陶瓷零件用什么刀具加工

耐磨、 耐高温和耐腐蚀等特性, 而被日益广泛地应用于电子、机械、冶金、化工及航空航天等领域中。但由于工 程陶瓷具有很高的硬度和较大的脆性,给其成形加工带了很大的困难。 机械磨削是目前最常用的工程陶瓷加工方法,该加工方法需用昂贵的金刚石 砂轮和高刚度的磨床,加工成本高、 效率低,且磨削时砂轮和工件之间存在强烈的 作用力,易使工件表面产生微裂纹而降低零件的使用寿命。 为此,人们开展了绝缘 工程陶瓷的激光加工、超声加工、电火花加工、等离子弧加工、磁力研磨,以及 相关的相复合加工等技术,并取得了较大的研究进展【4】。

1、激光加工工程陶瓷

目前国内外学者对陶瓷材料激光加工技术的研究主要集中在打孔、切割、划 线和型腔加工等方面。洪蕾等人用自行研制的机械斩光盘调Q CO2，冲激光器对 Si3N4 陶瓷切割试验表明,在高峰值能量(≥15 kW) 、短脉冲宽度(1μs) 、高脉 冲频率(20kHz) 和适当的平均功率(300 W) 条件下,采用高速(>220 mm/ s) 多次 重复走刀切割工艺,可以得到无裂纹的精细切口。陈可心等人采用0.25 MPa 氧气 作辅助气体,用800 W 的连续波CO2 激光在厚度13.5 mm 的氮化硅陶瓷上加工出 了直径0.72 mm的无损伤深孔,深径比达18.75Tsai Chwan2Huei 等人提出 了基于裂纹加工单元的激光铣削方法,他们采用CO2 和Nd : YAG激光器对Al2O3 陶瓷进行了基于裂纹加工单元的激光铣削加工,并在Al2O3 陶瓷零件上加工出了 形状较复杂的型腔。研究结果表明,采用该方法进行激光铣削所需要的功率比通 常的方法低。Henry Matt等人对TBC 陶瓷、聚晶金刚石、硬质合金和不锈钢等材 料的激光铣削工艺进行了试验研究。

为把激光加工技术更好地应用于陶瓷加工中,人们还探讨了激光预热辅助切 削或磨削等方法,其目的是增强陶瓷被加工部位的韧性,以达到降低切削或磨削 力、提高加工效率和质量等目的。I. D.Marinescu 等人对Al2O3 、Ferrite 、 ZrO2 和Si3N4 4 种材料进行了激光预热磨削试验,发现激光预热磨削不仅能减 少磨削过程中温度的影响作用,而且还能降低陶瓷的硬度, 增大去除量而不引起 磨削裂纹。美国Purduce 大学的C. J . Rozzi 等人对激光辅助切削工程陶瓷技 术进行了研究,建立了激光辅助切削ZrO2 、 Si3N4 等陶瓷瞬时三维温度场 传递的物理、数学模型,并总结出了相应的加工规律。

2、超声加工工程陶瓷

与电火花加工、电解加工、激光加工等特种加工技术相比,超声加工既不依 赖于材料的导电性,又没有热物理作用,加工后工件表面无组织改变、 残余应力及 烧伤等现象等发生加工过程中宏观作用力小,适合于加工不导电工程陶瓷。 T. B. THOE 等人对超声加工Al2O3 、ZrO2 、SiC等陶瓷的工艺规律和加工 机理进行了研究,给出了的研究结果,并用超声加工技术在Si3N4陶瓷上加工出了 航空航天用的涡轮叶片。

研究资料表明， 采用超声磨削工程陶瓷时,当磨削深度小于某临界值时,工程 陶瓷的去除机理与金属磨削相似,工件材料在磨刃的作用下通过塑性流动形成切 屑,避免了较深变质层的形成,塑性磨削可以获得Ra <0. 01 μm 的表面质量。超 声磨削工程陶瓷的优点是加工效率比普通磨削高一倍以上,可采用较大的磨削用 量,能有效防止砂轮堵塞,减少砂轮的修整时间。

3、电火花加工工程陶瓷

在用电火花工艺加工工程陶瓷方面,日本长冈技术科学大学福泽康与丰田工 业大学毛利尚武的研究成果最具有代表性,他们提出了用辅助电极的方法加工绝 缘陶瓷材料。 该方法是利用放置在陶瓷表面的金属辅助电极被击穿放电时的熔化 和碳化等作用,来形成绝缘陶瓷表面的导电层以进行电火花加工的。 此后,他们又 探讨了采用物理蒸汽沉积TiN 来形成绝缘陶瓷表面导电层的电火花加工方法,以 及用廉价的石墨胶体溶液涂敷在工件表面,经过烘干等工序形成辅助电极的方 法。 Apiwat Muttamara 等人用普通电火花成形机和辅助电极电火花加工系统相 结合,以直径45μm 铜钨电极在0. 3 mm 厚的Si3N4 陶瓷工件上成功地加工出了 直径55μm 的微孔。

