摘要:综述了近年国内外结构陶瓷材料加工技术的发展和最新研究成果,主要包括激光、电火花、等离子、超声波、微波等特种加工技术、复合加工技术,以及在传统磨削技术基础上发展起来的界面热化学反应加工、高速(超高速)磨削技术、在线电解修锐磨削技术等,旨在为促进我国的结构陶瓷材料优质、高效、低成本加工技术的发展提供借鉴作用。
关键词:材料合成与加工工艺;结构陶瓷材料;加工技术;作用机理;加工效率
0 引言
近年来,结构陶瓷材料应用领域的不断拓宽和加工效率低、成本高的矛盾日益突出,传统的金刚石砂轮磨削技术,不仅加工成本居高不下,而且加工效率的提升空间越来越小,极大地限制了结构陶瓷材料的应用。科技的飞速发展催生了激光、电火花、等离子体、超声波、微波等先进加工技术,它们共同的特点是能够在极短的时间内释放出巨大的能量,于是人们寄希望于加工时将这些高密度能量束施加于陶瓷局部表面,改变其组织结构和变形特性或降低其硬度与强度,达到降低陶瓷材料加工成本、提高加工效率或表面完整性的目的;此外,在传统磨削加工技术的基础上发展了在线电解修锐(ELID)磨削、高速(超高速)磨削、界面热化学反应加工结构陶瓷材料也取得了一定的效果。自20世纪90年代以来,国内外许多学者对结构陶瓷材料的先进加工技术和复合加工技术进行了大量的研究并取得了显著的研究成果,本文就其最新进展进行评述。
1 进展
111 激光加工(Laser Machining)
激光烧蚀加工。激光的能量密度高达108~1010W/cm3,直接作用于结构陶瓷材料局部表面,产生的瞬时高温足以使局部点熔融或汽化而去除,但是由于结构陶瓷材料热导率低,高能激光束可能会在材料表面产生热应力集中,形成微裂纹、大的碎屑甚至使材料断裂。美国南加州大学的Copley等研究了Si3N4陶瓷材料在激光加工过程中的物理化学变化[1],发现Si3N4陶瓷加工后表面微裂纹密布,经测试分析后发现陶瓷并未熔融,而是直接汽化或升华,在此过程中分解为N2和Si单质,沉积在表面的Si与Si3N4热膨胀系数相差很大,因此激发出微裂纹,使强度损失30%~40%。所以激光烧蚀加工必须进行加工后处理。这种方法仅适合于微钻孔、微切割、制作微结构等用刀具切削很难实现的场合,于是人们把更多的目光投向激光加热辅助加工。
激光辅助加工。基本原理是用激光瞬时加热陶瓷局部表面使之软化再用刀具切削,从而获得连续切屑并降低切削力,而对刀刃的热影响较小。近年来,美国、日本、德国、俄罗斯等国相继对激光辅助切削进行了大量的研究。美国宾夕法尼亚大学对在CO2激光作用下几种结构陶瓷材料的吸热性能进行了研究,爱荷华州州立大学对激光加热辅助车削Si3N4温度场完成了数值模拟,日本千叶工艺研究所对树脂陶瓷材料的激光加工机理进行了研究,德国的斯图加特大学运用YAG激光对玻璃进行了加热试验研究,俄罗斯科学院对激光加热辅助切削氧化物陶瓷的工件表面温度进行了实时测量,并对工艺控制做了实验研究[2];Marinescu等人对包括Si3N4在内的四种陶瓷材料进行了激光预热磨削试验,发现激光预热磨削不仅能降低陶瓷的硬度、提高去除量,而且未出现磨削裂纹[3]。相对来说,美国Purdue大学的Rozzi和Tian等人1997)2000年做的研究无疑具有更加诱人的应用前景,他们建立了激光辅助切削ZrO2、Si3N4等陶瓷材料的瞬时三维温度场传递的物理模型,通过实验验证了模型的正确性。实验原理见图1[4],在此基础上,确定了合理的加工参数(见表1[5]),加工效率可提高50%.另外值得一提的是德国的Fraunhofer生产技术学院研究了激光加热辅助铣削难加工材料。研究发现,激光束能将工件表面加热到足够的温度和可控制的深度,而又不至于损伤表面质量。国内一些单位也做了激光辅助加工陶瓷的研究工作,哈尔滨工业大学、湖南大学、华中科技大学、上海交通大学等单位分别从不同的角度进行了研究,取得了一定的成果[2、6-8]。
