加工陶瓷的机械
目前, 有关可加工陶瓷制备和微观结构以及材料特性方面的[ 6~ 8], 关于可加工陶瓷材料机械加工方面的文献报道相对较少。加工陶瓷的机械普通 S iC陶瓷磨削后弯曲强度从磨削前的 452 52MPa降为磨削后的 281 13MPa, YAG /S iC陶瓷材料磨削前后的弯曲强度分别为 353 45MPa和 382 12MPa。3. 2. 3切削深度切削深度对加工质量及刀具耐用度影响较小, 切削可加工玻璃陶瓷的切削深度值可达 6. 35mm。应用模糊评判[ 27]等综合评价方法判断可加工陶瓷材料的可加工性, 则可综合考虑影响陶瓷材料可加工性的众多因素以及因素间的相互关系, 能够更为全面、准确地反映出陶瓷材料的可加工性等级。此外, 在正交试验进行钻削时, 优先选用的参数为: 钻削速度 10m /m in、钻削进给量 0. 3mm / r、钻削深度9. 5mm。用硬质合金刀具切削可加工玻璃陶瓷材料时, 使用冷却液可以提高切削速度, 并且降低刀具磨损量[ 24]。
由图 7可以观察到, 钻削条件相同的情况下, Macor玻璃陶瓷的材料去除率, 而Mu llite/LaPO4的材料去除率小, 说明M acor玻璃陶瓷相对而言更容易去除。图 2表面压痕裂纹扩展形貌F ig. 2Indentationcrack propagation of ceramic surface图 3ZrO/CePO钻削表面形貌F ig. 3Dr illed surface ofZrO/CePOceramics玻璃陶瓷材料的切削试验得到了它的连续带状切屑, 它的延性切削表明其具有良好加工性[ 6 ]切削条件为: 切削深度 1mm, 进给量 0. 1mm / r, 切削速度 18~ 60m /m in, 与金属切削参数很接近。但应用单个参数评价陶瓷材料的可加工性, 容易过分地强调某一因素的作用, 存在以偏概全的不足, 难以准确地反映材料的可加工性。加工陶瓷的机械但应用单个参数评价陶瓷材料的可加工性, 容易过分地强调某一因素的作用, 存在以偏概全的不足, 难以准确地反映材料的可加工性。可加工陶瓷按材料成分的不同可分为 3大类: 云母玻璃陶瓷、非氧化物可加工陶瓷和氧化物可加工陶瓷。试验的钻削速度为 1. 414m /m in。
对于陶瓷材料, 还没有一种能够比较全面地考虑各种影响因素的可加工性评价方法, 目前, 通常借鉴金属材料的单因素评价方法来评价陶瓷材料的可加工性,评价参数有材料去除率、刀具磨损率、表面粗糙度[ 22]、磨削力、比磨削能等。加工陶瓷的机械公式表明进给量 f 是表面粗糙度的主要影响因素, 其次是切削深度 d 和切削速度 v。此外, 刀具后角约取 5, 足以提供所需空隙。在已加工表面可以观察到明显的塑性加工痕迹,和金属塑性切削加工的情况类似, 表明 CePO4具有良好的可加工性。用硬质合金刀具切削可加工玻璃陶瓷材料时, 使用冷却液可以提高切削速度, 并且降低刀具磨损量[ 24]。例如, 钢的脆性指数为0. 1m1/ 2, 而玻璃和陶瓷的脆性指数一般在 3~ 7m1 /2之间。
加工陶瓷的机械应用模糊评判[ 27]等综合评价方法判断可加工陶瓷材料的可加工性, 则可综合考虑影响陶瓷材料可加工性的众多因素以及因素间的相互关系, 能够更为全面、准确地反映出陶瓷材料的可加工性等级。材料的粘度随温度的升高而降低, 由于其熔点较低且导热率低, 当刀具剧烈摩擦时, 切削区域局部迅速升温, 其自身的软化玻璃相具有粘滞流动能力和粘合性, 可将切削层的应力集中充分释放, 产生大量塑性变形而不断裂, 同时切屑粘结呈带状。本文论述了可加工陶瓷材料的去除特性、加工过程中第 4期 白雪清等: 可加工陶瓷材料机械加工技术的研究进展 131 刀具的磨损、加工工艺参数的选择和可加工性的综合评价。图 8示出加工表面粗糙度随这两个参数的变化而变化, 进给速度越大, 金刚石工具磨粒越大( 106 /90m > 75 /63m> 45 / 38m) , 加工表面粗糙度值越大。以下试验均为, 用硬质合金刀具加工可加工玻璃陶瓷材料[ 16, 19, 21]3. 2. 1切削速度切削可加工玻璃陶瓷时, 应采用低的切削速度, 通常为铸铁切削速度的一半, 这可使零件及刀具的温度较低, 可避免明显的表面裂纹出现, 允许切削速度一般为 45. 72m /m in。正如图 2所示, CePO4 /CeZrO2 由于主裂纹被偏转, 裂纹扩展层变浅。
