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加工99氧化铝陶瓷时的注意事项及解决办法

发布日期:2015年7月21日

99氧化铝陶瓷是指氧化铝含量高于99%的工程陶瓷,根据国家标准GB/T5593-1999的规定,99氧化铝陶瓷材料硬度、强度高、膨胀系数低、并且绝缘、耐磨、耐腐蚀,在机械制造、航空航天、精密仪表、石油化工等领域有广泛的应用。氧化铝陶瓷零件通常采用热压烧结成型,由于烧结常常会带来变形和收缩,一般都需要进一步精加工来保证零件的尺寸精度和形状精度。但氧化铝陶瓷材料一般弹性模量相当大、硬度高、脆性大,裂纹敏感性强,因此,其机械加工难度主要表现在加工硬度和加工脆性上。

1氧化铝陶瓷加工难点分析

1.1氧化铝陶瓷的加工硬度:AL203主要有α、β、γ三种结晶形态,其中α-AL203结晶形态中最稳定,1300℃时I3和γ结晶几乎完全转变为α结晶。在α-AL203结晶形态中铝离子与氧离子形成的原子键多为共价键、离子键或是它们的混合键,因此原子间的结合能很高且具有很强的方向性,其具体表现为材料脆性大、塑性变形小、易产生裂纹;其硬度相当于碳化物硬质合金的硬度,比钢高好几倍,通常高纯度氧化铝陶瓷密度可达3980(Kg-m4),抗拉强度达260(MPa),弹性模量在350-400(GPa)之间,抗压强度为2930(MPa),特别是其硬度可达99HRA。99氧化铝陶瓷强度、硬度有所降低,根据我们对实验样件的测定,其常温下硬度也达到70HRA。

1。2氧化铝陶瓷的加工脆性:通常情况下氧化铝陶瓷的显微组织为等轴晶粒,是由离子键或共价键所组成的多晶结构,因此断裂韧性较低,在外部载荷的作用下,应力就会使陶瓷表面产生细微的裂纹,而裂纹则会快速扩展而出现脆性断裂,因此在氧化铝陶瓷切削过程中,经常会出现崩豁现象,即在陶瓷表面出现崩裂的小豁口。出现崩豁现象的原因是:(1)材料被切除部分和已加工表面最终分离是通过拉伸破坏引起,这不是正常切削的结果。(2)崩碎切削变形带来的龟裂一般是顺着工件表面一直往下开裂的,此时,由于切削拉应力将切削和相粘结的工件基体一起剥落而形成崩豁现象。需注意的是拉应力越大,造成的崩豁现象就越严重,可能会导致整个工件的浪费。

2常见氧化铝陶瓷加工方法

秒速快3氧化铝陶瓷材料属难加工材料,具有高硬度、脆性大的特点,常见的有磨削加工、切削加工、激光加热加工、高压磨料水射流加工以及超声波加工等加工方法。

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。由于氧化铝陶瓷材料硬度高,磨削砂轮的磨具磨料一般采用金刚石(天然、人造)材料,而研磨时大多采用B4C材料作为研磨的磨料。研究表明,氧化铝陶瓷在磨削过程中陶瓷材料主要有晶粒去除、脆性断裂、材料剥落、晶界微破碎等脆性去除方式。陶瓷表面空隙和裂纹通过成形、延展、剥落、碎裂,整个晶粒从工件表面上脱落,完成材料的脆性去除过程。在实际磨削过程中,机床的特性,磨削参数以及的磨粒形状对磨削加工都有影响。当前研究的热点是如何利用材料的塑性去除机理实现陶瓷磨削的延展性磨削,目前,可以实现结合了陶瓷表面微破碎面和塑性变形的半延展性磨削,由此减少了工件表面的微裂纹,提高了工件的强度。

