可加工陶瓷機(jī)械加工技術(shù)探析

梁新源

摘 要：作為最重要的非金屬材料之一，陶瓷材料被廣泛使用到各個(gè)行業(yè)中，其加工技術(shù)也日益受到人們的重視。本文就陶瓷材料的幾種常見(jiàn)加工方式作了詳細(xì)介紹，同時(shí)對(duì)它的現(xiàn)況和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探究，以供參考。

關(guān)鍵詞：陶瓷材料；可加工陶瓷；機(jī)械加工

引言

陶瓷材料是一種具有硬度高、熔點(diǎn)高、抗氧化、耐磨性高等特點(diǎn)的無(wú)機(jī)非金屬材料，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)人工合成形成。目前已被廣泛用在機(jī)械制造、航空行業(yè)、石化行業(yè)、核工業(yè)、生物行業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，也可作為功能材料使用。陶瓷材料種類(lèi)繁多，大致上可以分為普通材料和特種材料兩大類(lèi)。前者由天然原材料燒結(jié)而成，具有易獲得、成本低、技術(shù)成熟等特點(diǎn)；后者為人工合成化合物燒結(jié)而成。根據(jù)使用場(chǎng)合不同，特種材料又可分為工具陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷等。

在常溫狀態(tài)下，能夠使用金屬加工刀具和器械進(jìn)行鉆孔、車(chē)削、銑刨等加工，并能保持一定尺寸公差的一類(lèi)陶瓷材料稱(chēng)為可加工陶瓷。

1.陶瓷材料的加工機(jī)理

陶瓷材料現(xiàn)有的加工方法主要有機(jī)械加工、化學(xué)加工、電加工、超聲波加工、激光加工、高壓磨料水射流加工以及各種復(fù)合加工等，其中，機(jī)械加工作為最傳統(tǒng)的加工技術(shù)，被各行業(yè)廣泛使用。

陶瓷材料的加工機(jī)理研究最開(kāi)始是從理論和試驗(yàn)上研究陶瓷材料的壓痕斷裂現(xiàn)象。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，各種壓痕斷裂理論取得了極大進(jìn)展；在試驗(yàn)方面，研究人員通過(guò)電子、光學(xué)顯微鏡方法等研究陶瓷材料加工過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展情況，比較著名的有張壁等人的單金剛石磨粒的加工實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步解釋了陶瓷材料的去除機(jī)理。在此之后，對(duì)陶瓷加工機(jī)理的研究更偏向模擬的方法，例如有限元法，分子動(dòng)力學(xué)，離散元法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。

2.陶瓷機(jī)械加工技術(shù)

2.1陶瓷材料的車(chē)磨削加工技術(shù)

陶瓷材料的車(chē)磨削加工技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單，效率高優(yōu)點(diǎn)，但陶瓷材料的硬度和脆度都遠(yuǎn)高于金屬材料，因此難以加工成復(fù)雜形狀，高精度尺度，低表面粗糙度的陶瓷工具。

考慮到以上幾個(gè)加工難點(diǎn)，針對(duì)陶瓷材料進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示如果有恰當(dāng)?shù)慕饎偸毒咔邢鲄?shù)和切削角度，也能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷材料的深度加工。李湘釩超精密車(chē)削陶瓷材料的實(shí)驗(yàn)、日本的原昭夫聚金剛石刀具車(chē)削實(shí)驗(yàn)都表明采用 W-Co 類(lèi)硬質(zhì)合金可以加工陶瓷零件。因此，刀具的選擇至關(guān)重要，目前主要采用金剛石刀具，此外，刀具角度，切削液，如何優(yōu)化切削速度、進(jìn)給量等工藝參數(shù)，也對(duì)陶瓷材料車(chē)削加工影響巨大。

由于車(chē)削加工缺點(diǎn)造成其不能廣泛用于加工陶瓷材料，而磨削能避免加工高硬材料的缺點(diǎn)，因此磨削成為加工陶瓷材料的主要手段。一般選用金剛石砂輪，其磨粒切入工件，其切削刃前方材料受到擠壓，超過(guò)承受極限就會(huì)形成碎屑；磨粒下方材料會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，形成切屑，而切削會(huì)加重砂輪的磨損，導(dǎo)致加工效率降低。

在機(jī)械加工過(guò)程中，常常發(fā)生陶瓷材料的強(qiáng)度下降，影響材料的使用性能。例如，普通SiC陶瓷和復(fù)相YAG/SiC陶瓷磨削前后的彎曲強(qiáng)度明顯降低，前者的表面中位裂紋深度為15μm，后者的加工損傷較小。因此，YAG/SiC陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可成為一種提高材料可加工性，而不犧牲強(qiáng)度和韌性的有效途徑。

2.2陶瓷材料的電火花加工技術(shù)

電火花加工能對(duì)電阻率小于100 cm的陶瓷材料進(jìn)行高效率、低成本的加工。由于陶瓷材料是非金屬材料，不同于其他導(dǎo)電材料，其電火花加工技術(shù)也有所不同，不能直接照搬常用的電火花加工理論來(lái)解釋陶瓷材料的電火花加工。目前技術(shù)比較成熟的電火花加工陶瓷材料有切割和成型兩種。

陶瓷材料的電火花加工技術(shù)原理如下：電火花加工時(shí)，工件和電極絲兩端分別連接脈沖電源正負(fù)極，工件不斷進(jìn)給，工件端部和電極絲之間的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)達(dá)到介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度時(shí)，兩級(jí)產(chǎn)生火花，開(kāi)始放電，并且會(huì)瞬間達(dá)到高溫高壓，使工件的表面熔化、汽化，乃至升華、熱剝離整體顆粒移除等。

