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先进陶瓷精密机械加工的方法

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时间:2018-12-11

陶瓷材料根据性能要求不同有不同加工方法。目前主要加更方法包括机械加工、电加工、超声波加工、激光加工及复合加工几大类。下面简要介绍下几种陶瓷材料加工方法。

1、陶瓷材料的机械加工

        陶瓷材料机械加工主要包括CNC切削加工、磨削加工、钻削加工、研磨和抛光等。

 1)陶瓷材料的磨削加工

陶瓷材料的磨削加工是目前已有加工方法中应用最多的一种。磨削加工所用砂轮一般选用金刚石砂轮。对金刚石砂轮磨削机理不同学者有不同的解释,但总的来看有一点是共同的,即脆性断裂是形成材料去除的主要原因。磨削加工中,切屑的清除是一大问题,一般采用冷却工作液清洗。冷却液不仅起到冲洗切屑粉末的作用,而且可以降低磨削区温度,提高磨削质量,减少磨粒周围粘结剂的热分解等。磨削液一般选用清洗性能好、粘度低的磨削液。金刚石砂轮因其选用结合剂种类、磨粒浓度的不同有不同的磨削特性。金刚石颗粒大小是影响陶瓷工件表面质量的又一主要原因。颗粒愈大,所加工表面粗糙度愈大,但加工效率愈高。

陶瓷磨棒.jpg


(2)陶瓷材料的CNC切削加工

CNC加工陶瓷有切削和车削两种,车削加工现在还处于初级阶段。CNC切削加工时主要用到的设备有CNC加工中心和雕铣机(又称精雕机),其中CNC加工中心主要用来加工尺寸较大切削量较多的陶瓷件,而雕铣机则主要以精加工为主并且加工的陶瓷工件都以小尺寸见多。CNC加工陶瓷时用到的并非硬质刀具而是具有超高硬度的磨头,这种磨头通过高速转动的主轴带动旋转产生磨削力从而达到对陶瓷工件的切削效果。CNC加工中心以及雕铣机可以加工外形较为复杂的产品,这是磨削加工所不具备的。目前主流的陶瓷CNC机床主要有北京精雕、鑫腾辉数控(电话:15012558160)等少数几个品牌。

CNC陶瓷雕铣机1.jpg

3)陶瓷材料的钻削加工

        陶瓷材料钻削多采用掏料钻。掏料钻的结构为一环形金刚石砂轮焊接到一中空的钢管上,焊接工艺为银焊。当钻削陶瓷材料时,金刚石砂轮高速旋转,利用端面的金刚石磨粒切削材料。

4)研磨和抛光

 在工业生产的某些领域,仅靠磨削是达不到陶瓷件表面光洁度要求的,通常要采用研磨和抛光。另一方面,陶瓷材料韧性较小,脆性较大,其强度很容易受表面裂痕的影响。加工表面愈粗糙,表面裂纹愈大,愈易产生应力集中,工件强度愈低。因此,研磨不仅是为了达到一定的粗糙度和高的形状精度,而且也是为了提高工件的强度。抛光是采用软质抛光器和细粉磨粒以较低的压力作用于工件的一种精加工过程。

2、陶瓷材料的电加工

        电火花加工主要是通过电极间放电产生高温熔化和汽化蚀除材料,因此材料的可加工性主要取决于材料的热学性质,如熔点、比热、导热系数等,而材料的力学性能影响较小。电火花加工适合于超硬导电材料的加工。由于大多数陶瓷材料是电的绝缘体,以往很少用电火花加工法加工。但近年来许多高性能陶瓷中都含有TiC等导电材料,使得电火花加工成为可能。

1)加工导电性陶瓷

陶瓷中的相当一部分具有一定的导电性,因而可用电火花直接加工。常用加工方法有电火花线切割加工和电火花成型加工。以电火花线切割和成型加工为基础,还可衍生出其它方式的加工方法,如电火花内外围和平面磨削,刀具的刃磨,电火花铣槽,齿轮及螺纹的电火花加工等。

2)加工非导电性陶瓷

 非导电性陶瓷不具有导电性,不能直接作为电极对另一方进行电火花加工。对此,一般采用电解液法和高电压法来创造产生火花放电的条件,对非导电陶瓷进行加工。

电解液法实际上是电解电火花复合加工,它是目前研究得最多的方法。这种方法通常是利用电化学反应时在工具电极上产生的气泡,形成电解液中火花放电所需的非导电相,通过气泡放电的热作用来蚀除工件,其中电解作用和化学作用也起了重要的影响。但电解液法气体相形成速度慢,放电击穿延时长,大量消耗电解能,因而加工效率低、能耗大。对此,有人提出以高速旋转的齿电极的气流吸附及涡流作用,或用可控充气的技术等方法来解决。

高电压法是在尖电极与平板电极间放入绝缘的工件,两极加以高频高压脉冲电源,由于两极间存在寄生电容,使得尖电极附近部分绝缘被破坏,发生辉光放电,从而达到加工的目的。一般使用的电压为5000—6000V,最高为12000V,频率为数十千赫到数十兆赫。

3、陶瓷材料的超声波加工

 超声波加工就是利用振动频率超过16 000 Hz的工具头,产生0.01~0.1的振幅,通过悬浮液磨料对工件进行加工使其成形的一种加工方法。悬浮液磨料以极高的速度强力冲击加工表面,在被加工表面造成很大的局部单位面积压力,使工件局部材料发生变形,当达到其强度极限时,材料将发生破坏而变成粉末被打击下来,这是超声波加工工件的主要作用。其次还有悬浮液磨料在工具头高频振动下对工件表面的抛磨作用,以及工作液进入被加工材料裂缝处,加速机械破坏的作用。

4、陶瓷材料的激光加工

 激光加工是利用高能量密度(108~ 1010w/cm2)的均匀激光束作为热源,在加工陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温,局部点熔融或汽化而去除材料。激光加工是一种无接触、无摩擦式加工技术,加工过程中不需模具,通过控制激光束在陶瓷材料表面的聚焦位置,实现三维复杂形状材料的加工。一般激光钻孔和切割所需激光功率为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。

5、陶瓷材料的复合加工

  复合加工通常具有较高的材料去除率和或加工质量,是当前机械加工技术发展趋势之一。目前陶瓷复合加工的方法很多,如电解电火花复合磨削、磁力研磨抛光、超声机械磨削、电解电火花线切割、超声电火花复合加工和充气电解放电复合加工等。这些复合加工方法通常能获得较好的加工质量或较高的加工效率,因此陶瓷的复合加工是解决陶瓷材料加工问题的最有效的途径。

 陶瓷材料具有轻质、高强、超硬、耐高温、耐磨、耐腐蚀、化学稳定性好等优良特性。但由于其同时具有高脆、断裂韧性低、弹性模量高等特点。因此硬脆性的陶瓷材料很难进行铣、刨、磨、抛、钻孔等加工,同时高昂的机加工费用和较差的加工精度也限制了其作为工程材料在航天航空、石油化工、仪器仪表等领域的广泛应用。通常精密陶瓷零部件的机加工费用甚至约占总成本的90%。通常利用复相增韧、组分搭配、结构设计等制备技术,在尽可能少牺牲力学性能的前提下提高材料的可加工性能。



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