柳鹏飞-2012201078-陶瓷材料的应用与特种加工-天津大学研究生e.doc

陶瓷材料的应用与特种加工技术 柳鹏飞 天津大学机械工程学院机械工程专业2012级硕士生 摘要：综述介绍了先进陶瓷材料以及其加工技术的近况和发展趋势，同时介绍了常用的电化学磨削加工、电火花加工、复合方法加工等几种特种加工技术的发展现状，并且比较了各自的特点、难点以及发展趋势。 关键词：陶瓷材料 发展现状 电化学磨削加工 电火花加工 复合加工 0 前言 如我们所知，材料是制造业发展的基础，随着工业社会的不断发展进步，材料的利用也不断达到一个新的层次，工业陶瓷应运而生。从陶瓷工业发展的历史上看，人们最初实用的主要是天然的矿物原料或者岩石原料。由于这些矿物陶瓷原料的形成过程极其复杂，很少能够形成单一的陶瓷原料。因此，只使用天然原料已经不能满足陶瓷工业生产的要求。随着陶瓷工业的发展，一般需要采用均一而又高纯的人工合成原料[1] 先进陶瓷是采用优化配方和精细生产工艺制造,具有优良的机械、物理性能的陶瓷材料,许多性能是金属材料无法比拟的,而且与传统陶瓷不同,在70 - 80年代,先进陶瓷由于其优良的耐高温抗磨损性能在电 子和光学高科技器件中应用日益广泛[2]。 从毛坯到产品,陶瓷材料需要二次加工,但由于硬脆特性,陶瓷的加工性比多属材料困难得多,因此需要开发优质高效的陶瓷加工新工艺新技术。先进陶瓷的加工,涉及到陶瓷材料的性能,加工技术,检测,连结和涂覆等许多方面，此外，由于现代高新技术产业对陶瓷加工的质量和效率提出了新的要求，这就催生也一批先进的制造方法，对陶瓷进行加工，如湿法切削技术，磨削抛光加工技术，超声波加工技术，激光加工技术，复合加工技术等，由于篇幅有限，本文只对其中几个加工技术进行概况性的论述。 1 陶瓷加工的传统技术 1.1 机械加工 机械加工是陶瓷材料的传统加工技术,也是应用范围最广的加工方法。机械加工主要是指对陶瓷材料进行车削、切削、磨削、钻孔等。其工艺简单,加工效率高,但由于陶瓷材料的高硬、高脆,机械加工难以加工形状复杂、尺寸精度高、表面粗糙度低、高可靠性的工程陶瓷部件。 1.1.1车削加工技术 切削加工是利用金刚石、立方氮化硼、硬质合金钢等超硬刀具对陶瓷材料进行平面加工,通常采用湿法切削,即不间断向刀具喷射切削液削液的主要目的是带走切削碎屑、减少刀具与材料的摩擦,降低刀具和加工材料的温度,延长刀具使用寿命、减少材料表面损伤等[3]。 由于加工过程中,材料表面受到机械应力作用,容易在材料表面产生凹坑、崩口、表面及表下层微裂纹。此外先进陶瓷的硬度和脆性都非常大，难以保证加工精度的要求，加工效率低。车削的应用并不广泛，基本上还处于研究阶段[3]。 1.2 　陶瓷材料的磨削( Grinding) 、抛光(polishing) 加工 陶瓷烧结体或切削表面,由于在成型、烧结以及加工过程中引入大量凹痕、微裂纹等缺陷,在工程使用及力学性能测试之前通常需经过磨削、研磨和抛光处理。这3个过程的加工精度从左至右呈增大变化。加工机理都是通过磨料与陶瓷元件在一定压力作用下,随着磨料与材料表面的相互运动,磨料颗粒与元件表面凹凸峰相互摩擦以实现材料表面的平整性。 磨削、研磨、抛光过程中,摩擦产生大量的热量, Imanake 、Suga 等提出了化学机械加工陶瓷材料的材料加工新思路。其基本原理是:磨料、磨削液、材料组分在摩擦生热作用下发生化学反应,生成软质或低共熔点的化合物,故加工效率提高、加工质量明显改善[3]。 2 陶瓷加工的先进制造技术 2.1. 电火花加工 2.1.1电火花加工机理介绍 电火花加工( Electrical Discharge Machining)又称作电蚀加工或放电加工,是利用工具电极和工件电极间脉冲放电时产生的电蚀现象对材料(毛坯)行加工。理论上能加工任何高硬度、高致密的物质[4] 。火花放电时,在放电区域能量高度集中,瞬时温度高达10 000 ℃左右,足以使陶瓷材料局部融化而被蚀除。电火花加工能够对电阻率小于100Ω·m[5]的陶瓷材料进行低成本加工。电火花加工陶瓷材料时,材料去除率较低,而且去除过程主要以碎块剥落形式为主[6] 。电火花加工可以进行成形、穿孔和切割加工各种形状复杂的零件[7] 。加工时工具与工件不接触,作用力极小,因而可加工小孔、窄缝等微细结构以及各种复杂型面的型孔和型腔,亦可在极薄的板料或工件上加工。脉冲放电持续的时间很短,冷却作用好,加工表面的热影响极小。直接利用电能进行加工,便于实现加工自动化。图示电火花加工的原理： 电火花加工原理及主要设备示意图 导电性陶瓷的电火花加工 对导电陶瓷材料的加工分为电火花线切割加工和电火花成型加工。电火花线切割加工是研究得较多也是较为成熟的一种,一般的研究都是试图找出线切割加工的各种电参数与加工质量和加工效率之间的关系。一般来说,凡是能用电火花线切割