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    加工99氧化鋁陶瓷時的注意事項及解決辦法

    發布日期:2015年7月21日

    99氧化鋁陶瓷是指氧化鋁含量高于99%的工程陶瓷,根據國家標準GB/T5593-1999的規定,99氧化鋁陶瓷材料硬度、強度高、膨脹系數低、并且絕緣、耐磨、耐腐蝕,在機械制造、航空航天、精密儀表、石油化工等領域有廣泛的應用。氧化鋁陶瓷零件通常采用熱壓燒結成型,由于燒結常常會帶來變形和收縮,一般都需要進一步精加工來保證零件的尺寸精度和形狀精度。但氧化鋁陶瓷材料一般彈性模量相當大、硬度高、脆性大,裂紋敏感性強,因此,其機械加工難度主要表現在加工硬度和加工脆性上。

    1氧化鋁陶瓷加工難點分析

    1.1氧化鋁陶瓷的加工硬度:AL203主要有α、β、γ三種結晶形態,其中α-AL203結晶形態中最穩定,1300℃時I3和γ結晶幾乎完全轉變為α結晶。在α-AL203結晶形態中鋁離子與氧離子形成的原子鍵多為共價鍵、離子鍵或是它們的混合鍵,因此原子間的結合能很高且具有很強的方向性,其具體表現為材料脆性大、塑性變形小、易產生裂紋;其硬度相當于碳化物硬質合金的硬度,比鋼高好幾倍,通常高純度氧化鋁陶瓷密度可達3980(Kg-m4),抗拉強度達260(MPa),彈性模量在350-400(GPa)之間,抗壓強度為2930(MPa),特別是其硬度可達99HRA。99氧化鋁陶瓷強度、硬度有所降低,根據我們對實驗樣件的測定,其常溫下硬度也達到70HRA。

    1.2氧化鋁陶瓷的加工脆性:通常情況下氧化鋁陶瓷的顯微組織為等軸晶粒,是由離子鍵或共價鍵所組成的多晶結構,因此斷裂韌性較低,在外部載荷的作用下,應力就會使陶瓷表面產生細微的裂紋,而裂紋則會快速擴展而出現脆性斷裂,因此在氧化鋁陶瓷切削過程中,經常會出現崩豁現象,即在陶瓷表面出現崩裂的小豁口。出現崩豁現象的原因是:(1)材料被切除部分和已加工表面最終分離是通過拉伸破壞引起,這不是正常切削的結果。(2)崩碎切削變形帶來的龜裂一般是順著工件表面一直往下開裂的,此時,由于切削拉應力將切削和相粘結的工件基體一起剝落而形成崩豁現象。需注意的是拉應力越大,造成的崩豁現象就越嚴重,可能會導致整個工件的浪費。

    2常見氧化鋁陶瓷加工方法

    氧化鋁陶瓷材料屬難加工材料,具有高硬度、脆性大的特點,常見的有磨削加工、切削加工、激光加熱加工、高壓磨料水射流加工以及超聲波加工等加工方法。

    2.1磨削加工:目前大部分的陶瓷加工主要是采用磨削加工的方法。由于氧化鋁陶瓷材料硬度高,磨削砂輪的磨具磨料一般采用金剛石(天然、人造)材料,而研磨時大多采用B4C材料作為研磨的磨料。研究表明,氧化鋁陶瓷在磨削過程中陶瓷材料主要有晶粒去除、脆性斷裂、材料剝落、晶界微破碎等脆性去除方式。陶瓷表面空隙和裂紋通過成形、延展、剝落、碎裂,整個晶粒從工件表面上脫落,完成材料的脆性去除過程。在實際磨削過程中,機床的特性,磨削參數以及的磨粒形狀對磨削加工都有影響。當前研究的熱點是如何利用材料的塑性去除機理實現陶瓷磨削的延展性磨削,目前,可以實現結合了陶瓷表面微破碎面和塑性變形的半延展性磨削,由此減少了工件表面的微裂紋,提高了工件的強度。

