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陶瓷材料加工技术发展概况
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 哈尔滨工业大学 潘洪平 梁迎春 董申点击:
一、引言
材料具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性，已成为广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材料。但由于陶瓷材料同时具有高脆性、低断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点，因此陶瓷材料的加工难度很大，加工方法稍有不当便会引起工件表面层组织的破坏，很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工，从而限制了陶瓷材料应用范围的进一步扩展。为满足近年来科技发展对精细陶瓷、光学玻璃、晶体、石英、硅片和锗片等脆性材料制品日益增长的需要，在目前较为成熟的陶瓷材料加工技术的基础上，进一步研究开发高精度、高效率和具有高表面完整性的陶瓷材料加工技术显得尤为迫切。
二、陶瓷材料加工技术
金属材料的加工可根据材料种类、工件形状、加工精度、加工成本、加工效率等因素选择不同的加工方法。而对于陶瓷材料，由于其特殊的物理机械性能，最初只能采用磨削方法进行加工，随着机械加工技术的发展，目前已可采用类似金属加工的多种工艺来加工陶瓷材料。
目前较为成熟的陶瓷材料加工技术主要可分为力学加工、电加工、复合加工、化学加工、光学加工等五大类，见下表。
陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷，也适用于完全烧结体陶瓷。半烧结体陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量，从而提高加工效率，降低加工成本。日本的研究人员使用各种刀具在不同温度下对Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半烧结体进行了切削试验。试验中根据不同的加工要求，采用了干式切削与湿式切削等方法，获得了有价值的研究成果。
国外一些研究者针对完全烧结体陶瓷的切削加工进行了试验研究。日本的研究人员在使用聚晶金刚石刀具对Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷进行切削试验时发现，粗粒聚晶金刚石刀具在切削过程中磨损较小，加工效果较好；在使用金刚石刀具切削ZrO2陶瓷时，达到了类似于切削金属时的效果。他们还探讨了陶瓷塑性切削极限问题，指出当Al2O3陶瓷的临界切削深度apmax＝ 2μm时， SiC陶瓷的apmax＝ 1μm， Si3N4陶瓷的apmax＝ 4μm( ap＞apmax时，陶瓷材料会产生脆性破坏；ap＜ apmax时，则为塑性流动式切削)。美国的研究人员对单晶锗进行了一系列金刚石车削试验，成功地实现了脆性材料的塑性超精密车削，并提出了临界切削厚度的计算公式。用金刚石刀具切削脆性材料并获得高质量的加工表面是近十几年来发展起来的新技术，通常称为脆性材料的超精密车削加工。
2) 研磨、抛光加工
研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工与光整加工中，特别是在用于陶瓷轴承的陶瓷球的精密加工中，研磨、抛光加工有着不可替代的位置。光学玻璃、蓝宝石等光学材料，硅片、GaAs基片等半导体材料，Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷等陶瓷材料的镜面加工大多采用研磨、抛光加工方法。从材料的去除机理上看，研磨加工是介于脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法，而抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围内进行。研磨、抛光加工由于材料去除量小，加工效率低，一般只用于超精加工的最终工序。研磨、抛光加工的材料去除率与被加工材料的韧性有较大关系，韧性越高，加工效率越低。
3) ELID磨削加工
