摘要：主要介紹了國內(nèi)外工程陶瓷材料特種加工技術(shù)如電火花加工、激光加工、高速往復(fù)磨削、復(fù)合磨削、振動鉆孔、超聲波微孔等6項加工技術(shù)，以及3項常規(guī)加工新技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用近況。
　　目前實際生產(chǎn)中對工程陶瓷所采用的精加工方法通常為機械磨削，僅限于加工平面和回轉(zhuǎn)曲面，極大地限制了工程陶瓷的應(yīng)用。所以，目前陶瓷材料的加工技術(shù)已成為世界各國研究的熱點。
　　
　　一、研制開發(fā)特種加工工藝
　　1、陶瓷材料的電火花(EDM)加工技術(shù)
　　陶瓷材料EDM加工技術(shù)的難度遠遠大于一般金屬材料，這是因為陶瓷具有較大的電阻率，超過EDM可加工范圍(電阻率r<100W·cm)：再者陶瓷的熔點很高(Tm>2000℃)，增加了加工的困難。因此，必須采取以下措施，才有可能實現(xiàn)陶瓷材料的EDM加工：①增大加工電壓以提高單個脈沖能量，達到加強電火花蝕除能力的目的：②改進伺服系統(tǒng)信號分辨能力，使其能對開路、放電、短路狀態(tài)及時作出正確判別，以適應(yīng)陶瓷加工的特殊要求。
　　與金屬材料相比，陶瓷的組織結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。因此，電火花加工是一個極其復(fù)雜的電、熱、流體、化學(xué)等綜合作用的過程。電火花成型加工及電火花線切割HP-SiC陶瓷是可行的，但加工速度很低(一般低一個數(shù)量級或者更多)。因此，建議用電火花加工工藝作為HP-SiC陶瓷小余量的型腔、型孔加工或修整手段。
　　還有文獻報道，現(xiàn)在用EDM加工陶瓷的速度已接近用EDM加工金屬的速度。最近進行的實驗所用材料包括從高導(dǎo)電陶瓷到各種絕緣陶瓷，絕緣陶瓷在加工時表面噴涂了如Ti-C或Ti-N化合物等導(dǎo)電材料。采用這么高的速度加工陶瓷減小了材料表面的微觀裂紋，提高了加工件的拉伸強度，使常用于減少小批量零件磨削時間的無余量成形不再像過去那么困難。
　　2、陶瓷材料的激光加工技術(shù)
　　激光用于陶瓷這樣超硬材料孔的加工，功率密度為107～108W/cm2，作用時間為10-3～10-5s，經(jīng)濟效益顯著。目前用CO2激光器可在Al2O3陶瓷上打出精確的孔，加工成本大大降低。采用英國Frumpt公司生產(chǎn)的TLF750 CO2激光器打孔，孔徑為0.762±0.013mm，位置公差<0.0635mm。
　　在美國機械工程師年會上，有人提出，CO2激光束熱加工可能成為取代目前采用金剛石磨料的陶瓷加工的一種新方法，可以提高銑削工效10～30倍。與采用金剛石磨料的典型材料銑削加工速度(0.164cm3/min)相比，用CO2激光加工諾頓公司的NC-350Si3N4，在1552℃其工效提高10倍：在952℃和1552℃時加工尼爾森公司生產(chǎn)的ZrO2速度高達30倍，且陶瓷不會產(chǎn)生斷裂。由此可避免金剛石磨料加工速度慢、降低陶瓷性能的缺點。提高陶瓷激光銑削的主要途徑有增大光束、降低掃描速度或提高加工溫度。
　　激光預(yù)熱車削。車削陶瓷材料時，采用激光束或等離子加熱可提高刀具耐用度和加工表面質(zhì)量，還能減少切削力。不加熱車削時，若f=0.05mm/r，ap=0.3mm，切削呈0.5mm長的薄片狀：而加熱到q;>925℃再車削時，切削呈帶狀，其卷曲半徑隨溫度q;和速度v的升高而增大：當(dāng)q;>1325℃、v=80m/min時，切削呈赤熱的直帶狀，使得切削力下降60%，同時還使單位接觸負荷減少。因此在陶瓷材料加工中輔以低功率密度激光(103～104W/cm2)，對切削區(qū)局部加熱，使加工區(qū)域材料有良好的延展性，這樣就可以避免陶瓷產(chǎn)生裂紋，大幅度提高加工效率。
