陶瓷精雕機加工特種陶瓷方法揭秘

  陶瓷精雕機可以加工各種特種陶瓷材料，特種陶瓷，常見的有氧化鋯，氧化鋁，碳化硅氮化硅等，鑫騰輝數控為了解決陶瓷加工的難題專門研制出陶瓷精雕機，但是加工特種陶瓷的方法工藝都是有所不同的，也是眾多客戶一直想弄明白的事情，鑫騰輝數控專業生產銷售數控陶瓷精雕機，聯系電話136_998_99025。陶瓷精雕機加工特種陶瓷方法揭秘。特種陶瓷具有硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等特性，廣泛應用于機械、電子、汽車、航空航天等領域。因脆性大、韌性低、導熱性差等缺陷，特種陶瓷切削加工方面的文獻相對較少。與其它加工方式相比，切削加工具有更高的材料去除效率，在加工復雜形狀時，也具有更好的靈活性。
1 切削機理
特種陶瓷作為典型的脆性材料，其切削機理與金屬材料切削加工有著顯著區別。在常規切削加工方式下，陶瓷材料以脆性斷裂方式去除為主，一般經歷初始裂紋的產生、裂紋不穩定擴展、裂紋延伸到自由表面實現材料的去除三個階段，通過形成粉末狀、粒狀和塊狀切屑的方式去除材料，對其切削機理的研究建立在斷裂力學的基礎上。
(1) 裂紋的產生。在陶瓷材料切削過程中，通常認為材料是連續的、各向同性的，處于平面應變狀態，當內部最大主應力超過材料的抗拉強度時，在材料內部產生裂紋 。(2) 裂紋的擴展。其判據可表述為 G ≥ Gc 或 K ≥ Kc，G 和 Gc 為機械能釋放率及其臨界值，K 和 Kc 為應力場強度及其臨界值。(3) 切屑的形成。裂紋由刀具刃端出發向刀具前下方擴展，當裂紋擴展到一定程度后，被切削材料將發生剪切斷裂，剪切斷裂由拉應力引起裂紋的縫端出發，逐步地朝刀具前上方擴展，從而形成切屑。特種陶瓷在常規加工方式下，加工精度和表面質量較差。在加工高精密零件的時候，必須采用精密和超精密加工方式。在精密和超精密加工方式下，陶瓷材料將以微小的塑性變形方式被去除。塑性切削可以大大提高陶瓷的加工質量。用鋒利的金剛石刀具對硬脆材料進行超精密切削的可能性，是以硬脆材料在尖銳壓頭下能夠產生塑性變形為基礎的 [7]。當裂紋擴展判據不滿足，但切削力超過材料本身的屈服應力，即滿足屈服條件時，產生塑性變形。

2 切削刀具
特種陶瓷硬度高，采用普通刀具加工刀具時易磨損，造成零件尺寸一致性差，加工表面錐度大，因此合理選擇刀具材料變得尤為重要。在特種陶瓷切削加工中，
用硬質合金、陶瓷、金剛石以及 CBN 等刀具材料，其中金剛石刀具最適合陶瓷材料的加工。
2.1 刀尖幾何形狀對特種陶瓷材料進行超精密切削時，為了保證加工質量，材料去除量一般都在微米量級以下，在這種情況下，主要是刀尖部分進行切削。刀尖的幾何形狀對切削加工有著重要的影響。常見的金剛石刀具刀尖幾何形狀主要有尖刃、多棱刃、直線切削刃和曲線切削刃 ( 主要是圓弧切削刃 )。直線切削刃切削阻力小、制造容易、研磨方便，安裝調整困難。圓弧切削刃對刀容易、使用方便，刀具制造和研磨困難。國外通常采用刀尖圓弧半徑小于 1mm 甚至更小的金剛石刀具 [10]，為了實現塑性切削，刀具的進給速度必須很低，導致材料去除率也很低。采用半徑達到 10mm的圓鼻刀對 RB-SiC進行了切削加工，在取合適的刀具前角的條件下，材料去除率較傳統方法提高了 15 倍。
2.2 刀具前角
刀具前角對特種陶瓷的加工質量有著重要的影響。采用負前角可以施加壓應力場，抑制被切削區域裂紋的擴展，有助于塑性變形區的形成。采用不同的刀具負前角進行了單晶硅的金剛石切削試驗，其結果表明，采用前角范圍為 -15°～ -25°的車刀進行切削時有利于抑制原子級尺寸裂紋初步擴展成微裂紋 , 可以提高加工時的脆塑轉變臨界切深值，有利于實現塑性域切削。
2.3 切削刃鈍圓半徑
切削刃鈍圓是指切削刃的刃口形狀。切削刃不可能做成一條標準的幾何線，刃口形狀實際上是一條曲線，通常用圓弧來代替切削刃的刃口形狀。切削刃的鋒利程度，用在垂直于切削刃的截面內測量的切削刃鈍圓半徑表示。在常規切削加工中，切削深度和進給量等都遠大于切削刃鈍圓半徑，可以忽略切削刃鈍圓的影響。而在切削深度和進給量都很小的超精密切削加工中，切削刃鈍圓的影響則不容忽視。

3 加工工藝
3.1 切削速度
在特種陶瓷的切削過程中，隨著切削速度的提高，切削刃附近的陶瓷材料因溫度的升高導致韌性提高和屈服強度下降，呈現出由脆性斷裂轉為塑性去除的趨勢，但變化并不明顯 。用 PCD 刀具加工 Si 3N4基特種陶瓷，指出隨著切削速度的增加，材料的應變率增大，單位時間內的切削體積 增加，導致切削力隨切削速度的增大而增大，但是對于表面粗超度的影響不是很大，并且切削速度存在最佳范圍，超出此范圍，刀具的壽命會急劇降低。
3.2 進給量
通常情況下進給量過大會造成陶瓷零件加工表面質量的下降，如當切削可加工陶瓷材料時，當進給量大于 0.2286mm/r 時，加工表面會出現嚴重破裂，因此進給量應適當取較小值。但是在 RB-SiC的切削加工中，當進給量從 3μm/r 提高到 72μm/r 時，表面粗超度保持在 0.2 ～ 0.3μm，進給量對加工表面的影響幾乎可以忽略不計 。
3.3 切削深度
切削深度對可加工陶瓷加工質量及刀具耐用度影響較小，切削深度最大可達 6.35mm。對 ZrO2 和 Si 3N4 兩種陶瓷材料，隨著切削深度的減小，材料去除模式逐漸由脆性去除轉為塑性去除，在切削深度為 10μm 時，兩種材料均位于脆性去除區域，而當切削深度為 2μm 時，兩種材料均處于塑性去除區域。

3.4 冷卻潤滑
在進行切削加工時，不可避免的產生大量的切削熱，陶瓷材料導熱性能很差，導致切削刃處與周圍基材的溫度梯度很大，過大的溫度梯度產生很大的熱應力，使得
陶瓷易產生裂紋，因此應采用有效的冷卻潤滑介質以迅速帶走切削熱，從而提高加工質量。
4 結論與展望
特種陶瓷在各行業的應用日益增多。采用理論分析和試驗研究的方法，對其切削加工機理進行研究，在此基礎上進行加工過程的優化，提高單位時間材料去除量，進而提高生產效率、降低生產成本，實現陶瓷材料的高效加工，也是特種陶瓷切削加工技術發展的必然趨勢。