    2.2切削加工:考慮到刀具的磨損和加工效率,氧化鋁陶瓷的切削加工,通常采用金剛石或立方氮化硼作為刀具材料。日本學者杉田忠彰,根據線性斷裂力學原理,提出了陶瓷材料去除的三種模型:(1)不穩定裂紋擴展型(2)裂紋殘留型(3)塑性變形型。研究表明,氧化鋁陶瓷的臨界切削深度apmax=2μm,ap>apmax時,材料為脆性去除方式,切削時將會在陶瓷件表面殘留脆性龜裂,從而對陶瓷零件的強度和工作可靠性產生影響。當ap<apmax時,陶瓷材料可以像金屬材料一樣產生剪切滑移變形,實現塑性流動式切削。也可以通過加熱輔助加工法來實現塑性切削,即將陶瓷材料局部區域加熱到一定溫度,使其硬度降低,此時加工,可實現材料變形從脆性向塑性轉變,常用的加熱熱源有氧乙炔火焰、高頻、等離子和激光。陶瓷切削加工時,影響切削力的主要因素有材料的硬度和斷裂韌性,由于硬度高,刃口難于切入,故徑向力遠大于其他分力達5-10倍。刀具的磨損包括機械磨損,化學磨損以及在熱應力作用下,因為晶界損傷和破裂所致的刃口剝落。切削速度高,切削深度和進給量大都會增加刀具磨損,可適當加大刀尖圓弧半徑,以增加刀尖強度和散熱性。

    2.3激光加工:激光加工是以激光作為加工能源的非接觸式加工,因此避免了材料脆性去除時產生的表面裂紋。當高能量的激光作用在被加工零件的加工面上時,陶瓷局部區域的能量可達108JCM2以上,因為陶瓷材料對長波激光的吸收效率很高,所以零件加工面上經過光能轉變成的熱能會讓工件的表面小范圍內的溫度快速升高,并使工件材料融化、汽化,從而達到去除工件表面的材料的效果。由于聚焦光斑小,其熱影響區小,因此可以實現精密加工。

    常用于陶瓷加工的有激光和激光兩類激光,二氧化碳激光有效功率比較高,脈沖時間比較長,一般用于高速加工。但是,因為陶瓷吸收二氧化碳激光的效率較高,且在陶瓷表面的光斑范圍較大,使得陶瓷工件受熱區域大,這樣就使得陶瓷表面容易產生脆性破壞;激光的有效功率低且脈沖時間短,但是其激光束的能量密度高,因此常用于加工陶瓷零件。

    2.4超聲波加工:超聲波加工實質上是在工具和被加工零件的空隙之間投入液態或者糊狀的磨料,利用超聲波的振動作用,使得磨粒高速地連續撞擊、打壓并拋磨被加工材料的表面,使得被撞擊磨削的材料流出,從而實現切削的目的。需注意的是:超聲波施加在加工工具與被加工工件表面上;在工具和被加工零件的空隙之間存在液態或者糊狀的磨料;需要給加工工具施加微小的壓力,使其壓住被加工零件,才能實現對加工零件的采用超聲波加工。

    超聲波振動很早就應用于陶瓷加工,當前已經得到普遍的應用。超聲波在加工不同的孔或者槽時,所需要的工具也是不一樣的,更換工具會降低加工效率;如果設計專用夾具則會增加制造成本;同時如果工具使用過于頻繁會使得工具磨損加劇,質量精度不高,從而影響超聲波磨料的共振頻率,最終影響加工質量。目前超聲波加工的研究方向是采用多種加工方法實現超聲波復合加工,以此來提高工件表面的加工質量及其制造效率和成本。如超聲波的車削、磨削,細分有超聲鉆孔、超聲波加工螺紋、超聲振動打磨拋光等。

    2.5高壓磨料水射流加工:水射流加工是將經過特殊處理的水注入高壓系統,使水迅速增壓到幾百乃至幾千巴的超高壓,然后再將這種高壓水通過一個直徑僅為的噴嘴噴出,高壓水流速度為音速的2-3倍,磨料與流經噴嘴的水混合,沖擊被加工陶瓷材料。高壓磨料水切割時所使用的磨料為天然石榴石磨料,磨料帶有很多棱角呈現不規則形狀,在高壓水的帶動下對陶瓷工件進行沖擊時,磨料本身起到一個沖擊壓頭的作用,由于氧化鋁陶瓷是脆性材料,當其表面受到強大沖擊力時,將產生一定長度的裂紋,隨著沖擊力的增大,裂紋不斷擴展,形成切屑,切屑從陶瓷表面脫落實現加工。只是,高壓磨料水射流加工需要大功率的增壓器,工作噪音會達到85個

    此外,用于加工氧化鋁陶瓷工件的方法還有離子束加工、等離子加熱切削、化學加工等。目前的實際應用中仍以磨削加工為主。從研究動態看,把兩種或幾種加工方法復合在一起形成一種新的加工方法是一種趨勢,如超聲振動復合磨削、超聲放電復合加工、電解放電復合加工等。同時,將陶瓷加熱使之硬度下降后再進行切削的新加工方法也是研究熱點,這種方法不僅可以提高陶瓷件的加工質量,而且可大大提高加工效率。

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