| 分類評述了各種陶瓷材料加工技術的發展概況及應用特點。 |
一、引 言陶瓷材料具有高強度、高硬度、低密度、低膨脹系數以及耐磨、耐腐蝕、隔熱、化學穩定性好等優良特性，已成為廣泛應用于航天航空、石油化工、儀器儀表、機械制造及核工業等領域的新型工程材料。但由于陶瓷材料同時具有高脆性、低斷裂韌性及材料彈性極限與強度非常接近等特點，因此陶瓷材料的加工難度很大，加工方法稍有不當便會引起工件表面層組織的破壞，很難實現高精度、高效率、高可靠性的加工，從而限制了陶瓷材料應用范圍的進一步擴展。為滿足近年來科技發展對精細陶瓷、光學玻璃、晶體、石英、硅片和鍺片等脆性材料制品日益增長的需要，在目前較為成熟的陶瓷材料加工技術的基礎上，進一步研究開發高精度、高效率和具有高表面完整性的陶瓷材料加工技術顯得尤為迫切。 二、陶瓷材料加工技術金屬材料的加工可根據材料種類、工件形狀、加工精度、加工成本、加工效率等因素選擇不同的加工方法。而對于陶瓷材料，由于其特殊的物理機械性能，最初只能采用磨削方法進行加工，隨著機械加工技術的發展，目前已可采用類似金屬加工的多種工藝來加工陶瓷材料。 目前較為成熟的陶瓷材料加工技術主要可分為力學加工、電加工、復合加工、化學加工、光學加工等五大類，見下表。 表 陶瓷材料主要加工方法力學加工磨料加工研磨加工，拋光加工，砂帶加工，滾筒加工，珩磨加工，超聲加工，噴丸加工，粘彈性流動加工塑性加工金剛石塑性加工，金剛石塑性磨削電加工電火花加工，電子束加工，離子束加工，等離子束加工復合加工光刻加工， ELID磨削，超聲波磨削，超聲波研磨，超聲波電火花加工化學加工腐蝕加工，化學研磨加工光學加工激光加工切削加工 陶瓷材料的切削加工不僅適用于半燒結體陶瓷，也適用于完全燒結體陶瓷。半燒結體陶瓷的切削加工是為了盡可能減少完全燒結體陶瓷的加工余量，從而提高加工效率，降低加工成本。日本的研究人員使用各種刀具在不同溫度下對Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半燒結體進行了切削試驗。試驗中根據不同的加工要求，采用了干式切削與濕式切削等方法，獲得了有價值的研究成果。 國外一些研究者針對完全燒結體陶瓷的切削加工進行了試驗研究。日本的研究人員在使用聚晶金剛石刀具對Al2O3陶瓷與Si3N4陶瓷進行切削試驗時發現，粗粒聚晶金剛石刀具在切削過程中磨損較小，加工效果較好；在使用金剛石刀具切削ZrO2陶瓷時，達到了類似于切削金屬時的效果。他們還探討了陶瓷塑性切削極限問題，指出當Al2O3陶瓷的臨界切削深度apmax＝ 2µm時， SiC陶瓷的apmax＝ 1µm， Si3N4陶瓷的apmax＝ 4µm( ap＞apmax時，陶瓷材料會產生脆性破壞；ap＜ apmax時，則為塑性流動式切削)。美國的研究人員對單晶鍺進行了一系列金剛石車削試驗，成功地實現了脆性材料的塑性超精密車削，并提出了臨界切削厚度的計算公式。用金剛石刀具切削脆性材料并獲得高質量的加工表面是近十幾年來發展起來的新技術，通常稱為脆性材料的超精密車削加工。研磨、拋光加工 研磨、拋光加工是采用游離磨料對被加工表面材料產生微細去除作用以達到加工效果的一種超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工與光整加工中，特別是在用于陶瓷軸承的陶瓷球的精密加工中，研磨、拋光加工有著不可替代的位置。光學玻璃、藍寶石等光學材料，硅片、GaAs基片等半導體材料，Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷等陶瓷材料的鏡面加工大多采用研磨、拋光加工方法。從材料的去除機理上看，研磨加工是介于脆性破壞與彈性去除之間的一種加工方法，而拋光加工基本上是在材料的彈性去除范圍內進行。研磨、拋光加工由于材料去除量小，加工效率低，一般只用于超精加工的最終工序。研磨、拋光加工的材料去除率與被加工材料的韌性有較大關系，韌性越高，加工效率越低。ELID磨削加工 ELID磨削技術是由日本物理化學研究所的大森整等人于1987年提出的一種磨削新工藝，其基本原理是利用在線的電解作用對金屬基砂輪進行修整，即在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解磨削液并加以直流脈沖電流，使作為陽極的砂輪金屬結合劑產生陽極溶解效應而被逐漸去除，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，從而實現對砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。ELID磨削技術成功地解決了金屬基超硬磨料砂輪修整的難題，同時在線電解的微量修整作用使超細粒度砂輪在磨削過程中能保持鋒銳性，為實現穩定的超精密磨削創造了有利條件。 日本的研究人員使用＃8000(最大磨粒直徑約為 2µ m)鑄鐵基金剛石砂輪對硅片進行磨削，獲得了最大表面粗糙度值為0.1µm的高精表面。使用青銅基砂輪對陶瓷材料進行精密磨削也達到了相同的加工效果。