与常规加工方法相比,激光辅助加工可提高加工效率1~10倍,并能够改善表面质量,提高刀具的耐用度。激光辅助加工陶瓷的难点之一在于对激光束参数的控制,其与工件材料性能和切削参数密切相关;难点之二是刀具由于接触传热导致的温升使其硬度下降,刀具磨损仍然比较严重。虽然有人提出用液氮内循环降低刀具的温度,但效果并不理想。只有突破以上两个技术瓶颈,结构陶瓷材料的激光辅助加工技术才能得到更快的发展。
112 电火花加工
电火花加工是基于工具和工件电极之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象,蚀除多余材料的加工方法,其在陶瓷材料的成形加工应用研究上发展很快。尤其是近十年来,人们突破了电火花只能加工导电材料的传统束缚,采用辅助电极法,使绝缘性材料的电火花加工成为可能。
关于电火花加工结构陶瓷材料的研究,日本、英国、比利时、西班牙的研究报道较多。就电火花加工绝缘材料突破关键技术的辅助电极技术而言,日本学者功不可没。长冈科技大学的福泽康教授和东京大学的毛利尚武教授首先发现并系统研究了该项技术,其原理如图2所示。用金属板或金属网覆盖于陶瓷绝缘体表面作为辅助电极,辅助电极和工作液分解出的碳颗粒等电导复合材料不断在已加工陶瓷表面生成,从而保证了加工的持续进行[9-10]。他们用电火花线切割技术在50 mm3的陶瓷立方体中加工出椅子形状,加工时间虽然长达24 h,但以目前的传统机械加工方法是难以完成的[11]。此外,比利时的Katholieke大学研究了放电加工复合陶瓷的去除机理[12];西班牙Public of Navarre大学研究了放电参数对陶瓷材料去除率、电极损耗率等因素的影响[13-14];英国的Nottingham Trent大学做了电火花放电激发裂纹的陶瓷高效加工研究[15];香港理工大学的Lee等人对超声辅助电火花线电极放电加工陶瓷材料进行了研究,由试验结果得出了陶瓷表面光洁度的经验公式,并发现电火花线切割陶瓷时存在一极限峰值电流[16]。日本Chisto Tsusumi和印度K.Audsu等学者采用电解电火花复合技术加工结构陶瓷材料效果显著。国内江汉石油学院徐小兵教授曾在东京大学毛利尚武教授研究室参与了Si3N4陶瓷电火花加工研究工作,获得了加工电流、脉冲宽度和脉宽系数与加工速度和加工表面粗糙度之间的关系规律,并得出长脉冲放电生成导电膜的结论;石油大学和哈尔滨工业大学对电解电火花加工技术进行了研究,后者还实现了高速走丝的电火花线切割。值得关注的是,石油大学的刘永红教授自主研发的双电极同步伺服跟踪电火花磨削加工陶瓷技术(图3)[17],使陶瓷加工效率提高了6~8倍。
该方法借助砂轮高速旋转产生的高频机械脉冲作用,在导电石墨乳和脉冲电源作用下,在砂轮双电极之间与工件表面的接触弧附近产生微短拉弧放电和火花放电综合作用,所产生的瞬时高温使工件表面材料局部熔化、汽化冲蚀出一个个小坑。同时随着工作台的进给,砂轮与工件之间的机械磨削作用将电火花作用过的表层材料磨去,目前该加工方法正在申请发明专利。