ELID磨削技术是由日本物理化学研究所的大森整等人于1987年提出的一种磨削新工艺，其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的难题，同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保持锋锐性，为实现稳定的超精密磨削创造了有利条件。
日本的研究人员使用＃8000(最大磨粒直径约为 2μ m)铸铁基金刚石砂轮对硅片进行磨削，获得了最大表面粗糙度值为0.1μm的高精表面。使用青铜基砂轮对陶瓷材料进行精密磨削也达到了相同的加工效果。哈尔滨工业大学采用ELID磨削技术对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削，磨削表面质量与在相同机床条件下采用普通砂轮磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra值已达到级，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra0.012μm。这表明ELID磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精加工，但加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层的未电解物质被压入工件表面而造成表面层釉化及电解磨削液配比改变等问题，有待于进一步研究解决。
4) 塑性法加工
传统的材料去除过程一般可分为脆性去除和塑性去除两种。在脆性去除过程中，材料去除是通过裂纹的扩展和交叉来完成的；而塑性去除则是以剪切加工切屑的形式来产生材料的塑性流。对于金属的加工，塑性切削机理很容易实现，而对于脆性材料如工程陶瓷和光学玻璃等，采用传统的加工技术及工艺参数只会导致脆性去除而没有显著的塑性流，在超过强度极限的切削力作用下，材料的大小粒子发生脆性断裂，这无疑将影响被加工表面的质量和完整性。由加工实践可知，在加工陶瓷等脆性材料时，可采用极小的切深来实现塑性去除，即材料去除机理可在微小去除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。超精加工技术的最新进展已可将加工进给量控制在几个纳米，从而使脆性材料加工的主要去除机理有可能由脆性破坏转变为塑性流。塑性切屑变形过程可以显著降低次表面(表层)破坏，这种硬脆材料的新型加工技术称为塑性法加工。
近年来，许多学者应用金刚石磨削方法对脆性材料塑性方式磨削的理论和工艺、脆-塑性转变、材料特性、切削力和其它参数的关系进行了系统研究，研究重点是被加工零件的塑性方式表面形成机理和几何精度，其中包括相关机床和砂轮技术的研究与开发。1991年，英国国家物理实验室的研究人员首先采用四面体(Tetraform)结构并应用具有良好工程性的减振机理来设计机床的主要结构，研制出世界上第一台Tetraform－1型超精密磨床。用该磨床对陶瓷、硅片和单晶石英试件进行了大量塑性磨削试验，获得了高质量的样品，其特点是：(1)可采用相对较大的切深(大至10μm)进行加工；(2)表面几何形状精度高，试件周围几乎没有碾痕；(3)机床可在无环境隔离条件下磨削高质量试件；(4)次表面破坏深度仅为传统磨削的1%～2%，甚至小于抛光加工对光学元件的影响。基于Tetraform原理，1995年英国Fra-zer-Nash咨询有限公司和Granfield精密工程有限公司联合研制了Tetraform-2型多功能磨床。发展趋势表明，脆性材料塑性加工技术在超精加工领域有着巨大的应用潜力。
5) 超声加工
超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动，在工具与工件之间加入液体磨料或糊状磨料，并以较小的压力使工具贴压在工件上。加工时，由于工具与工件之间存在超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面，加上加工区域内的空化、超压效应，从而产生材料去除效果。超声加工与其它加工方法相结合，形成了各种超声复合加工工艺，如超声车削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声振动珩磨、超声研磨抛光等。