4、电解电火花复合加工

绝缘工程陶瓷电解电火花复合加工时,工具电极和辅助电极分别接电源的 负、 正极,工作液为电解液,由电解液的导电作用和电化学反应来形成火花放电的条件,达到放电蚀除加工的目的。 刘永红等人提出了绝缘陶瓷材料的充气电解电火花复合加工方法,研究结果 表明该加工方法具有生产率高和能耗小等优点。B. Bhattacharyya 等人使用 NaOH 溶液作电解液对高纯Al2O3 的加工试验发现,加工电压越高材料去除速度 越高,但微裂纹和其他缺陷也相应增加电解液浓度越高材料去除率越高,但过切 现象也越严重。

试验显示能够同时获得较高材料去除率和尺寸精度的加工参数为: 加工电压80 V 左右,电解液是NaOH 质量分数为40 %的溶液。另外,工具电极的尖 端形状也是影响电解电火花复合加工的一个重要因素,端部为锥形尖端形状的电 极要比端部为圆柱形的加工效果好。

5、等离子弧切割

等离子弧切割可加工所有导电材料,生产成本低、切割速度快、生产率高。 对于非金属可以采用非转移型等离子弧进行切割,非转移型等离子弧在切割时阳 极斑点在喷嘴上,大量热能经水冷散失,因此能量利用率低。 由于受弧柱形态及温 度场分布限制,该加工技术很难胜任较大厚度工件的切割。

大连理工大学进行了 绝缘陶瓷材料附加阳极等离子弧切割技术的研究工作,其基本原理是在被加工陶 瓷件下方设置一个附加电极,利用阴极与附加电极之间产生的等离子弧进行切割 加工。他们用该方法对6 mm 厚的Al2O3 陶瓷板进行了切割试验,得到了上口宽 5. 0 mm , 下口宽4. 7 mm , 切口角2. 9°的光滑切口。

步骤：

在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点一下。

成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。

未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件。粉末材料选择性烧结工艺适合快速成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，快速成型时间较长。

此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。

利用陶瓷刀具加工普通钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢、镍基高温合金、粉末冶金烧结件、玻璃钢和各种工程塑料等难加工材料时，刀具寿命可比硬质合金刀具高几倍甚至十几倍。在生产中不但能用于一般的车、镗和铣削加工，而且已成功地用于孔加工刀具上；除可在普通机床上使用外，也能有效地用于数控机床和加工中心等高效设备上，被国际上公认为是当代提高生产效率最有潜质的一种刀具。此外，与金刚石和立方氮化硼等超硬刀具相比，陶瓷刀具的价格相对较低（陶瓷刀具的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的成份，取之不尽，用之不竭），因此，有人认为：“随着现代陶瓷刀具材料性能的不断改进，今后将与涂层硬质合金刀具、金刚石和立方氮化硼等超硬刀具一起成为高速切削、干切削和硬切削的三种主要刀具。”

陶瓷镜面抛光加工精度的高低直接影响产品的性能,因此在加工过程中,除是要注意保证模具表面镜面效率的完美,还要注意平整度及尺寸的控制.

是企业的重点之重。海德研磨自主研发高精密平面研磨机，专业的工艺研发实验室和10多条研磨抛光加工生产线.。常见的陶瓷材料有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷件、碳化硅陶瓷件、石墨陶瓷件、氮化硼陶瓷等。

利用陶瓷平面抛光机抛光陶瓷的步骤分为粗抛、半精抛和精抛三阶段。

1、粗抛阶段主要借助大粒度磨粒的机械作用将抛光表面的较大凸起快速去除，以实现材料去除率的最大化，缩短抛光时间

2、半精抛阶段采用粒度较小的磨粒将粗加工中未去除的微凸起去除，并获得较好的表面光洁度3

3、精抛阶段则在抛光液和微粉的联合作用下，将抛光表面修正至所需的表面质量要求。

特种加工在压电陶瓷材料上加工边长1mm的方孔，能采用工艺方法：电火花、激光、电子束、 离子束、电加工、 超声波、数控等。

车孔在车床上车孔，主要特征是零件随主轴回转，而刀具做进给运动，其加工后的孔轴心线与零件的回转轴线同轴。孔的圆度主要取决于机床主轴的回转精度，孔的纵向几何形状误差主要取决于刀具的进给方向。这种车孔方式适用于加工外圆表面与孔要求有同轴的零件。

