陶瓷精雕机加工特种陶瓷方法揭秘

  陶瓷精雕机可以加工各种特种陶瓷材料，特种陶瓷，常见的有氧化锆，氧化铝，碳化硅氮化硅等，鑫腾辉数控为了解决陶瓷加工的难题专门研制出陶瓷精雕机，但是加工特种陶瓷的方法工艺都是有所不同的，也是众多客户一直想弄明白的事情，鑫腾辉数控专业生产销售数控陶瓷精雕机，联系电话136_998_99025。陶瓷精雕机加工特种陶瓷方法揭秘。特种陶瓷具有硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性，广泛应用于机械、电子、汽车、航空航天等领域。因脆性大、韧性低、导热性差等缺陷，特种陶瓷切削加工方面的文献相对较少。与其它加工方式相比，切削加工具有更高的材料去除效率，在加工复杂形状时，也具有更好的灵活性。
1 切削机理
特种陶瓷作为典型的脆性材料，其切削机理与金属材料切削加工有着显著区别。在常规切削加工方式下，陶瓷材料以脆性断裂方式去除为主，一般经历初始裂纹的产生、裂纹不稳定扩展、裂纹延伸到自由表面实现材料的去除三个阶段，通过形成粉末状、粒状和块状切屑的方式去除材料，对其切削机理的研究建立在断裂力学的基础上。
(1) 裂纹的产生。在陶瓷材料切削过程中，通常认为材料是连续的、各向同性的，处于平面应变状态，当内部最大主应力超过材料的抗拉强度时，在材料内部产生裂纹 。(2) 裂纹的扩展。其判据可表述为 G ≥ Gc 或 K ≥ Kc，G 和 Gc 为机械能释放率及其临界值，K 和 Kc 为应力场强度及其临界值。(3) 切屑的形成。裂纹由刀具刃端出发向刀具前下方扩展，当裂纹扩展到一定程度后，被切削材料将发生剪切断裂，剪切断裂由拉应力引起裂纹的缝端出发，逐步地朝刀具前上方扩展，从而形成切屑。特种陶瓷在常规加工方式下，加工精度和表面质量较差。在加工高精密零件的时候，必须采用精密和超精密加工方式。在精密和超精密加工方式下，陶瓷材料将以微小的塑性变形方式被去除。塑性切削可以大大提高陶瓷的加工质量。用锋利的金刚石刀具对硬脆材料进行超精密切削的可能性，是以硬脆材料在尖锐压头下能够产生塑性变形为基础的 [7]。当裂纹扩展判据不满足，但切削力超过材料本身的屈服应力，即满足屈服条件时，产生塑性变形。

2 切削刀具
特种陶瓷硬度高，采用普通刀具加工刀具时易磨损，造成零件尺寸一致性差，加工表面锥度大，因此合理选择刀具材料变得尤为重要。在特种陶瓷切削加工中，
用硬质合金、陶瓷、金刚石以及 CBN 等刀具材料，其中金刚石刀具最适合陶瓷材料的加工。
2.1 刀尖几何形状对特种陶瓷材料进行超精密切削时，为了保证加工质量，材料去除量一般都在微米量级以下，在这种情况下，主要是刀尖部分进行切削。刀尖的几何形状对切削加工有着重要的影响。常见的金刚石刀具刀尖几何形状主要有尖刃、多棱刃、直线切削刃和曲线切削刃 ( 主要是圆弧切削刃 )。直线切削刃切削阻力小、制造容易、研磨方便，安装调整困难。圆弧切削刃对刀容易、使用方便，刀具制造和研磨困难。国外通常采用刀尖圆弧半径小于 1mm 甚至更小的金刚石刀具 [10]，为了实现塑性切削，刀具的进给速度必须很低，导致材料去除率也很低。采用半径达到 10mm的圆鼻刀对 RB-SiC进行了切削加工，在取合适的刀具前角的条件下，材料去除率较传统方法提高了 15 倍。
2.2 刀具前角
刀具前角对特种陶瓷的加工质量有着重要的影响。采用负前角可以施加压应力场，抑制被切削区域裂纹的扩展，有助于塑性变形区的形成。采用不同的刀具负前角进行了单晶硅的金刚石切削试验，其结果表明，采用前角范围为 -15°～ -25°的车刀进行切削时有利于抑制原子级尺寸裂纹初步扩展成微裂纹 , 可以提高加工时的脆塑转变临界切深值，有利于实现塑性域切削。
2.3 切削刃钝圆半径
切削刃钝圆是指切削刃的刃口形状。切削刃不可能做成一条标准的几何线，刃口形状实际上是一条曲线，通常用圆弧来代替切削刃的刃口形状。切削刃的锋利程度，用在垂直于切削刃的截面内测量的切削刃钝圆半径表示。在常规切削加工中，切削深度和进给量等都远大于切削刃钝圆半径，可以忽略切削刃钝圆的影响。而在切削深度和进给量都很小的超精密切削加工中，切削刃钝圆的影响则不容忽视。

3 加工工艺
3.1 切削速度
在特种陶瓷的切削过程中，随着切削速度的提高，切削刃附近的陶瓷材料因温度的升高导致韧性提高和屈服强度下降，呈现出由脆性断裂转为塑性去除的趋势，但变化并不明显 。用 PCD 刀具加工 Si 3N4基特种陶瓷，指出随着切削速度的增加，材料的应变率增大，单位时间内的切削体积 增加，导致切削力随切削速度的增大而增大，但是对于表面粗超度的影响不是很大，并且切削速度存在最佳范围，超出此范围，刀具的寿命会急剧降低。
3.2 进给量
通常情况下进给量过大会造成陶瓷零件加工表面质量的下降，如当切削可加工陶瓷材料时，当进给量大于 0.2286mm/r 时，加工表面会出现严重破裂，因此进给量应适当取较小值。但是在 RB-SiC的切削加工中，当进给量从 3μm/r 提高到 72μm/r 时，表面粗超度保持在 0.2 ～ 0.3μm，进给量对加工表面的影响几乎可以忽略不计 。
3.3 切削深度
切削深度对可加工陶瓷加工质量及刀具耐用度影响较小，切削深度最大可达 6.35mm。对 ZrO2 和 Si 3N4 两种陶瓷材料，随着切削深度的减小，材料去除模式逐渐由脆性去除转为塑性去除，在切削深度为 10μm 时，两种材料均位于脆性去除区域，而当切削深度为 2μm 时，两种材料均处于塑性去除区域。

3.4 冷却润滑
在进行切削加工时，不可避免的产生大量的切削热，陶瓷材料导热性能很差，导致切削刃处与周围基材的温度梯度很大，过大的温度梯度产生很大的热应力，使得
陶瓷易产生裂纹，因此应采用有效的冷却润滑介质以迅速带走切削热，从而提高加工质量。
4 结论与展望
特种陶瓷在各行业的应用日益增多。采用理论分析和试验研究的方法，对其切削加工机理进行研究，在此基础上进行加工过程的优化，提高单位时间材料去除量，进而提高生产效率、降低生产成本，实现陶瓷材料的高效加工，也是特种陶瓷切削加工技术发展的必然趋势。