工程陶瓷的切削加工

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工程陶瓷

   1.工程陶瓷有哪些性能和用途？

& E- \4 [! C2 l6 \% i% ?* ^    陶瓷制品在人们生活中到处可见，如各种陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料，统称为传统陶瓷。传统陶瓷是粘土、长石和石英等天然原料，经粉碎一成形一烧结而成的烧结体，其主要成分是硅酸盐。与传统陶瓷相比，工程陶瓷是以人工合成的高纯度化合物为原料，经精致成形和烧结而成。工程陶瓷具有传统陶瓷无法比拟的优异性能，故称为精细陶瓷，也称高级陶瓷或特种陶瓷。
$ N% w+ U" T  a    工程陶瓷有很多种，主要分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷中有高温陶瓷和高强度陶瓷，包括高硬工具陶瓷。功能陶瓷包括磁性陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、光学陶瓷和生物陶瓷等。
    工程陶瓷具有高抗压强度、高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀、低密度和低的线膨胀系数、导热系数等优越性能，已越来越多地应用于化工、冶金、机械、电子、能源、航天及核动力等领域。
# M2 g! c! T9 {8 V) o+ @5 N    工程陶瓷可以用来制造轴承、密封环、活塞、凸轮、缸套、缸盖、燃汽轮机燃烧器、涡轮叶片、减速齿轮、耐蚀泵等。其应用领域正在不断扩大，同金属材料、复合材料一样，工程陶瓷正在成为现代工程结构材料的三大重要支柱之一。
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2.工程陶瓷有哪些切削加工特点？
* ?0 G! `% r9 D, J/ d对于陶瓷材料，传统的加工方法是用金刚石磨轮磨削，还有研磨和抛光。随着烧结金刚石刀具的出现和易切陶瓷的开发，陶瓷材料的切削加工得到了日益广泛的应用。工程陶瓷的切削加工有以下特点：
  v, ~$ b1 U2 O) R; |" U(1)陶瓷材料具有很高的硬度，比如Al2O3陶瓷、TiC陶瓷的硬度可达HV2 250～3000，比硬质合金还要高，仅次于金刚石和立方氮化硼。工程陶瓷具有很高的耐磨性，除了易切陶瓷，一般工程陶瓷的切削，只有超硬刀具材料(金刚石和立方氮化硼)才能胜任。
7 P' o* t5 `: {2 {8 ~) ~5 W天然单晶金刚石切削刃锋利，硬度高，耐磨性为Al2O3陶瓷的10倍，切削时热磨损很小。但天然金刚石有解理性，遇冲击或振动易破损，耐用度不高且价格昂贵。因此，一般用烧结金刚石(聚晶金刚石)作刀具材料，它是由人造金刚石微粒在高温高压下烧结而成的，硬度稍低于金刚石。
5 k, d, W9 u. H% O! r5 f5 j- O$ {(2)陶瓷是典型的硬脆材料，其去除机理(见图12-1)是刀具刃口附近的被切材料产生脆性破坏，而不是像金属材料那样产生剪切滑移变形。加工后表面不会有由塑性变形引起的加工变质层，但切削时的脆性龟裂会残留在加工表面上，从而影响陶瓷零件的强度和工作可靠性。
% ?( {" \7 G: m( a+ f& q(3)陶瓷材料的切削加工性，依其种类、制造方法的不同有很大差别。从机械加工的角度看，断裂韧度低的陶瓷材料容易被切削加工。陶瓷材料的断裂韧度与结构组成和烧结情况有关，烧结温度和压力越高，材料越致密，硬度越高，切削加工性越差，刀具耐用度越低。
3 r" N4 Z  r5 d$ _3 ?4 h(4)陶瓷材料常温下几乎无塑性。某些陶瓷只有在高温区才会软化呈塑性，产生剪切滑移变形。此时切削陶瓷材料也同切削金属一样，可以得到连续形切屑。SiO2玻璃的镜面加工就具有这种特点。
/ @7 U& q- V0 f) p; z(5)切削陶瓷材料时的单位切削力比切削一般金属材料时大得多，刀具切入困难。应注意防止刀具破损，切削深度与进给量应小些。
) z2 T1 K# \. k(6)切削陶瓷材料时，刀具磨损严重。可适当加大刀尖圆弧半径，增加刀尖强度和散热性。切削用量的选择也影响刀具磨损。切削速度高、切削深度和进给量大都会增加刀具磨损。