超声复合加工方式较适用于陶瓷材料的加工，其加工效率随着材料脆性的增大而提高。日本的研究人员对陶瓷材料的超声磨削加工进行了研究，使陶瓷材料的加工效率提高近一倍；他们在对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行加工时，在工具与工件上同时施加超声振动，从而使加工效率提高了2～3倍；在钻头上施以超声振动进行深孔加工，大大提高了孔内表面质量与孔的圆度。在国内，华北工学院辛志杰等人进行了超声振动珩磨技术研究，开发出了超声振动珩磨装置，其特点是研磨圆盘激发弯曲振动(圆盘振动频率为20kHz，振幅约为15μm)，而珩磨杆和珩磨头体均不振动。对710钢、铝、钛管等进行的超声振动珩磨初步实验表明，加工效率明显提高，并可获得高精度、高表面质量和具有高耐磨性的精密孔。此项技术在高效率光整加工陶瓷、光学玻璃等硬脆材料中具有很大潜力。
本文作者在研究用于陶瓷轴承的精密陶瓷球高效加工方法时发现，采用超声振动研磨方法可提高加工效率和表面质量。该方法是在传统的球研磨机上，用两个电致换能器通过放大杆(纵向振动)在上研盘水平切线方向激励不转动的上研盘，使上研盘产生扭转振动，接触研盘振动频率为21kHz，振幅为15μm。加工时，由于研盘与陶瓷球之间存在超声振动，迫使磨粒急剧转动，并以很大的速度和加速度不断撞击加工表面，从而产生快速去除材料的加工效果。此外，由于小直径磨粒的剧烈跳动，造成喷砂强化效果，对表面微细沟槽自成作用、粗糙表面的平滑以及产生残余压应力都有促进作用。通过查阅大量国内外有关资料文献，作者提出的采用超声振动研磨方法加工陶瓷的技术尚未见公开报道。
三、结语
由于陶瓷材料具有特殊的优良性能，可广泛应用于高速、高温、腐蚀性介质等金属材料无法满足要求的特殊场合，但由于其硬度高、脆性大、耐磨性好，很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工，从而限制了它的应用和发展。上述各种陶瓷加工方法各有其优、缺点，但又不能互相取代。加工陶瓷材料时应根据材料种类、工件形状及精度、成本、效率等因素，选择合适的加工方法。
为了实现陶瓷材料的精密及超精加工，工业发达国家正致力于塑性法加工技术(切削或磨削)的研究与开发。如日本正在开发超微磨料砂轮技术，改造已有精密机床或设计新型精密机床；德国主要致力于塑性加工机理和先进陶瓷的实验研究；英国则侧重于开发结构新颖、经济实用的超精密塑性加工机床；美国是计算机工业和现代通讯业的发源地，非常重视半导体和光电子元器件如硅片、锗片、石英和光电子玻璃等的塑性加工。
新型陶瓷材料的研究开发不断推动和促进陶瓷加工技术的发展；另一方面，陶瓷加工技术的发展又为新型陶瓷材料的应用提供强有力的工艺支持。目前，陶瓷材料加工中仍有许多课题需要解决，随着加工技术的不断完善和发展，陶瓷材料的应用前景将更加广阔。(end)
材料具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性，已成为广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材料。但由于陶瓷材料同时具有高脆性、低断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点，因此陶瓷材料的加工难度很大，加工方法稍有不当便会引起工件表面层组织的破坏，很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工，从而限制了陶瓷材料应用范围的进一步扩展。为满足近年来科技发展对精细陶瓷、光学玻璃、晶体、石英、硅片和锗片等脆性材料制品日益增长的需要，在目前较为成熟的陶瓷材料加工技术的基础上，进一步研究开发高精度、高效率和具有高表面完整性的陶瓷材料加工技术显得尤为迫切。
二、陶瓷材料加工技术
金属材料的加工可根据材料种类、工件形状、加工精度、加工成本、加工效率等因素选择不同的加工方法。而对于陶瓷材料，由于其特殊的物理机械性能，最初只能采用磨削方法进行加工，随着机械加工技术的发展，目前已可采用类似金属加工的多种工艺来加工陶瓷材料。
目前较为成熟的陶瓷材料加工技术主要可分为力学加工、电加工、复合加工、化学加工、光学加工等五大类，见下表。
表陶瓷材料主要加工方法
陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷，也适用于完全烧结体陶瓷。半烧结体陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量，从而提高加工效率，降低加工成本。日本的研究人员使用各种刀具在不同温度下对Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半烧结体进行了切削试验。试验中根据不同的加工要求，采用了干式切削与湿式切削等方法，获得了有价值的研究成果。
