精度的加工目的。
（2）可以进行微区加工，也可以进行选择性加工 （3）因此其热影响区很小 （4）大气中进行，便于大工件加工 （5）数控机床机器人连接起来构成各种加工系统。 （6）难保证重复精度和表面粗糙度；设备复杂昂 贵，加工成本高。
（4）工具电极与工件被加工表面之间要始终保持一定的放电间隙
绝缘陶瓷的电火花放电加工原理示意图和高速电火花穿孔机原理示意图如下
图所示
高压工作液
管电极
导电器 工作元件
电火花加工示意图
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高速电火花穿孔机原理示意图
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6.2.2 电子束加工
电子束加工（electron beam machining）是在真空的条件下，利用聚焦后能量
旋转方向
磨粒
磨粒
工件 陶瓷材料
裂纹
旋转方向
磨粒
磨粒
工件 金属材料
陶瓷材料和金属材料的磨削机理
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二、磨削加工设备
① 砂轮（grinding wheel）和磨料（abrasives）的选择 ② 磨削工艺及条件的选择
a砂轮磨削速度 b工件给进速度（feeding speed） c冷却液的选择（cooling media） d 磨削深度ap（rubbing depth） e磨削方式（rubbing way）、方向及机床刚性 （machine rigidity）
磨粒
压力
工件
研具 (a)
研磨液
磨粒
压力
工件
研具 (b )
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研磨加工示意图
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②研磨过程材料剥离的机理主要是以滚碾破碎为主。磨粒越粗，材料剥离率越大， 研磨效率越高，但表面粗糙度增大；磨粒硬度越高，研磨效率越高，但却容易使球 面出现机械损伤，导致表面粗糙度相对较低。
密度极高（106~109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面
积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲
击的大部分的工件材料达到数千度以上的高温，从而引起材料的局部融化或气化。
下图为电子束加工工作原理示意图。
特点： ①工件变形小、效率高、清洁
②制电子束能量密度的大小与 能量注入时间，达到热处理， 焊接，打孔，切割等加工目的
灯丝 栅极 阳极 电子束
偏转线圈
电源
工作室 排气系统 电磁透镜
③光刻加工
工作台
电子束加工工作原理示意图
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6.2.3 激光加工（laser machining）
① 原理：激光加工是利用能量密度极高的激光束 照射到被加工陶瓷工件表面上，工件局部表面吸收 激光能量，使自身温度上升，从而能够改变工件表 面的结构和性能，甚至造成不可逆的破坏。
放电通道 气泡
阳极
阳极熔蚀区
+
凝固金属微粒
工作液
_
熔融金属微粒
阴极熔蚀区
阴极
பைடு நூலகம்
网坑
+
_
翻起凸边
放电间隙示意图
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电火花加工必须具备以下几个条件：
（1）放电必须是瞬时的脉冲性放电。
（2）火花放电必须在有较高绝缘强度的介质中进行。
（3）要有足够的放电强度，以实现金属局部的熔化和气化。