概述

特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。特种加工是近几十年发展起来的新工艺，是对传统加工工艺方法的重 要补充与发展,仍在继续研究开发和改进。

直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。特种加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。

陶瓷与金属材料在切削加工方面存在着显著的差异，由于工程陶瓷材料硬度高、脆性大，车削难以保证其精度要求，表面质量差，同时加工效率低，加工成本高，所以车削加工陶瓷零件 应用不多。 陶瓷材料的切削首先应选择切削性能优良的新型切削刀具，如 各种超硬高速钢、硬质合金、涂层刀具、陶瓷、金刚石和立方氮化硼(CBN)等。 对陶瓷材料进行精车时，必须使用天然单晶金刚石刀具，采用 微切削方式；其次，车削陶瓷时，在正确选择刀具的前提下， 还要考虑选择合适的刀具几何参数，由于切削陶瓷材料时，刀具磨损严重，可适当加大刀具圆弧半径，以增加刀尖的强度和 散热效率。

磨削加工，是用高硬度的磨粒、磨具来去除工件上多余材料的方法。在磨削过程中，大体可分为三个阶段：弹性变形阶段(磨粒开始与工件接触)、刻划阶段(磨粒逐渐切人工件，在工件表面形 成刻痕)、切削阶段(法向切削力增加到一定程度，切削物流出)。 在磨削陶瓷和硬金属等硬脆材料时，磨削过程及结果与材料剥离 机理紧密相关。材料去除剥离机理是由材料特性、磨料几何形状、 磨料切入运动以及作用在工件和磨粒上的机械及热载荷等因素的交互作用决定的。 陶瓷属于硬质材料，其磨削机理与金属材料有很大的差别。

一般用线切割或者数控机床。

氮化硅陶瓷，是一种烧结时不收缩的无机材料陶瓷。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。具有高强度、低密度、耐高温等性质。

氮化硅陶瓷的市场应用

汽车产业：烧结氮化硅的主要应用在汽车行业作为一个发动机零件材料。 在火花点火发动机中，氮化硅用于较低磨损的摇臂垫，用于较低惯性的涡轮增压器和较少的发动机滞后，以及用于增加加速度的废气控制阀。

轴承： 与其他陶瓷相比，氮化硅陶瓷具有良好的抗冲击性。 因此，在性能轴承中使用由氮化硅陶瓷制成的滚珠轴承。 一个代表性的例子是在美国宇航局航天飞机的主发动机中使用氮化硅轴承。由于氮化硅球轴承比金属硬，所以这减少了与轴承轨道的接触。氮化硅球轴承可以在高端汽车轴承，工业轴承，风力涡轮机，赛车运动，自行车，溜冰鞋和滑板中找到。

氮化硅轴承

高温材料：氮化硅长期以来一直用于高温应用。 特别地，它被确定为能够存活在氢/氧气火箭发动机中产生的严重热冲击和热梯度的少数单片陶瓷材料之一。

氮化硅推进器。左：安装在试验架上。右：用H2O2推进剂进行测试

医疗：氮化硅具有许多矫形应用。该材料也是用于脊柱融合装置的PEEK（聚醚醚酮）和钛的替代物。 与PEEK和钛相比，氮化硅的亲水，微观结构表面有助于材料的强度，耐久性和可靠性。

脊柱融合

金属切削刀具：由于其硬度，热稳定性和耐磨性，散装的整体式氮化硅被用作切割工具的材料。 特别推荐用于铸铁的高速加工。 热硬度，断裂韧性和耐热冲击性意味着烧结氮化硅可以切割铸铁，硬钢和镍基合金。

陶瓷刀具

电子产品：通常用作制造集成电路中的绝缘体和化学屏障，以电隔离不同结构或作为体微机械加工中的蚀刻掩模。 作为微芯片的钝化层，它优于二氧化硅，因为它是对水分子和钠离子的显着更好的扩散阻挡，微电子学的两个主要腐蚀源和不稳定性。

吃浆就是模具吸附泥浆中的水分，形成坯体的工序。

放浆又称空浆，是当坯体形成一定厚度时，排出多余泥浆的过程。放出的泥浆返回浆池(或罐)。回浆的方式有：(1)人工端桶回浆：(2)自然压力回浆，利用管道的坡度，使泥浆流回泥浆池；(3)利用泥浆泵抽回余浆：(4)负压回浆，即利用下注式压力注浆管道，用真空泵形成的负压，把泥浆抽回到泥浆罐。在以上各种方式中，除第一种外，均属于管道回浆。

