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陶瓷材料加工技術的突破及成本趨勢

發佈時間:2024-09-14點選:0
       陶瓷材料具備良好的耐高溫耐腐蝕性、強度高、硬度高,且是優良的高性能材料。隨著陶瓷材料學的發展,其製備技術也越來越多,陶瓷材料的性能也逐漸提高。陶瓷材料可以用到太空探測、航空航太等高技術領域。
 
陶瓷材料的原子透過共價鍵、離子鍵結合,而金屬材料透過金屬鍵結合,所以陶瓷材料與金屬材料有完全不同的性質。陶瓷材料在常溫下對剪切應力的變形阻力很大,且硬度很高。由於陶瓷晶體是由陽離子和陰離子以及它們之間的化學鍵組成的,化學鍵具有方向性、原子堆積密度低、原子間距大,使陶瓷顯示出很大的脆性,加工產生的缺陷多,所以是典型的難加工材料。發展高效能低成本的加工技術十分重要。
 
1.陶瓷材質的車磨削加工技術
 
      陶瓷材料的脆性極高,似乎很難將陶瓷與車削聯繫起來,但是陶瓷材料的壓痕實驗表明如果選用合適的鑽石刀具角度和切削參數仍然可以實現陶瓷材料的延性加工。相關的實驗也顯示採用超硬刀具材料都可以加工陶瓷材料。李湘釩超精密車削陶瓷材料的實驗顯示採用W-Co類硬質合金可以加工陶瓷零件。日本的原昭夫曾採用聚晶鑽石刀具車削Al2O3和Si3N4陶瓷。目前車削陶瓷材料主要選用鑽石刀具。在刃磨性能上單晶鑽石刀具優於聚晶鑽石刀具,它們都屬於微量切削,去除率較低,加工品質和精度難以保證,還有待於進一步的研究。
 
      研磨可滿足硬金屬的加工要求,因而也可成為陶瓷材料的主要加工方法,其精確度和效率較適中。磨削陶瓷材料一般選用鑽石砂輪,鑽石砂輪磨削材料時磨粒切人工件,磨粒切削刃前方的陶瓷表面材料受到擠壓,當壓力值超過陶瓷材料承受極限時被壓潰,形成碎屑。同時磨粒切人工件時,由於壓應力和摩擦熱的作用,磨粒下方的材料會產生局部塑性流動,形成變形層,當磨粒切出時,由於應力的消失,引起變形層從工件上脫離形成切屑。從成屑機理上看陶瓷
 
      材料的去除方式仍是脆性的。磨削加工後的表面殘留了大量的加工缺陷,因此深加工就成為必然的工序。為了降低深層加工的成本,近年來提出了延性域磨削的概念。延性域磨削以提高磨削表面品質為主要目標,採用調整磨粒排布方式以及精密修整等技術來實現陶瓷材料的高效精密加工。陶瓷材料的研磨也存在砂輪磨損堵塞以及加工效率低等問題,這些問題有待進一步的研究。
 
2、陶瓷材料的特殊加工技術
 
      超音波加工是在加工工具或被加工材料上施加超音波振動,在工具與工件之間加入液體磨料或糊狀磨料,並以較小的壓力使工具貼壓在工件上。加工時,由於工具與工件之間有超音波振動,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。超音波加工比較適合陶瓷材料表面脆性的特點,此方法加工的表面品質較好,容易實現加工自動化。其缺點是加工效率較低,工具壽命較低。
 
雷射加工陶瓷材料,是利用能量密度極高的雷射光束照射到陶瓷材料表面上,光能被陶瓷表面吸收,光能部分轉化為熱能,使局部溫度迅速升高產生熔化以至氣化並形成凹坑。隨著能量的持續吸收,凹坑中的蒸氣迅速膨脹,把熔融物高速噴射出來,同時產生一個方向性很強的衝擊波,這樣材料就在高溫、熔融、氣化和衝擊作用下被蝕除。雷射加工高效環保,但光斑表面的溫度梯度容易形成陶瓷材料表面的微裂紋,而且雷射設備昂貴,使用成本較高。
 
      電火花加工主要是透過電極間放電產生高溫熔化和汽化蝕除材料。電火花加工適合於導電材料的加工。因為陶瓷材料是電絕緣體,所以必須採取特殊工藝。一種高壓電火花加工方法是在尖電極與平電極間放入絕緣的陶瓷材料工件。兩電極間加以直流或交流高電壓,使尖電極附近的介質被擊穿,發生輝光放電蝕除。另一種加工方法是在薄片陶瓷工件上壓放一塊薄金屬網作為輔助電極,輔助電極和工具電極分別與脈衝電源的正負極相連,並放在油類工作液中,當脈衝電壓施加到兩極間,便在工具與輔助電極間產生火花放電;當電火花穿過工件上的輔助電極時,因金屬材料的氣化噴射或濺射等作用使陶瓷零件表面導電,加工得以持續。還有一種加工方法是在陶瓷的表面塗覆導電材料進行電火花加工。電火花加工仍面臨加工效率低、加工表面品質難以保證等問題,這些有待進一步的研究。
 
3、特種加工輔助車研磨技術
 
      車研磨加工的效率相對較高,但其對工具的要求非常高,而且陶瓷材料的表面品質難以保證,對於成形陶瓷零件的加工也較難。為了提高陶瓷材料的加工精度以及加工範圍,在車磨削加工中引入特殊加工技術將會同時獲得較高的加工效率和表面品質。
 
超音波磨削加工,是在磨削加工的同時,對工具或工件施加超音波頻率振動,充分利用超音波的高頻振動和空化作用去除材料,超音波磨削加工方式較適用於陶瓷材料的加工,其加工效率隨著材料脆性的增加而逐漸提高。超音波磨削技術可以明顯降低磨削溫度、增加砂輪使用壽命、提高加工精度和表面品質。
 
雷射輔助車削技術是將雷射照射到刀具附近的陶瓷材料,在車削陶瓷材料的過程中,材料剪切區域因雷射產生高溫軟化,減小了陶瓷材料的切削阻力,增加了陶瓷材料的加工延性,從而達到了陶瓷材料的高效能延性加工。
 
      線上電解研磨技術是將電解技術引入磨削過程中,透過連續有限量的電解作用來蝕除砂輪表面的金屬結合劑從而對砂輪進行修整以達到微粉磨粒不斷出露的目的。線上電解技術是日本理化研究所研究的成果,加工陶瓷材料可以達到超精密加工的程度。
 
4、成本趨勢

      隨著陶瓷材料加工技術的不斷突破進步,生產效率提升較高,陶瓷加工成本也不斷降低。
 
5、結論
 
      陶瓷材料在高技術領域中應用的廣泛性促進了其加工技術的研究。陶瓷材料硬度高脆性大,採用傳統的車磨技術進行加工難度比較大,而特種加工技術效率低成本高,所以採用傳統的車磨削技術與特種加工技術相結合的方法將是以後陶瓷加工技術研究的趨勢。
 
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