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制备高质量陶瓷零部件,离不开精密加工技术
2022年08月17日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:307
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陶瓷产品一般是通过将粉末状原料在模具中成型,而后经高温烧结而成,陶瓷坯体在烧结过程中会发生不同程度的收缩,因此通常无法保证烧结后产品的尺寸精度。此外,陶瓷产品具有高硬性和高脆性的特点,在后续的加工过程很难保证其形位尺寸精度和表面质量。因此,研究陶瓷精密加工技术、提高精密加工的效率和精度具有十分重要的意义。

陶瓷零部件

传统的工业陶瓷精密加工技术主要有车削、铣削和磨削等机械加工法,其工艺简单,加工效率高,但难以加工形状复杂、尺寸精度高的陶瓷产品。随着科学技术的发展,陶瓷精密加工技术不断改善,出现了一些特种加工技术和复合加工技术。

一、机械加工技术

机械加工技术一般包括车削加工技术、铣削加工技术和磨削加工技术等。

1. 车削加工技术

车削加工技术的原理:首先使用金刚石刀具进行粗加工,然后改用天然单晶金刚石刀具,以微车削方式进行精车。

由于陶瓷材料的硬度和脆性非常大,传统车削加工时难以保证其精度要求,且加工效率低。此外,要提高车削加工的精密程度,还需要多采用硬质合金刀具,在车削过程中选用合理的刀具参数和车削参数,并使用合适的车削液进行冷却。

目前,有一种加热辅助车削的陶瓷精密加工技术得到了较为广泛的应用,它是对待加工的陶瓷部件的局部或者整体进行加热,使车削表面层达到合适温度后进行车削加工。局部加热可以改变陶瓷材料的硬度和强度,从而改善材料的可加工性,实现以塑性车削的方式车削陶瓷材料,进而提高车削效率和精度。

车削加工刀具

车削加工刀具

2.铣削加工技术

铣床是一种用途广泛的机床,它可以加工平面、沟槽、螺旋形表面及各种曲面,

还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。铣削加工的工作原理是:工件装在工作台上,铣刀旋转为主运动,辅以铣头的进给运动,工件即可获得所需的加工表面。

由于铣削是多刃断续切削,因而铣床在加工陶瓷时生产率较高,但是在陶瓷精密加工过程中,陶瓷表面会在机械应力作用下产生凹坑和表层微裂纹等缺陷。目前,主要通过研究新型刀具、选择合适切削液、优化切削进给速度和进给量等工艺参数手段来提高陶瓷精密加工的质量。

铣削加工

铣削加工

3.磨削加工技术

磨削加工技术占到陶瓷加工的80%。磨削加工主要选用金刚石砂轮,加工时磨粒切削刃前方的材料因受到挤压而剥落从而完成磨削。

磨削加工的缺点是当压力值过大时,陶瓷材料可能会因压溃而形成碎屑。此外,磨削加工过程中的压应力和摩擦热的作用会导致陶瓷材料产生局部塑性流动,形成变形层。磨削加工过程中的切屑不易排除,会导致加工效率低,砂轮磨损严重,加工成本也变高。

为了提高磨削加工的效率和精度,多在磨削工艺、磨料和研磨液方面进行研究与探索。通常会选用碳化硼、碳化硅和金刚石微粉作为磨料,也选用多晶金刚石研磨液和磁流研磨液。

金刚石砂轮

金刚石砂轮

二、特种加工技术

工业陶瓷特种加工技术是直接利用电能、热能、光能或者化学能对陶瓷材料进行加工,对于复杂形状、精密微细的特殊零件有较大的适用性和发展潜力。

根据所使用的能量不同,工业陶瓷特种加工技术可以分为电火花特种加工、激光特种加工、超声特种加工和微波特种加工等。研究特种加工技术,不仅可以提高工业陶瓷表面质量和加工精度,也能提高生产效率。

1.电火花特种加工

电火花特种加工的原理是通过导电工件与工具电极之间的脉冲性火花放电,产生局部和瞬间高温,使工件熔化,形成电腐蚀现象,以去除多余材料,达到零件尺寸要求和形状表面质量要求。在电火花加工时,工具电极和工件分别接电源的两极,并浸入工作液中,通过自动调节装置控制工具电极向工件进给,当电极间隙达到一定距离时,产生电火花放热。