2.3陶瓷材料的激光加工技術(shù)

陶瓷材料具有高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)等特點(diǎn)使其難進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工。采用激光加工技術(shù)，可以提高陶瓷材料的加工效率。激光加工技術(shù)具有切縫窄，光-熱轉(zhuǎn)換快等特點(diǎn)，可以在陶瓷材料的切割方面獲得特殊的運(yùn)用，例如可以實(shí)現(xiàn)一些精密加工。

激光技術(shù)屬于不接觸式、無(wú)摩擦力加工，具有能量密度大，能加工一些特殊型面等優(yōu)點(diǎn)，在工程陶瓷材料加工方面體現(xiàn)出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

激光加工陶瓷時(shí)，以高能量、高密度的激光束為熱源，光能被陶瓷材料表面吸收，迅速轉(zhuǎn)換成熱能，陶瓷材料的局部溫度瞬時(shí)升高，材料在液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)之間發(fā)生相變，將多余材料去除。

如果需要完成不同的加工內(nèi)容，可以在加工時(shí)改變激光的參數(shù)，例如掃描速度和激光功率，激光參數(shù)在激光加工中的作用至關(guān)重要，只有掌握了各個(gè)參數(shù)的功能，才能正確進(jìn)行正確加工。

3.陶瓷材料加工技術(shù)的改進(jìn)

3.1車(chē)磨削加工技術(shù)參數(shù)的改進(jìn)

雖然機(jī)械加工的工藝簡(jiǎn)單，效率高，但難以加工較復(fù)雜、高精度的陶瓷材料部件。而且陶瓷材料與金屬材料的車(chē)磨削加工過(guò)程有著明顯區(qū)別，硬、脆仍然給陶瓷材料的加工帶來(lái)很大程度上的困擾，因此需要對(duì)加工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于車(chē)削加工陶瓷材料，可以采用金剛石刀具或涂層刀具，將會(huì)大大改善加工效果。多晶金剛石刀具難以產(chǎn)生光滑鋒利的切削刃，一般只用于粗加工；而天然單晶金剛石刀具可以應(yīng)用與陶瓷材料的精密車(chē)削，且采用微切削方式，但需要注意在加工過(guò)程中需要留意刀具的磨損情況。

陶瓷材料最重要的加工方法就是磨削加工。首先，可以在處理磨屑方面做出改進(jìn)：采用冷卻液不僅能起到?jīng)_洗磨屑的作用，還可以對(duì)工件和刀具進(jìn)行冷卻處理，減少砂輪的磨損；其次，砂輪材料的選擇也影響陶瓷材料的加工：一般選擇高強(qiáng)度、高效率、難堵塞、鋒利的鑄鐵結(jié)合劑；最后，需要通過(guò)改進(jìn)金剛石磨粒的大小來(lái)改善加工表面的質(zhì)量，選擇越小的磨粒，得到的表面粗糙度越低。

3.2多種加工技術(shù)綜合使用

由上文可知，由于陶瓷材料自身結(jié)構(gòu)的特殊性，每種加工方式都存在著一定的缺陷。在這些基本的加工方式之外，多種加工技術(shù)的綜合使用，即復(fù)合加工，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，更加有效的加工陶瓷材料，達(dá)到預(yù)期效果。

多種技術(shù)綜合使用一般具有較好的加工質(zhì)量，是當(dāng)前機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。目前陶瓷材料復(fù)合加工的方法有很多，如電火花磨削、 磁力磨削、超聲機(jī)械磨削、電解電火花線切割、 超聲電火花復(fù)合加工和充氣電解放電復(fù)合加工等。這些復(fù)合加工方法可以在加工效率和加工質(zhì)量上獲得很大的改進(jìn)，因此是解決陶瓷材料加工問(wèn)題最有力的途徑。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，更多的復(fù)合加工方式也會(huì)不斷被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中來(lái)，陶瓷材料的加工將不再成為困擾人們的問(wèn)題。

4.總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從傳統(tǒng)加工到新型加工再到復(fù)合加工最后到特種加工，加工方法也發(fā)生了質(zhì)的改變。人們不再受限于金屬材料，而將研究重心轉(zhuǎn)向非金屬材料。本文從陶瓷材料的傳統(tǒng)機(jī)械加工方法到包括電火花技術(shù)和激光技術(shù)的特種加工技術(shù)，深度解析了陶瓷材料的各種加工方法，使得陶瓷材料的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)陶瓷材料的發(fā)展注入了新的動(dòng)力，有著十分重要的意義。

近年來(lái)，隨著新型磨削方式的出現(xiàn)，陶瓷材料去除機(jī)理的研究有了很大的發(fā)展，為陶瓷材料的進(jìn)一步發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。由此可見(jiàn)，陶瓷加工技術(shù)的研究方向主要可以分為兩個(gè)方面：①對(duì)現(xiàn)有的加工方法進(jìn)行改進(jìn)和深化，使其更加成熟，在實(shí)際操作過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，獲得更好的參數(shù)指標(biāo)，優(yōu)化加工過(guò)程，提高加工質(zhì)量和加工效率；②研發(fā)新的加工技術(shù)，特別是新的復(fù)合加工技術(shù)，例如電火花機(jī)械、超聲波機(jī)械復(fù)合等。

由此可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，陶瓷材料的發(fā)展將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期，其加工方法會(huì)更加成熟，加工質(zhì)量會(huì)更加令人滿(mǎn)意，應(yīng)用范圍甚至可以推廣到其他非金屬材料，為人們的生活帶來(lái)更多方便。

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