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3.怎样对Al2O3陶瓷进行切削？
0 K  O/ ]! Y8 k/ I2 v5 L( AAl2O3陶瓷的密度为3.83g/cm³，抗压强度为2800MPa，抗弯强度为300 MPa，硬度为HV2100～2200，即使在1200℃时，硬度仍可保持在HV1500。
4 H  G9 S/ s  c6 a3 H' v3 h切削Al2O3陶瓷可选用烧结金刚石刀具，φ13mm圆形刀片，γO=-15º～-10º。刃口研磨成γOl=-30º，bγ=0.05mm的负倒棱，以提高刀具耐用度。
% W* M  V# U) n, V7 d. P在选择切削用量时必须考虑对刀具磨损的影响。切削速度高，切削深度和进给量大都会使刀具磨损VB值加大。因此，切削Al2O3陶瓷不宜选用很高的切削用量。一般νC=30～80m/min，ap=1～2mm，f=0.05～0.12mm/r。切削时浇注乳化液，以避免因切削温度高而使金刚石变软，金刚石微粒的切削性能因热化学作用而降低。
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4.怎样对si3N4陶瓷进行切削？
si3N4陶瓷的常温硬度不如Al2O3陶瓷高，但高温硬度好，在900℃时的硬度是几种陶瓷中最高的。其抗压强度、抗弯强度也高于Al2O3陶瓷。si3N4陶瓷的导热系数约为Al2O3陶瓷的2.5～3倍，是所有陶瓷中最难加工的材料。如车削HV1600、抗弯强度为950MPa的si3N4陶瓷，当νC=10m/min时，切削不到10min，金刚石刀具的磨损就已超过0.1mm，切削刃出现剥落磨损。si3N4陶瓷的高温硬度很高，1000℃时仍保持HV1100。切削时径向分力很大，刀刃因强度不够易出现微小崩刃，加工表面出现凸凹不平，表面粗糙度值增大。
0 D2 Y- A2 i* t5 y5 p1 ]* D2 p) @切削si3N4陶瓷可选用烧结金刚石刀具或CBN刀具。应特别注意加强切削刃，取γO=-15º。，刃口必须研磨，以提高刀具耐用度。使用CBN刀具可选择较高切削速度。使用较低的切削速度(νC＜50m/min)切削si3N4陶瓷时，可不加乳化液。低速湿切时，温度升高不多，陶瓷强度没有什么降低，刀具刃口附近的被切材料破坏规模加大，作用在刀具上的负荷也加大，使金刚石颗粒破损、脱落，因此应采用较小进给量，一般f＜0.1mm/r。

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5.怎样对ZrO2陶瓷进行切削？
ZrO2陶瓷的硬度为HV1 853，比Al2O3、Si3N4陶瓷的硬度低，切削时刀具磨损小。在相同的切削条件下，切削ZrO2陶瓷时刀具后面磨损值只有切削Al2O3陶瓷的1/2，是切削Si3N4陶瓷的1/10。例如，当νc=20 m/min时，切削ZrO2陶瓷50 min后，后面磨损值VB≈0.04 mm，还可继续使用。而切削Si3N4陶瓷仅5min，后面磨损值VB就达0.12mm，且有微小崩刃产生。可见，ZrO2陶瓷的切削加工性比Al2O3和Si3N4好。切削时可选用较高的切削速度。车削时νc=50～100 m/min，铣削时可取νc=200～400m/min。切削时应浇注切削液。
6.怎样对型材易切陶瓷进行切削？
AlN系型材易切陶瓷是在云母系陶瓷基础上改进得到的，它以烧结后的型材供货，用户再进行加工成形。这种陶瓷由于在AlN基体中加入了微细的BN粒子而成均匀分散结构，大大改善了原云母系陶瓷材料强度低、导热系数小的缺点。它的抗弯强度比Al2O3陶瓷稍低些，可磨制出25μm厚的薄板。
AlN陶瓷导热性好，是现有陶瓷材料中导热系数最大的，为Al2O3陶瓷的5倍，不用冷却也可正常切削。AlN陶瓷的线膨胀系数低，尺寸精度较易控制。AlN陶瓷被称作“第二代易切陶瓷”，其切削机理也属于脆性破坏。切削时，被切材料在刀具刃口处产生裂纹，但分散的BN粒子阻止裂纹扩展，使其局限于微小区域内形成很细微的裂纹，使脆性大大改善，且可得到连续状切屑。
9 Y5 }3 R# [) H: G6 ~切削AlN陶瓷可采用硬质合金刀具，切削速度应比切削金属材料低些。车削小直径内螺纹宜用耐磨性好的烧结金刚石刀具。铣削时，因为是断续切削，应减小进给量，以减少崩刃。加工表面的切屑应及时清除，否则会加剧刀具磨损。