与传统加工方法相比,电火花加工在不降低材料表面质量的条件下可提高加工效率,而且该技术特别适于陶瓷异型件的加工,可以完成传统加工技术很难完成的工作。电火花加工陶瓷材料的技术目前仍然处于实验室研究阶段,提高其加工效率的关键在于辅助电极技术、电参数的选择以及放电间隙的控制等,而其中辅助电极的形成和连续稳定放电的实现是研究的难点,一旦这些难点突破,相信电火花加工陶瓷技术将会得到迅速发展。
113 界面热化学反应加工
界面热化学反应加工是在陶瓷材料磨削或切削加工过程中,在磨削热的瞬时作用下,通过使用特殊的磨削液,诱发陶瓷材料加工表面发生界面化学反应,生成软化膜,从而在降低摩擦系数同时软化表面层,达到提高加工磨削效率和改善表面质量的目的。界面热化学反应加工技术加工陶瓷材料十多年前在美国就得到了广泛的关注。1997年的Furey等人研制了能够和硬脆材料发生界面化学反应的切削液,主要成分是一种烷基或单官能团,产生的膜层具有很强的附着和缩聚能力。用这种有机切削液做金刚石砂轮片切割Si3N4陶瓷试验,效率比水基冷却液提高8倍[18];2000年学者Hsu研制了另一种切削液,主要成分为含有16个碳以上的长碳链醇, 用乙二醇和十八烷做溶剂。金刚石切割陶瓷效率比水基冷却液提高了10倍,用立轴平面磨床磨削碳化钨,磨削效率比普通乳化液提高了33%[19];另有一位学者[15]介绍在磨削加工Si3N4陶瓷时使用全卤代烃作为磨削液,估计在加工表面可能发生了卤代烃和陶瓷的化学反应,反应产物以气体、液体或者较软的固体形式去除[20];还有试验表明在有机磨削液中添加四乙氧基硅烷可迅速降低摩擦系数,从而减缓金刚石刀具的钝化速度,进一步提高结构陶瓷的加工效率。其反应式为:Si(OC2H5)4+H2ONH4OHSiO2,反应式中NH4OH作为催化剂是水与Si3N4陶瓷界面化学反应的产物,不需要额外添加[21];S. Ja-hanmir等发现在加工Si3N4陶瓷时,使用硅酸水溶液比水和商用磨削液提高效率50%左右,可能与四乙氧基硅烷有相似的作用机理[22]。
此项研究国内也有一些成果报道。如装甲兵工程学院2005 ~ 2006年对醇类有机磨削液磨削Si3N4陶瓷试验研究结果,磨削效率提高5倍以上,建立了高效有机液作用下的砂轮钝化模型并对其界面热化学作用机理进行了探讨[23-27],认为在陶瓷材料磨削过程中主要存在两种断裂现象,即初期砂轮磨粒锋锐时的碰撞断裂和中后期磨粒逐渐变钝的摩擦断裂。在碰撞断裂的阶段,含有极性官能团的有机物牢固的吸附力吸附在金刚石磨粒缝隙处,与其它微粒一起形成一种有机保护膜,有效地缓冲金刚石磨粒与陶瓷试件碰撞断裂中的冲击力,使得金刚石磨粒能够保持比普通磨削液润滑作用下更长时间的锋锐,进而提高了磨削效率;红外光谱检测发现,有机磨削液作用下陶瓷材料表面存在异常振峰(图4)[26],该异常振峰为氢键振动造成的,此化学键合效应在磨削状态下得到了加强,极有可能衍变成为如下式所示的界面摩擦化学反应:
摩擦条件下Si)O)R+NH3或NO2+H2,生成的固态物硅脂小部分溶于磨削液被冲刷带走,大部分附着在Si3N4陶瓷加工表面上,不但降低了试件表面硬度,而且具有更优异的润滑性能,进而影响着磨削效率和质量[27]。
界面热化学反应加工技术加工结构陶瓷材料,不仅可提高加工效率和改善表面质量,而且由于刀具耐用度的提高,从而降低加工成本。但在研制绿色有机磨削液和分析其界面热化学反应的机理等方面的研究还有很多工作要做。相信在该领域学者的共同努力下,该技术会尽快成熟起来。
