氧化鋯陶瓷加工方式磨削的理論和工藝

　　近年來許多學(xué)者應(yīng)用金剛石磨削方法對氧化鋯陶瓷脆性材料塑性方式磨削的理論和工藝、脆-塑性轉(zhuǎn)變、材料特性、切削力和其它參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究重點(diǎn)是被加工氧化鋯陶瓷零件的塑性方式表面形成機(jī)理和幾何精度，其中包括相關(guān)機(jī)床和砂輪技術(shù)的研究與開發(fā)。

　　一、氧化鋯陶瓷切削加工：

　　氧化鋯陶瓷材料的切削加工不僅適用于半燒結(jié)體陶瓷，也適用于完全燒結(jié)體氧化鋯陶瓷。

　　半燒結(jié)體氧化鋯陶瓷的切削加工是為了盡可能減少完全燒結(jié)體陶瓷的加工余量，從而提高加工效率，降低加工成本。研究人員使用各種刀具在不同溫度下對氧化鋯陶瓷和氧化鋁陶瓷半燒結(jié)體進(jìn)行了切削試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)中根據(jù)不同的氧化鋯陶瓷加工要求，采用了干式切削與濕式切削等方法，獲得了有價(jià)值的研究成果。

　　二、氧化鋯陶瓷研磨、拋光加工：

　　氧化鋯陶瓷研磨、拋光加工是采用游離磨料對被加工表面材料產(chǎn)生微細(xì)去除作用以達(dá)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(xué)玻璃、藍(lán)寶石等光學(xué)材料，硅片、GaAs基片等半導(dǎo)體材料，氧化鋯陶瓷、氧化鋁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(jī)理上看，研磨加工是介于氧化鋯陶瓷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(nèi)進(jìn)行。

　　研磨、拋光加工由于氧化鋯陶瓷材料去除量小，加工效率低，一般只用于氧化鋯陶瓷超精加工的最終工序。

　　研磨、拋光加工的氧化鋯陶瓷材料去除率與被加氧化鋯陶瓷工材料的韌性有較大關(guān)系，氧化鋯陶瓷韌性越高，氧化鋯陶瓷加工效率越低。

　　三、氧化鋯陶瓷ELID磨削加工：

　　氧化鋯陶瓷ELID磨削技術(shù)是一種磨削新工藝，其基本原理是利用在線的電解作用對金屬基砂輪進(jìn)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(jié)合劑產(chǎn)生陽極溶解效應(yīng)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(shí)現(xiàn)對砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。

　　氧化鋯陶瓷ELID磨削技術(shù)成功地解決了金屬基超硬磨料砂輪修整的難題，同時(shí)在線電解的微量修整作用使超細(xì)粒度砂輪在磨削過程中能保持鋒銳性，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超精密磨削創(chuàng)造了有利條件。

　　氧化鋯陶瓷使用＃8000(最大磨粒直徑約為2µm)鑄鐵基金剛石砂輪對硅片進(jìn)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(jìn)行精密磨削也達(dá)到了相同的加工效果。

　　采用ELID磨削技術(shù)對硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃氧化鋯陶瓷等脆性材料實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削，磨削表面質(zhì)量與在相同機(jī)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(dá)到納米級(jí)，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可達(dá)Ra0.012µm。

　　這表明ELID磨削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對氧化鋯陶瓷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(zhì)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(jìn)一步研究解決。

　　四、氧化鋯陶瓷塑性法加工：

　　傳統(tǒng)的氧化鋯陶瓷材料去除過程一般可分為脆性去除和塑性去除兩種。

　　氧化鋯陶瓷在脆性去除過程中，材料去除是通過裂紋的擴(kuò)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(chǎn)生材料的塑性流。

　　對于金屬的加工，塑性切削機(jī)理很容易實(shí)現(xiàn)，而對于氧化鋯陶瓷脆性材料如工程陶瓷和光學(xué)玻璃等，采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)及工藝參數(shù)只會(huì)導(dǎo)致脆性去除而沒有顯著的塑性流，在超過強(qiáng)度極限的切削力作用下，材料的大小粒子發(fā)生脆性斷裂，這無疑將影響被加工表面的質(zhì)量和完整性。

　　由加工實(shí)踐可知，在加工氧化鋯陶瓷等脆性材料時(shí)，可采用極小的切深來實(shí)現(xiàn)塑性去除，即氧化鋯陶瓷材料去除機(jī)理可在微小去除條件下從脆性破壞向塑性變形轉(zhuǎn)變。

　　氧化鋯陶瓷超精加工技術(shù)的最新進(jìn)展已可將加工進(jìn)給量控制在幾個(gè)納米，從而使脆性材料加工的主要去除機(jī)理有可能由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鳌?/p>

　　塑性切屑變形過程可以顯著降低次表面(表層)破壞，氧化鋯陶瓷硬脆材料的新型加工技術(shù)稱為塑性法加工。

　　氧化鋯陶瓷材料超聲加工方法

　　氧化鋯陶瓷超聲加工是在加工工具或被加工材料上施加超聲波振動(dòng)，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。

　　氧化鋯陶瓷加工時(shí)，由于工具與工件之間存在超聲振動(dòng)，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(qū)域內(nèi)的空化、超壓效應(yīng)，從而產(chǎn)生材料去除效果。

　　氧化鋯陶瓷超聲加工與其它加工方法相結(jié)合，形成了各種超聲復(fù)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(dòng)珩磨、超聲研磨拋光等。

　　超聲復(fù)合加工方式較適用于氧化鋯陶瓷的加工，其加工效率隨著氧化鋯陶瓷材料脆性的增大而提高。

　　究人員對氧化鋯陶瓷材料的超聲磨削加工進(jìn)行了研究，使陶瓷材料的加工效率提高近一倍；

　　在對氧化鋁陶瓷與氧化鋯陶瓷進(jìn)行加工時(shí)，在工具與工件上同時(shí)施加超聲振動(dòng)，從而使加工效率提高了2～3倍；

　　在鉆頭上施以超聲振動(dòng)進(jìn)行深孔加工，大大提高了孔內(nèi)表面質(zhì)量與孔的圓度。