巩固：放浆后坯体很软，不能立即脱模需经过一段时间继续排出坯体水分，增加其强度。这段时间称为巩固。巩固是注浆成形的主要工序之一，其持续时间约为吃浆时间的一半。

在巩固过程中由于模型继续吸水，坯体含水率不断下降，坯体由于水分排山而逐渐收缩。当坯体含水率下降到19—20％左右时(即脱模点)，巩固过程结束，此时坯体很容易从模型内取山。

脱模：从模型中取出粗坯的过程。脱模点的掌握是一个关键。脱模过早，坯休强度不够，脱模困难，且脱模后坯体易塌陷；脱模过迟，坯体会发生开裂。

修粘：包括一次修坯、打眼与粘接等过程。传统的注浆方式，脱模后的坯体内外表面都很粗糙。一般需经多次修坯，而且粘接的工作量也很大。现代采用高强石膏模或树脂模，压力注浆等手段，修粘的工作量已大为减少。修坯、打眼与粘接这些工作都需手工进行，容易出现废品，必须掌握好坯体含水率。

干燥： 预干燥(也称半干)，即将坯体含水率从15％～17％(粘接时的含水率)降低到8％左右。

传统浇注方式，坯体的预干燥是在注浆车间内进行自然干燥的。在工人下班后的16小时内，注浆车间内保持高温度(33～40℃)、高湿度(40％一60％)，使坯体缓慢的干燥。经预干燥后，湿坯休的含水率从15％～17％下降到8％一10％。要注意防止因干燥过急或干燥不均匀，而造成废品。

现代注浆方式一般采用热风直接对坯休进行强制干燥，玻化瓷坯体预干燥收缩率为4％，粘土坯体预干燥收缩率为2％。

二次修坯(修刷)：是注浆成形的最后一道工序，将最终决定坯体的尺寸。修刷时坯体含水量要少、刷坯用水也要少，不能有油污。坯体修刷完毕后存放在28-35℃的室内，准备进行施釉。

2 注浆操作过程要点

(1)注浆时，要擦掉模型上的泥缕，进浆速度不宜太快，以使模型中的空气随泥浆的注入而排出，避免空气混入泥浆中，以及避免使坯体表面产生缺陷。

(2)浇注大型产品时，在棱角等收缩大的部位，注浆前，可在模型内的相应处贴上绸布，使各部分水分移动的速度尽量均衡，以防止开裂。

(3)需上型芯成形的制品，事先在型芯上撒石粉，帮助脱模。

(4)掌握好吃浆时间的长短，以保证坯体的厚度。

(5)放浆前应敞开气眼，速度不宜太快，以免模型内产生负压，使坯体过早脱离模型造成变形或塌落。

(6)修粘时，零部件坯体应比主坯体含水率稍低2％～3％。

陶瓷注浆成形模具制造过程

1 模具的制造过程

卫生陶瓷模具的制造是一项既复杂又细致的工作，需要高超的技艺。为了制成供注浆使用的工作模，需经过一系列严密地工作。其一般制造过程可分为以下五步：

第一步：制作原型 原型尺寸与卫生陶瓷成品一致。系根据设计图纸(或样品)做成。若已有实物样品需进行仿制，则可省去第一步。

第二步：制作原胎 原胎又称模种，其尺寸与卫生陶瓷坯体一致。系根据原型经过放尺(增加干燥、烧成过程的总收缩)制成。在有些情况下也可直接根据设计图纸或实物样品，经过放尺制成。

第三步：制作凹胎 凹胎又称模种，系由原胎翻制而成。

第四步：制作凸胎 凸胎又称母模，系由凹胎翻制而成。它一般包括底模与模围或型芯与模围。

第五步：制作工作模 工作模又称子模，系由凸胎翻制而成，供注浆成形使用。

2 模具的材质与分类

(1)传统浇注用的石膏模具

其制造过程：将标准的β型半水石膏粉，加水制成石膏浆，经搅拌、真空脱气等处理，注入母模内，石膏硬化后，脱模，再经适当修整，装配，在50—60℃下干燥5～7天即成。

(2)低压快排水浇注用的石膏模具

有带微孔管网和不带微孔管网两种。带微孔管网的石膏模具与前面不同的主要是：在浇注前要先在母模内的相应部位(距浇注工作面2公分处)，放入经过定型的管网，这些管网的接口，能与成形线上的真空和压缩空气管路相连接，以便浇注时排水、脱模和模具脱水。

制造微孔管网的材料有：微孔玻纤软管，管径φ=7.5mm；编织网格用的尼龙丝φ=9.5um：网用的树脂浸渍液(系由树脂、催化剂、引发剂、滑石粉等配制而成)。将这些编网材料在另一个专门制作的辅助母模内编成管网并固化，脱模取出后，用于制作