114 其它先进加工技术
11411 超声波加工
近年来,结构陶瓷材料超声辅助加工技术在国内外得到了长足的发展。东京大学的增泽隆久等人在1996年用超声激振方式在结构陶瓷材料上加工出了直径最小为5Lm的微孔。美国的Rajurkar和Ghahramani等人分别研究了超声加工陶瓷材料的微观去除机理[28-29],发现超声加工效率与工具和陶瓷表面间距和磨料粒径有关,在给定磨料粒径的条件下,存在一临界间距,工具在这一位置加工具有高的加工效率;Kansas State大学的Li等人进行了旋转超声加工Al2O3陶瓷的试验研究;发现与传统的金刚石钻孔相比较,旋转超声钻孔使切削力降低了50%,而材料去除率提高了10%(见图5)[30].国内学者对超声辅助复合加工结构陶瓷材料的技术进行了大量的研究。山东大学的艾兴院士、张建华教授等人提出了超声振动)间隙脉冲放电复合加工的新技术[31];装甲兵工程学院对超声波振动车削加工等离子喷涂Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层进行了试验研究,得出了一些有益的结论[32];广东工业大学的郭钟宁试验证明结构陶瓷材料超声电火花线切割复合加工最大效率可提高50%以上。
11412 微波加工
微波是一种频率范围300 MHz~3 000 GHz的电磁波,微波电磁能量能穿透介质材料,传送到有耗物质的内部,并与物体的原子、分子互相碰撞、摩擦,从而使物体发热、熔融甚至汽化[33]。利用微波加工陶瓷是一项全新的加工技术,突破性的研究是以色列的Jerby等在著名的5SCIENCE6杂志上发表文章,率先提出采用微波钻对陶瓷、玻璃等非导电材料进行钻孔加工,其原理是利用微波天线定向加热陶瓷,使陶瓷材料被加工区局部熔融,然后将微波天线插入熔融区成型形成孔洞[34]。受该思想的启发,华中科技大学汪学方等人将微波钻方法扩展到车、铣、刨等其它机加工方式,用车刀、铣刀或刨刀代替微波天线,将加热与切削装置合为一体,在陶瓷材料加工过程中,刀具与工件接触准备切削的同时微波电磁能量通过刀具天线定向到被加工区实施加热,刀具与微波天线内导体一体化结构见图6[35].
11413 高速(超高速)磨削
结构陶瓷材料的高速磨削技术研究,德国、日本、新加坡等国的研究走在前列。德国ELB公司、日本学者市田良夫、Inoue等相继研究了结构陶瓷材料高速磨削工艺,在一定程度上实现了结构陶瓷材料的高效优质加工,尤其是近年来提出的高速深切磨削,真正使磨削加工实现了高效优质的结合,被誉为结构陶瓷材料磨削技术发展的高峰[36-38]。Inoue等人用120#金刚石砂轮磨削陶瓷的实验结果表明,在其它磨削工艺参数完全相同的条件下,在170m/s速度下工件表面崩裂的比例由25 m/s的48%降到12%;Kovch等使用陶瓷结合剂金刚石砂轮在160 m/s速度下磨削陶瓷,获得5100的高磨削比[39];Malkin等进行的研究则进一步证明,高速超高速磨削中的表面破碎减少和塑性流动的显著增加与在较高磨削温度下所形成的玻璃相有关[40];Huang等人进行的Al2O3陶瓷的高速磨削试验表明,在砂轮转速160 m/s,进给速率500 mm/min的加工条件下,当磨削层深度从011 mm增加到115mm时,材料表面破损层厚度几乎保持不变,而表面粗糙度从1175Lm下降到0175Lm,磨削比从190增加到1200[41]、国内湖南大学等单位也做了一些研究[42]。