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7.有哪些高效切削陶瓷的方法？
(1)离子束加热切削：某些陶瓷材料可采用离子束加热切削。如硼硅酸玻璃及莫来石(3Al2O3、2SiO2)，当加热温度分别达到900 K(约630℃)和1200K。(约900℃)时，其切削机理由脆性破坏转变为塑性变形，这就是玻璃的高温软化机理。
si3N4陶瓷也可以采用加热切削。由于si3N4陶瓷硬度高、韧性好、耐热冲击，当加热到1470 K(约1200℃)时仍不产生裂纹，切屑一直呈流线型，表面粗糙度值较小。
4 j) h. M' a% a2 Q" q9 a! w(2)采用CBN刀具进行切削：CBN(立方氮化硼)刀具具有接近金刚石的硬度和抗压强度，热稳定性很高，其耐热性达1400℃～1500℃，比金刚石的耐热性(700℃～800℃)高出近一倍。CBN刀具具有较低的摩擦系数和良好的导热性，且其导热系数随着切削温度的提高而逐渐增加，使刀尖处切削温度降低，减小刀具的扩散磨损，有利于提高加工精度。
- I9 L' N( T7 O5 p; fCBN刀具不适于低速切削，它是以负前角和高速切削时产生的高温，不断地软化切削区中极微小范围内的被切削材料来进行切削的。一般应选择较高的切削速度。用CBN刀具切削si3N4陶瓷时，νc=60～90 m/min，刀具磨损较小。CBN刀具脆性较大，强度和韧性差，切削时宜选择较小的切削深度和进给量。
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8.采用PCD刀具切削陶瓷的实例有哪些？
陶瓷材料的加工，一般采用金刚石磨轮进行磨削，但生产效率低。如果采用PCD刀具进行切削加工，可明显地提高生产效率，降低生产成本。
(1)车削Al2O3陶瓷：采用¢13mm圆形金刚石刀片，牌号为日本产的DA100。切削用量为：νc=30～60m/min，ap＝1.5～2mm，f=0.05～O.12mm/r。采用湿式切削，加工效率为5～14cm³/min，是金刚石磨轮磨削的3～8倍。
(2)铣削氧化铝陶瓷耐火砖：氧化铝陶瓷的密度为1.53g/cm³，抗压强度为1840MPa，抗弯强度为720MPa。采用DA100圆刀片，切削用量为νc=216m/min，ap＝0.5mm，进给量为f=0.05～0.12mm/z，切削48min，刀具只磨损0.1mm左右。
& V4 j* a! d1 U* g: x9 K(3)车削氮化硅陶瓷：氮化硅陶瓷密度为3.15g/cm³，硬度为HV900～1000，抗弯强度为400MPa。采用¢13mm圆刀片,νc=50～80m/min，ap＝1～2mm，f=0.05～0.2mm/r。加工效率为10～32cm³/min，是金刚石磨轮磨削的3～10倍。
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9.工程陶瓷有哪些磨削特点？
/ `* |1 |5 p6 Y5 y尽管对工程陶瓷材料切削加工的研究取得了很大进展，但距完全实用化还相差甚远。目前，工程陶瓷的机械加工仍普遍使用传统的加工方法，即用金刚石磨轮磨削、研磨和抛光。磨削占工程陶瓷机械加工总量的20％，而切削加工只占10.4％。工程陶瓷的磨削有以下特点：
(1)磨轮磨损大，磨削比小：工程陶瓷的去除机理是脆性破坏，与磨削金属不同。金属材料是靠塑性变形生成连续切屑而去除的，而工程陶瓷则是靠脆性龟裂破坏产生微细粉末状切屑而去除的。粉末状切屑很容易磨损磨轮上的结合剂，造成金刚石颗粒脱落。被磨削的陶瓷材料断裂韧度越大，加给磨轮的力就越大，磨轮的磨损也就越严重。可见，断裂韧度大的陶瓷材料，磨削比小，磨削效率低。为了提高陶瓷机械零件的工作可靠性，必须改善陶瓷材料的性能，其中就包括提高陶瓷材料的断裂韧度。而断裂韧度的提高，必然使磨削更加困难。
$ c' q: V6 w( ?/ V7 c, ~! o! _  K(2)磨削力大，磨削效率低：陶瓷材料在磨削时，切向磨削力FC与径向磨削力FP的比值，比磨削钢时(FC/FP＝0.3～0.5)小得多，一般FC/FP＜0.1。磨削陶瓷材料时，径向磨削力FP大，作用于磨轮轴上的力就大，轴的弹性变形也随之加大，容易产生振动而影响加工表面质量，降低磨削效率。
(3)磨削后陶瓷零件强度降低：陶瓷零件的强度随着磨削条件不同而变化。影响强度变化的因素包括磨轮粒度、载荷作用时间以及周围气氛条件等。金刚石磨轮的粒度不同，磨后表面粗糙度不同，零件的抗弯强度也随之变化。当Si3N4、SiC、AlN等陶瓷零件表面粗糙度值约为1μm时，零件的强度就要降低。表面粗糙度值越大，抗弯强度越低。另外，载荷作用时间越长，陶瓷零件的断裂应力越小，强度越低。