2.2切削加工:考虑到刀具的磨损和加工效率,氧化铝陶瓷的切削加工,通常采用金刚石或立方氮化硼作为刀具材料。日本学者杉田忠彰,根据线性断裂力学原理,提出了陶瓷材料去除的三种模型:(1)不稳定裂纹扩展型(2)裂纹残留型(3)塑性变形型。研究表明,氧化铝陶瓷的临界切削深度apmax=2μm,ap>apmax时,材料为脆性去除方式,切削时将会在陶瓷件表面残留脆性龟裂,从而对陶瓷零件的强度和工作可靠性产生影响。当ap<apmax时,陶瓷材料可以像金属材料一样产生剪切滑移变形,实现塑性流动式切削。也可以通过加热辅助加工法来实现塑性切削,即将陶瓷材料局部区域加热到一定温度,使其硬度降低,此时加工,可实现材料变形从脆性向塑性转变,常用的加热热源有氧乙炔火焰、高频、等离子和激光。陶瓷切削加工时,影响切削力的主要因素有材料的硬度和断裂韧性,由于硬度高,刃口难于切入,故径向力远大于其他分力达5-10倍。刀具的磨损包括机械磨损,化学磨损以及在热应力作用下,因为晶界损伤和破裂所致的刃口剥落。切削速度高,切削深度和进给量大都会增加刀具磨损,可适当加大刀尖圆弧半径,以增加刀尖强度和散热性。

2.3激光加工:激光加工是以激光作为加工能源的非接触式加工,因此避免了材料脆性去除时产生的表面裂纹。当高能量的激光作用在被加工零件的加工面上时,陶瓷局部区域的能量可达108JCM2以上,因为陶瓷材料对长波激光的吸收效率很高,所以零件加工面上经过光能转变成的热能会让工件的表面小范围内的温度快速升高,并使工件材料融化、汽化,从而达到去除工件表面的材料的效果。由于聚焦光斑小,其热影响区小,因此可以实现精密加工。

常用于陶瓷加工的有激光和激光两类激光,二氧化碳激光有效功率比较高,脉冲时间比较长,一般用于高速加工。但是,因为陶瓷吸收二氧化碳激光的效率较高,且在陶瓷表面的光斑范围较大,使得陶瓷工件受热区域大,这样就使得陶瓷表面容易产生脆性破坏;激光的有效功率低且脉冲时间短,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超声波加工:超声波加工实质上是在工具和被加工零件的空隙之间投入液态或者糊状的磨料,利用超声波的振动作用,使得磨粒高速地连续撞击、打压并抛磨被加工材料的表面,使得被撞击磨削的材料流出,从而实现切削的目的。需注意的是:超声波施加在加工工具与被加工工件表面上;在工具和被加工零件的空隙之间存在液态或者糊状的磨料;需要给加工工具施加微小的压力,使其压住被加工零件,才能实现对加工零件的采用超声波加工。

超声波振动很早就应用于陶瓷加工,当前已经得到普遍的应用。超声波在加工不同的孔或者槽时,所需要的工具也是不一样的,更换工具会降低加工效率;如果设计专用夹具则会增加制造成本;同时如果工具使用过于频繁会使得工具磨损加剧,质量精度不高,从而影响超声波磨料的共振频率,最终影响加工质量。目前超声波加工的研究方向是采用多种加工方法实现超声波复合加工,以此来提高工件表面的加工质量及其制造效率和成本。如超声波的车削、磨削,细分有超声钻孔、超声波加工螺纹、超声振动打磨抛光等。

2。5高压磨料水射流加工:水射流加工是将经过特殊处理的水注入高压系统,使水迅速增压到几百乃至几千巴的超高压,然后再将这种高压水通过一个直径仅为的喷嘴喷出,高压水流速度为音速的2-3倍,磨料与流经喷嘴的水混合,冲击被加工陶瓷材料。高压磨料水切割时所使用的磨料为天然石榴石磨料,磨料带有很多棱角呈现不规则形状,在高压水的带动下对陶瓷工件进行冲击时,磨料本身起到一个冲击压头的作用,由于氧化铝陶瓷是脆性材料,当其表面受到强大冲击力时,将产生一定长度的裂纹,随着冲击力的增大,裂纹不断扩展,形成切屑,切屑从陶瓷表面脱落实现加工。只是,高压磨料水射流加工需要大功率的增压器,工作噪音会达到85个

此外,用于加工氧化铝陶瓷工件的方法还有离子束加工、等离子加热切削、化学加工等。目前的实际应用中仍以磨削加工为主。从研究动态看,把两种或几种加工方法复合在一起形成一种新的加工方法是一种趋势,如超声振动复合磨削、超声放电复合加工、电解放电复合加工等。同时,将陶瓷加热使之硬度下降后再进行切削的新加工方法也是研究热点,这种方法不仅可以提高陶瓷件的加工质量,而且可大大提高加工效率。

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