国外一些研究者针对完全烧结体陶瓷的切削加工进行了试验研究。日本的研究人员在使用聚晶金刚石刀具对Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷进行切削试验时发现，粗粒聚晶金刚石刀具在切削过程中磨损较小，加工效果较好；在使用金刚石刀具切削ZrO2陶瓷时，达到了类似于切削金属时的效果。他们还探讨了陶瓷塑性切削极限问题，指出当Al2O3陶瓷的临界切削深度apmax＝ 2μm时， SiC陶瓷的apmax＝ 1μm， Si3N4陶瓷的apmax＝ 4μm( ap＞apmax时，陶瓷材料会产生脆性破坏；ap＜ apmax时，则为塑性流动式切削)。美国的研究人员对单晶锗进行了一系列金刚石车削试验，成功地实现了脆性材料的塑性超精密车削，并提出了临界切削厚度的计算公式。用金刚石刀具切削脆性材料并获得高质量的加工表面是近十几年来发展起来的新技术，通常称为脆性材料的超精密车削加工。
2) 研磨、抛光加工
研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工与光整加工中，特别是在用于陶瓷轴承的陶瓷球的精密加工中，研磨、抛光加工有着不可替代的位置。光学玻璃、蓝宝石等光学材料，硅片、GaAs基片等半导体材料，Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷等陶瓷材料的镜面加工大多采用研磨、抛光加工方法。从材料的去除机理上看，研磨加工是介于脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法，而抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围内进行。研磨、抛光加工由于材料去除量小，加工效率低，一般只用于超精加工的最终工序。研磨、抛光加工的材料去除率与被加工材料的韧性有较大关系，韧性越高，加工效率越低。
3) ELID磨削加工
ELID磨削技术是由日本物理化学研究所的大森整等人于1987年提出的一种磨削新工艺，其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的难题，同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保持锋锐性，为实现稳定的超精密磨削创造了有利条件。
日本的研究人员使用＃8000(最大磨粒直径约为 2μ m)铸铁基金刚石砂轮对硅片进行磨削，获得了最大表面粗糙度值为0.1μm的高精表面。使用青铜基砂轮对陶瓷材料进行精密磨削也达到了相同的加工效果。哈尔滨工业大学采用ELID磨削技术对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削，磨削表面质量与在相同机床条件下采用普通砂轮磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra值已达到级，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra0.012μm。这表明ELID磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精加工，但加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层的未电解物质被压入工件表面而造成表面层釉化及电解磨削液配比改变等问题，有待于进一步研究解决。
4) 塑性法加工
传统的材料去除过程一般可分为脆性去除和塑性去除两种。在脆性去除过程中，材料去除是通过裂纹的扩展和交叉来完成的；而塑性去除则是以剪切加工切屑的形式来产生材料的塑性流。对于金属的加工，塑性切削机理很容易实现，而对于脆性材料如工程陶瓷和光学玻璃等，采用传统的加工技术及工艺参数只会导致脆性去除而没有显著的塑性流，在超过强度极限的切削力作用下，材料的大小粒子发生脆性断裂，这无疑将影响被加工表面的质量和完整性。由加工实践可知，在加工陶瓷等脆性材料时，可采用极小的切深来实现塑性去除，即材料去除机理可在微小去除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。超精加工技术的最新进展已可将加工进给量控制在几个纳米，从而使脆性材料加工的主要去除机理有可能由脆性破坏转变为塑性流。塑性切屑变形过程可以显著降低次表面(表层)破坏，这种硬脆材料的新型加工技术称为塑性法加工。