　　3、陶瓷材料的特種磨削加工技術(shù)
　　a、高速往復(fù)磨削
　　高速磨削是德國ELB公司開發(fā)的一種新型磨削技術(shù)。其目的在于提高往復(fù)工作臺速度(約32m/min)，減少工作臺的行程，縮短模腔狀的溝槽磨削和短工件的空磨距離。該磨削方式與緩進給強力磨削相反，工作臺速度為常規(guī)往復(fù)磨削的2～3倍，由此增大磨粒切入深度(如圖1中的hmax)，利用工件的脆性磨去被加工面，實現(xiàn)陶瓷材料的高效率加工。
　　　　
　　1.金剛石砂輪 2.聚能器 3.換能器 4.碳刷 5.電機 6.聯(lián)軸節(jié) 7.主體 8.水冷套
　　圖2 超聲波磨床的主軸結(jié)構(gòu)
　　b、復(fù)合磨削加工
　　超聲波磨削的原理是給旋轉(zhuǎn)的磨削砂輪以軸向的超聲波振動(如圖2)，讓磨粒沖擊工件，從而產(chǎn)生脆性破壞，達到磨削陶瓷的目的。此外，將放電加工和電解加工復(fù)合為一體的磨削加工法目前也已實用化，它不僅適用于陶瓷加工，而且正在朝著金屬系難切削材料和燒結(jié)金剛石等加工的方面發(fā)展。由于復(fù)合磨削加工裝置的成本較高，難以引進到中小企業(yè)，故目前普及有限。
　　日本還開發(fā)出了一種磨具不旋轉(zhuǎn)的陶瓷磨削新技術(shù)，可對方孔等異形孔、甚至盲孔實施磨削。
　　陶瓷材料的振動鉆孔技術(shù)
　　振動鉆孔技術(shù)，就是在傳統(tǒng)鉆孔方法的基礎(chǔ)上，給刀具或工件人為地造成一種可控的有規(guī)律的軸向振動，使刀具或工件一邊振動、一邊鉆孔。振動切削的最大特點是可以根據(jù)工件材料的性能和加工要求，改變振動參數(shù)與切削用量的匹配關(guān)系，從而能隨意改變切削條件，控制切削的大小和形狀。
　　
　　1、2.鎖緊螺母 3.凸輪 4.振動凸輪軸 5.滾子 6.振動軸 7.振動方向
　　圖3 振動刀架原理圖
　　為了實現(xiàn)振動鉆削，可以在普通車床上經(jīng)適當(dāng)改裝，去掉普通刀架，改用專門設(shè)計的凸輪式軸向振動刀架(如圖3)：同時配合必要的冷卻液與排屑系統(tǒng)以及專門研制的PWM(脈寬調(diào)制)比率調(diào)速儀。
　　目前，振動鉆孔已應(yīng)用到麻花鉆、槍鉆及各類內(nèi)排屑深孔鉆等加工方式。麻花鉆可以應(yīng)用到直徑0.2mm以上微型和小深孔的加工：槍鉆可用于直徑3mm以上的深孔加工：BTA或DF鉆可用到直徑6mm。振動鉆孔的振幅a(mm)要根據(jù)所選擇的進給量s(mm)來選擇，如槍鉆的振幅選為2a/s≤5：而刀具的振動頻率f(Hz)是按工件轉(zhuǎn)速n(r)確定的，f/n=2～5。
　　4、陶瓷材料超聲波微孔加工技術(shù)
　　日本在陶瓷的微孔加工中大多采用20kHz的超聲波和2激光器加工。200Hz超聲波加工是一邊不斷地供給碳化硼等磨粒和水的泥漿，一邊進行加工。但由于是進行微孔加工，所以磨粒的粒度很小，從而導(dǎo)致加工速度很慢，另外，與超聲波振動同步的專用工具的設(shè)計也極為困難，加工成本極高。在CO2激光加工中，存在著因發(fā)熱而引起龜裂等問題，且對激光束的直徑也有一定的限制。此外加工深度越大，加工精度越差。
　　最近日本在40kHz的超聲波加工機主軸上裝備電極沉積金剛石鉆頭，通過使主軸振動和旋轉(zhuǎn)的超聲波磨削來完成微孔加工，可以避免20kHz超聲波和CO2激光器加工的缺陷。主軸的旋轉(zhuǎn)速度v=3000r/min，進給量a=0.55mm/r，并且使用了與40kHz的超聲波振動同步的專門設(shè)計的彈簧夾頭。雖然該技術(shù)也采用了超聲波磨削，但是由于在振動的同時還加以旋轉(zhuǎn)，所以不需要泥漿。