哈爾濱工業大學采用ELID磨削技術對硬質合金、陶瓷、光學玻璃等脆性材料實現了鏡面磨削，磨削表面質量與在相同機床條件下采用普通砂輪磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra值已達到納米級，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可達Ra0.012µm。這表明ELID磨削技術可以實現對脆性材料表面的超精加工，但加工過程中仍存在砂輪表面氧化膜或砂輪表面層的未電解物質被壓入工件表面而造成表面層釉化及電解磨削液配比改變等問題，有待于進一步研究解決。塑性法加工 傳統的材料去除過程一般可分為脆性去除和塑性去除兩種。在脆性去除過程中，材料去除是通過裂紋的擴展和交叉來完成的；而塑性去除則是以剪切加工切屑的形式來產生材料的塑性流。對于金屬的加工，塑性切削機理很容易實現，而對于脆性材料如工程陶瓷和光學玻璃等，采用傳統的加工技術及工藝參數只會導致脆性去除而沒有顯著的塑性流，在超過強度極限的切削力作用下，材料的大小粒子發生脆性斷裂，這無疑將影響被加工表面的質量和完整性。由加工實踐可知，在加工陶瓷等脆性材料時，可采用極小的切深來實現塑性去除，即材料去除機理可在微小去除條件下從脆性破壞向塑性變形轉變。超精加工技術的最新進展已可將加工進給量控制在幾個納米，從而使脆性材料加工的主要去除機理有可能由脆性破壞轉變為塑性流。塑性切屑變形過程可以顯著降低次表面(表層)破壞，這種硬脆材料的新型加工技術稱為塑性法加工。 近年來，許多學者應用金剛石磨削方法對脆性材料塑性方式磨削的理論和工藝、脆-塑性轉變、材料特性、切削力和其它參數的關系進行了系統研究，研究重點是被加工零件的塑性方式表面形成機理和幾何精度，其中包括相關機床和砂輪技術的研究與開發。1991年，英國國家物理實驗室的研究人員首先采用四面體(Tetraform)結構并應用具有良好工程性的減振機理來設計機床的主要結構，研制出世界上第一臺Tetraform－1型超精密磨床。用該磨床對陶瓷、硅片和單晶石英試件進行了大量塑性磨削試驗，獲得了高質量的樣品，其特點是：(1)可采用相對較大的切深(大至10µm)進行加工；(2)表面幾何形狀精度高，試件周圍幾乎沒有碾痕；(3)機床可在無環境隔離條件下磨削高質量試件；(4)次表面破壞深度僅為傳統磨削的1%～2%，甚至小于拋光加工對光學元件的影響?；赥etraform原理，1995年英國Fra-zer-Nash咨詢有限公司和Granfield精密工程有限公司聯合研制了Tetraform-2型多功能磨床。發展趨勢表明，脆性材料塑性加工技術在超精加工領域有著巨大的應用潛力。超聲加工 超聲加工是在加工工具或被加工材料上施加超聲波振動，在工具與工件之間加入液體磨料或糊狀磨料，并以較小的壓力使工具貼壓在工件上。加工時，由于工具與工件之間存在超聲振動，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷撞擊、拋磨被加工表面，加上加工區域內的空化、超壓效應，從而產生材料去除效果。超聲加工與其它加工方法相結合，形成了各種超聲復合加工工藝，如超聲車削、超聲磨削、超聲鉆孔、超聲螺紋加工、超聲振動珩磨、超聲研磨拋光等。 超聲復合加工方式較適用于陶瓷材料的加工，其加工效率隨著材料脆性的增大而提高。日本的研究人員對陶瓷材料的超聲磨削加工進行了研究，使陶瓷材料的加工效率提高近一倍；他們在對Al2O3陶瓷與ZrO2陶瓷進行加工時，在工具與工件上同時施加超聲振動，從而使加工效率提高了2～3倍；在鉆頭上施以超聲振動進行深孔加工，大大提高了孔內表面質量與孔的圓度。在國內，華北工學院辛志杰等人進行了超聲振動珩磨技術研究，開發出了超聲振動珩磨裝置，其特點是研磨圓盤激發彎曲振動(圓盤振動頻率為20kHz，振幅約為15µm)，而珩磨桿和珩磨頭體均不振動。對710鋼、鋁、鈦管等進行的超聲振動珩磨初步實驗表明，加工效率明顯提高，并可獲得高精度、高表面質量和具有高耐磨性的精密孔。此項技術在高效率光整加工陶瓷、光學玻璃等硬脆材料中具有很大潛力。 本文作者在研究用于陶瓷軸承的精密陶瓷球高效加工方法時發現，采用超聲振動研磨方法可提高加工效率和表面質量。該方法是在傳統的球研磨機上，用兩個電致換能器通過放大桿(縱向振動)在上研盤水平切線方向激勵不轉動的上研盤，使上研盤產生扭轉振動，接觸研盤振動頻率為21kHz，振幅為15µm。加工時，由于研盤與陶瓷球之間存在超聲振動，迫使磨粒急劇轉動，并以很大的速度和加速度不斷撞擊加工表面，從而產生快速去除材料的加工效果。此外，由于小直徑磨粒的劇烈跳動，造成噴砂強化效果，對表面微細溝槽自成作用、粗糙表面的平滑以及產生殘余壓應力都有促進作用。通過查閱大量國內外有關資料文獻，作者提出的采用超聲振動研磨方法加工陶瓷的技術尚未見公開報道。 / b0 e8 R2 Q" ^/ l0 O. b+ l
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