近年来，许多学者应用金刚石磨削方法对脆性材料塑性方式磨削的理论和工艺、脆-塑性转变、材料特性、切削力和其它参数的关系进行了系统研究，研究重点是被加工零件的塑性方式表面形成机理和几何精度，其中包括相关机床和砂轮技术的研究与开发。1991年，英国国家物理实验室的研究人员首先采用四面体(Tetraform)结构并应用具有良好工程性的减振机理来设计机床的主要结构，研制出世界上第一台Tetraform－1型超精密磨床。用该磨床对陶瓷、硅片和单晶石英试件进行了大量塑性磨削试验，获得了高质量的样品，其特点是：(1)可采用相对较大的切深(大至10μm)进行加工；(2)表面几何形状精度高，试件周围几乎没有碾痕；(3)机床可在无环境隔离条件下磨削高质量试件；(4)次表面破坏深度仅为传统磨削的1%～2%，甚至小于抛光加工对光学元件的影响。基于Tetraform原理，1995年英国Fra-zer-Nash咨询有限公司和Granfield精密工程有限公司联合研制了Tetraform-2型多功能磨床。发展趋势表明，脆性材料塑性加工技术在超精加工领域有着巨大的应用潜力。
5) 超声加工
超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动，在工具与工件之间加入液体磨料或糊状磨料，并以较小的压力使工具贴压在工件上。加工时，由于工具与工件之间存在超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面，加上加工区域内的空化、超压效应，从而产生材料去除效果。超声加工与其它加工方法相结合，形成了各种超声复合加工工艺，如超声车削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声振动珩磨、超声研磨抛光等。
超声复合加工方式较适用于陶瓷材料的加工，其加工效率随着材料脆性的增大而提高。日本的研究人员对陶瓷材料的超声磨削加工进行了研究，使陶瓷材料的加工效率提高近一倍；他们在对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行加工时，在工具与工件上同时施加超声振动，从而使加工效率提高了2～3倍；在钻头上施以超声振动进行深孔加工，大大提高了孔内表面质量与孔的圆度。在国内，华北工学院辛志杰等人进行了超声振动珩磨技术研究，开发出了超声振动珩磨装置，其特点是研磨圆盘激发弯曲振动(圆盘振动频率为20kHz，振幅约为15μm)，而珩磨杆和珩磨头体均不振动。对710钢、铝、钛管等进行的超声振动珩磨初步实验表明，加工效率明显提高，并可获得高精度、高表面质量和具有高耐磨性的精密孔。此项技术在高效率光整加工陶瓷、光学玻璃等硬脆材料中具有很大潜力。
本文作者在研究用于陶瓷轴承的精密陶瓷球高效加工方法时发现，采用超声振动研磨方法可提高加工效率和表面质量。该方法是在传统的球研磨机上，用两个电致换能器通过放大杆(纵向振动)在上研盘水平切线方向激励不转动的上研盘，使上研盘产生扭转振动，接触研盘振动频率为21kHz，振幅为15μm。加工时，由于研盘与陶瓷球之间存在超声振动，迫使磨粒急剧转动，并以很大的速度和加速度不断撞击加工表面，从而产生快速去除材料的加工效果。此外，由于小直径磨粒的剧烈跳动，造成喷砂强化效果，对表面微细沟槽自成作用、粗糙表面的平滑以及产生残余压应力都有促进作用。通过查阅大量国内外有关资料文献，作者提出的采用超声振动研磨方法加工陶瓷的技术尚未见公开报道。
三、结语
由于陶瓷材料具有特殊的优良性能，可广泛应用于高速、高温、腐蚀性介质等金属材料无法满足要求的特殊场合，但由于其硬度高、脆性大、耐磨性好，很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工，从而限制了它的应用和发展。上述各种陶瓷加工方法各有其优、缺点，但又不能互相取代。加工陶瓷材料时应根据材料种类、工件形状及精度、成本、效率等因素，选择合适的加工方法。
为了实现陶瓷材料的精密及超精加工，工业发达国家正致力于塑性法加工技术(切削或磨削)的研究与开发。如日本正在开发超微磨料砂轮技术，改造已有精密机床或设计新型精密机床；德国主要致力于塑性加工机理和先进陶瓷的实验研究；英国则侧重于开发结构新颖、经济实用的超精密塑性加工机床；美国是计算机工业和现代通讯业的发源地，非常重视半导体和光电子元器件如硅片、锗片、石英和光电子玻璃等的塑性加工。
新型陶瓷材料的研究开发不断推动和促进陶瓷加工技术的发展；另一方面，陶瓷加工技术的发展又为新型陶瓷材料的应用提供强有力的工艺支持。目前，陶瓷材料加工中仍有许多课题需要解决，随着加工技术的不断完善和发展，陶瓷材料的应用前景将更加广阔。(end)