11414 在线电解修锐磨削
ELID磨削为金属结合剂金刚石磨具的修锐提供了新思路,它在脉冲电源和电解液的作用下,利用电解阳极溶解效应实现对金属基砂轮的连续修整,在去除阳极金属结合剂的同时,使崭新的磨料颗粒逐渐凸出砂轮表面。近年来,ELID磨削陶瓷技术的发展在国外成功地带动了一批新产品、新设备的开发[43]。日本Fuji Die Co.Ltd生产的ELID磨削陶瓷用砂轮,新东工业株式会社生产的ELID专用直流脉冲电源等均已批量供应市场;Kuroda公司、不二越株式会社推出了系列ELID专用磨床;富士公司采用ELID超精密镜面磨削的光学镜头,镀膜后直接用在望远镜、幻灯机等产品上。美国在应用ELID磨削技术加工半导体微处理器方面已取得突破性进展;德国在1991年就进行了系列ELID专用机床的设计。
ELID磨削技术在我国尚处于研究阶段。哈工大研制成功了ELID磨削专用的脉冲电源、磨削液和砂轮,在国产机床上开发出平面、外圆和内圆ELID磨削装置,并对多种脆硬材料进行了ELID镜面磨削的实验研究。其它有十几家单位正在应用该技术,如230厂用于加工动压马达零件,23所用于相控阵雷达互易移相单元陶瓷、微晶玻璃、铁氧体等航天材料零件的加工,8358厂用于光学玻璃非球面加工,205所用于光学玻璃加工,福建南安宏伟陶瓷厂用于加工陶瓷等。
11415 等离子体切割
最初是前苏联、美国和日本,他们开发微束等离子弧加工,对陶瓷等非金属薄材进行切割,取得较好效果,但是对于非金属切割,当初只能采用非转移型等离子弧,受弧柱形状和温度场分布限制,很难胜任较大厚度的非金属材料切割工作。基于这一现状,大连理工大学徐文骥教授提出了附加阳极等离子弧加工结构陶瓷材料的技术[44]。基本原理是在被加工陶瓷件下方设置一个附加阳极,从而在阴极与附加阳极之间可形成持续、稳定的等离子弧。2006年初,装甲兵工程学院使用自行研制的新型水介质等离子弧设备对氮化硅陶瓷材料进行弧焰加热辅助切削的尝试,试验证明该方法有效,可大大降低加工成本[45]。
2 新技术展望
除了上述的先进陶瓷加工技术之外,进入21世纪以来,还有一些具有较高科技含量、且有一定发展前景的陶瓷加工新技术已露头角,相信在不久的将来将会得到快速发展[43]。主要包括:
1)弹性发射加工技术。利用极微小磨粒,以接近水平的方向和加工表面碰撞,以原子级加工单位去除材料。由于工件表面宏观上不受机械作用,因此可得到无损伤表面,当使用聚氨基甲酸脂球为工具时,采用ZrO2粉末加工单晶硅.
2)液体浮动研磨与抛光技术。采用抛光盘沿圆周均布多个斜面槽,通过圆盘转动,由液体契形成液体动压使工件悬浮,处于浮动间隙中的研磨抛光粉对工件进行抛光,抛光硬脆材料时可得到不平度013Lm/76 mm,表面粗糙度1 nm.
3)磁悬浮抛光技术。利用磁力悬浮现象,在磁流体中加入非磁性磨料,当工件相对磨料进行旋转运动或相对运动时,就实现了工件表面的抛光。1990年,T.Shimida使用涂覆金刚石的磁性磨粒抛光直径为12 mm的Si3N4圆棒,研抛后Ra达到0104Lm,而且得到了半径0101 mm的倒棱面。
参考文献(References)略
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