电火花加工的优点是可以加工形状较复杂的陶瓷,加工时无机械力,不会产生毛刺和划痕等缺陷,使用电能加工也便于实现自动化。但电火花加工时要求陶瓷材料必须导电,对于导电性能较好的陶瓷可以直接采用电火花加工。而大部分陶瓷材料都是绝缘的,不能作为电极,这给电火花加工带来了较大的困难。

目前,采用电火花进行工业陶瓷加工时多采用辅助电极法,即用金属盘或金属网覆盖于陶瓷绝缘体表面作为辅助电极,也可以通过改变陶瓷材料导电性,即加入适当的成分使其具有导电性,从而实现电火花加工。


电火花加工原理示意图

2.激光特种加工

激光特种加工是利用激光作为加工热源,利用激光的聚光性和高能量密度直接辐照在陶瓷的加工部位,这样陶瓷被加工部位会在激光辐照下快速升温,使被加工部位材料局部点熔融或汽化,从而实现陶瓷的精密加工。

目前,有一种激光辅助机械复合加工技术得到了较为广泛的应用,它由激光辅热系统、数控车床和切削刀具组成。进行激光特种加工时,首先使用激光瞬时加热,使陶瓷表面局部软化,再用刀具进行切削,从而获得连续切屑并降低切削力。

这种激光辅助机械加工技术对刀刃的热影响较小,不仅能改善陶瓷表面质量,也能提高刀具的耐用度。

激光切割加工

激光切割加工

激光切割机陶瓷环配件

激光切割机陶瓷环配件

3.超声特种加工

超声特种加工是指在加工工具或加工材料上施加超声波振动,在工具与工件之间加入研磨液,并以较小的压力使工具与工件相贴压。加工时,超声振动的存在会迫使研磨液中悬浮的磨粒以很大的速度不断撞击被加工表面,从而产生材料去除效果,实现陶瓷的精密加工。

在工业陶瓷加工时辅以超声加工技术,可有效地控制成本,提高加工效率,确保陶瓷工件具有良好的性能与质量水平。

超声加工原理示意图

超声加工原理示意图

4.微波特种加工

微波加工是使用电磁波能量穿透介质材料,并传送到陶瓷内部,从而使物体内各分子互相碰撞和摩擦,使物体发热、熔融甚至汽化,进而实现陶瓷材料的去除。

微波加热具有热应力小、效率高、加热速度快的特点,广泛地应用于陶瓷刻蚀和精密加工。利用微波特种加工陶瓷时,通常首先通过微波产热使陶瓷材料局部熔融,再辅助刀具切削装置进行机械加工,从而提高陶瓷的可加工性,实现精密加工。

微波加工原理示意图

微波加工原理示意图

三、复合加工技术

随着对工业陶瓷加工质量的需求不断提高,要求陶瓷加工可以实现微细加工或者纳米加工,而传统的加工技术存在尺寸精度低、表面光洁度差等缺陷,因此复合加工技术应运而生。复合加工技术能获得较好的加工质量和较高的加工效率,现已成为工业陶瓷加工技术的发展主流。目前,应用比较成熟的工业陶瓷复合加工技术有水射流辅助激光精密加工技术、电解电火花复合加工技术和高温化学腐蚀加工技术。

而传统的磨削加工存在加工效率低,砂轮磨损严重等缺陷。随着先进加工技术的发展,复合磨削加工技术也出现了多种方式。其中应用最广的主要有超声辅助磨削、激光预热辅助磨削、复合磨削加工技术、电火花磨削加工和振动辅助磁力研磨等。

总结

由于陶瓷材料具有特殊的优良性能,可广泛应用于高速、高温、腐蚀性介质等金属材料无法满足要求的特殊场合,但由于其硬度高、脆性大、耐磨性好,很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工,从而限制了它的应用和发展,上述各种陶瓷加工方法各有其优、缺点,但又不能互相取代。加工陶瓷材料时应根据材料种类、工件外形及精度、本钱、效率等因素,选择合适的加工方法。


参考来源:

1.工业陶瓷精密加工技术的研究现状,邢政鹏、朱杉、孙增光、姜立平、王长征、谢青松、胡春玲、王世博(现代技术陶瓷);

2.结构陶瓷材料加工技术的新进展,杨俊飞、田欣利、吴志远(兵工学报);

3.工程陶瓷切削加工技术研究,薛建勋(中国陶瓷);

4.激光技术在材料加工领域的应用与发展,李苏、张占辉、韩善果(精密成形工程)。


粉体圈 小吉

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