　　二、陶瓷材料常規(guī)加工新技術(shù)
　　超硬刀具材料不斷問世和特種加工技術(shù)的興起，為攻克工程陶瓷這一加工難關(guān)奠定了基礎(chǔ)。但由于其成本昂貴，技術(shù)復(fù)雜，在一定程度上限制了新材料、新技術(shù)、新工藝的運用推廣。所以，科學(xué)家們又在積極尋求陶瓷材料的常規(guī)加工新技術(shù)。
　　　　
　　1.夾具 2.夾緊鋼板 3.待加工毛坯 4.頂尖 5.刀具 6.加工后的零件
　　圖5 變壓應(yīng)力切削示意圖
　　1、用普通砂輪磨削陶瓷材料
　　圖4所示為反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷(密度2.78g/cm3、硬度HV15000MPa)零件。首先選用粒度較粗的JR1150#樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪粗磨兩平面，使兩平面的平行度達到0.03mm，厚度為5-0.10mm。然后加工內(nèi)外圓，達到尺寸精度和表面粗糙度要求。最后精磨兩端面。
　　用綠色碳化硅砂輪精磨反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷時，砂輪具有一定的磨削能力，主要起拋光作用，表面粗糙度優(yōu)于金剛石砂輪，且粗磨機動時間幾乎相同，砂輪費用較低，是單件或小批量生產(chǎn)陶瓷零件較好的一種工藝技術(shù)。
　　2、陶瓷材料的變壓應(yīng)力切削法
　　陶瓷材料“硬”的問題，因新型超硬刀具材料的不斷涌現(xiàn)，在切削加工中在很大程度上得到了解決：而其“脆”的問題，在切削加工中仍難以克服，成為突出的一個難點。所謂“脆”就是在工件切削加工過程中，極易發(fā)生崩裂小豁口，稱為崩豁，其加工十分困難。產(chǎn)生崩豁的原因主要有二點：一是材料被切部分與已加工表面的最后分離不是由于正常切削，而是由于拉伸破壞所致。二是切削陶瓷形成崩碎切屑時，切屑變形所產(chǎn)生的龜裂往往向下延伸，在切削所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用下，切屑連同被加工工件基體的一部分一起崩落下來形成崩豁。若拉應(yīng)力很大，則會使崩落相當(dāng)嚴重，甚至使整個工件破裂。
　　由材料彈-塑性力學(xué)可知，對于同一材料來說，在三向壓應(yīng)力作用下材料塑性最好，在單向壓應(yīng)力作用下脆性最大。因此，在切削加工陶瓷等脆性材料時，當(dāng)?shù)毒弑平患庸げ牧辖K端，若使材料所受拉應(yīng)力減小，或者變?yōu)閴簯?yīng)力，即可達到改善材料的脆性，避免切削加工終了時發(fā)生崩豁的目的。這就是陶瓷材料“變壓應(yīng)力切削”的原理。
　　在同樣切削條件下，車削由切割加工出的多邊棱柱陶瓷工件毛坯，若用普通工藝方法車削，則出現(xiàn)嚴重的崩豁，有的缺口接近中心，造成工件報廢。若用圖5(a)所示的變壓應(yīng)力切削，即在陶瓷工件兩端用粘結(jié)劑粘上兩塊鋼板，使之一端夾緊，另一端用活頂尖頂住，令工件受到一定的預(yù)加壓力后進行車削。加工后的工件見圖5(b)，質(zhì)量合格。
　　這是由于預(yù)加鋼板的阻擋以及預(yù)加壓力產(chǎn)生了壓應(yīng)力，減小了切削加工中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，從而減少或避免了陶瓷材料切削加工中崩豁的發(fā)生。解決陶瓷材料切削加工中發(fā)生崩豁的問題，除變壓應(yīng)力切削外，還可以考慮在被加工材料終端進行局部加熱或某種化學(xué)軟化處理等方法來增加“塑性”，從而避免發(fā)生崩豁。激光預(yù)熱車削就是一例。