在磨削表面仍可观察到可加工陶瓷的塑性变形痕迹, 随着 CePO4含量的逐渐增大, 磨削表面的梨沟状痕迹变粗, 材料更容易去除。这足于表明钢渣经过高能机械球磨后能够产生机械力化学效应。图 3示出 ZrO2 /CePO4陶瓷材料的钻削加工表面形貌, 箭头 A所指位置是 CePO4陶瓷的穿晶断裂模式,说明 CePO4的层片状微观结构使其容易解理。加工陶瓷的机械这足于表明钢渣经过高能机械球磨后能够产生机械力化学效应。3加工工艺3. 1刀具材料和角度可加工陶瓷材料硬度大, 用普通刀具加工时刀具磨损快, 造成零件尺寸一致性差, 加工表面锥度大, 零件易崩裂, 因此, 合理选择刀具材料变得尤为重要。本文综述了可加工陶瓷在机械加工过程中的材料去除特性、刀具磨损、加工工艺及可加工性评价, 内容涉及加工表面质量、去除机理、加工损伤、材料去除率、刀具参数、切削参数、表面粗糙度、冷却和可加工性综合评价, 并提出了今后的研究发展方向和趋势。
BNS i3N4层状复合陶瓷材料与 S i 3 N4陶瓷相比, 弱的 BN中间层的存在使复合陶瓷 BNS i3N4的韧性得到提高, 机械加工性能得到改善, 其加工损伤减小[ 15]2刀具磨损与材料去除率2. 1刀具磨损图 5示出用硬质合金刀具切削云母玻璃陶瓷材料的刀具磨损情况[ 16 ], 切削条件为: 切削速度 30. 48m /m in; 切削深度 2. 54mm; 进给量 0. 2286mm / r; 无冷却液。加工陶瓷的机械磨削条件: 磨削速度 40mm / s, 法向磨削压力 400Pa, 金属基金刚石砂轮、磨粒粒径125m, 冷却液为矿物油。其中, 主后刀面磨损明显, 复合陶瓷材料中 ZrO2 的存在加剧了硬质合金刀具的磨损, 且 ZrO2 /CePO4材料的热导率很低, 由于交变的轴向压力和持续的强烈摩擦, 导致产生大量的切削热无法及时扩散,因此钻头的温度迅速升高, 刀具磨损较为严重, 切削能力下降。若使用表面粗糙度评价可加工陶瓷材料的可加工性, 则上面的公式表明, 进给量 f 对可加工陶瓷材料的可加工性影响, 切削深度 d 和切削速度 v的影响程度顺次减弱。在可加工陶瓷材料的正交试验中, 优先选取的参数如下: 粗车外圆时, 切削速度为 15m /m in; 精车外圆时, 切削速度降低为 10m /m in。此外, 在正交试验进行钻削时, 优先选用的参数为: 钻削速度 10m /m in、钻削进给量 0. 3mm / r、钻削深度9. 5mm。
在磨削表面仍可观察到可加工陶瓷的塑性变形痕迹, 随着 CePO4含量的逐渐增大, 磨削表面的梨沟状痕迹变粗, 材料更容易去除。在其微观结构中存在着 40%的云母晶体, 晶体互相搭接, 当切向力作用时, 裂纹沿云母晶体的解理面顺次传递, 有效控制了裂纹扩展途径, 使裂纹始终向切向力方向, 沿着云母与玻璃两相的弱界面扩展[ 10]。在实际加工中, 陶瓷材料的加工性是材料的自身特性( 物理特性和化学特性) 、加工方法[ 26]、加工工艺参数( 切削力等)、刀具的材料、刀具特性和冷却等多方面因素的影响, 而且各种因素之间又相互关联。普通 S iC陶瓷磨削后弯曲强度从磨削前的 452 52MPa降为磨削后的 281 13MPa, YAG /S iC陶瓷材料磨削前后的弯曲强度分别为 353 45MPa和 382 12MPa。加工陶瓷的机械若使用冷却液冲刷钻头和加工表面, 则可带走部分钻削热, 钻头温升较慢, 使得刀具磨损量减小。间断的微裂纹连接并交织形成网络层, 使材料容易去除, 终增强了材料加工性。