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工程陶瓷

10.磨削工程陶瓷时怎样选择金刚石磨轮？
工程陶瓷是高硬度材料，磨削时依靠磨粒切削刃的瞬间冲击使材料内部产生裂纹，产生脆性破坏而形成切屑。因此，应当选用颗粒最强韧、破碎最小的金刚石磨轮。
" i, ~, s8 Y8 C  q7 G0 r2 F金刚石磨粒有天然金刚石磨粒(D)、人造金刚石磨粒(SD)和镀镍或铜的包衣人造金刚石磨粒(SDC)。天然金刚石资源少，价格昂贵，金刚石磨轮多用SD和SDC制造。
一般金刚石磨粒的种类是根据结合剂和磨削材料作相应选择的。树脂结合剂磨轮用较脆弱的磨粒；金属结合剂磨轮则需要强韧的磨粒；树脂结合剂用的SD磨粒显微组织为不规则晶体，性质脆弱，破碎性大；金属结合剂用的SD磨粒显微组织为短粗块状结构，性质强韧，破碎性小。SDC磨粒是用树脂结合剂在SD磨粒表面镀镍或铜，从而减少磨粒的表面缺陷，并通过增大磨粒的表面积来增加磨粒的保持力。SDC用的很多，在磨削Al2O3陶瓷时，磨削效率比使用SD磨粒高出两倍。
磨削工程陶瓷时，应根据陶瓷材料的种类选择不同结合剂的金刚石磨轮。一般情况下，金属结合剂磨轮适于磨削Al2O3、SiO2等氧化物系陶瓷材料；树脂结合剂磨轮适于磨削Si3N4和SiC等非氧化物陶瓷。
用金属结合剂磨轮磨削气孔率较大的76％Al2O3陶瓷时，单位宽度切除率约为树脂结合剂磨轮的两倍。而用金属结合剂磨轮磨削SiC陶瓷的效果却不如树脂结合剂磨轮，原因在于磨削这种高密度、高强度的非氧化物陶瓷时，磨粒切削刃的磨损比结合剂的磨损速度快，易引起“钝齿”现象，故用树脂结合剂磨轮效果好些。

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金刚石磨轮

11.提高陶瓷材料磨削效率的方法有哪些？
" j  M3 k2 ^) R" n9 S3 D0 a0 l5 |(1)采用新型金刚石磨轮磨削：开发和使用新型金刚石磨轮，是提高陶瓷材料磨削效率的有效途径。如特殊填料磨轮(见图12－2)，它是在磨轮结合剂中渗入一种特殊填料。用它对热压Si3N4陶瓷进行平面磨削，磨削比大幅度提高，同时也解决了原金属结合剂磨轮锋利度差的问题。磨削蓝宝石时，磨轮的耐用度比原金属结合剂磨轮提高30％，加工表面粗糙度值也减小了。
. N/ }) y1 l8 A5 g: i6 ^% W还有铸铁结合剂磨轮，它与树脂结合剂磨轮相比，允许背向吃刀量大，磨削比也大。铸铁结合剂磨轮价格便宜，取材方便，磨轮修整容易，修整效率比青铜结合剂磨轮高75％。
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(2)复合磨削磨轮磨削法：此法是在磨轮侧面进行放射状导电处理，使磨轮和工件问产生脉冲放电。这是靠磨轮机械去除和靠放电熔化去除材料的复合磨削法。用此法磨削陶瓷，表面缺陷小，磨削效率高。
  L; M; g& P9 o( N( q9 o* D/ |(3)超声波振动磨削法：用此法可在Al2O3陶瓷上(0.38mm厚)加工¢1mm小孔，还可在0.5mm厚的Al2O3板材上加工¢0.76～12mm的孔，每个孔的加工时间只需5～15s。还可以加工螺纹、沟槽、小深孔等。用空心钻具也可以加工数毫米直径的孔。