当工程陶瓷的切削加工上

工程陶瓷的切削加工（上）

1.工程陶瓷有哪些性能和用途？

陶瓷制品在人们生活中到处可见，如各种陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料，统称为传统陶瓷。传统陶瓷是粘土、长石和石英等天然原料，经粉碎一成形一烧结而成的烧结体，其主要成分是硅酸盐。与传统陶瓷相比，工程陶瓷是以人工合成的高纯度化合物为原料，经精致成形和烧结而成。工程陶瓷具有传统陶瓷无法比拟的优异性能，故称为精细陶瓷，也称高级陶瓷或特种陶瓷。

工程陶瓷有很多种，主要分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷中有高温陶瓷和高强度陶瓷，包括高硬工具陶瓷。功能陶瓷包括磁性陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、光学陶瓷和生物陶瓷等。

工程陶瓷具有高抗压强度、高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀、低密度和低的线膨胀系数、导热系数等优越性能，已越来越多地应用于化工、冶金、机械、电子、能源、航天及核动力等领域。

工程陶瓷可以用来制造轴承、密封环、活塞、凸轮、缸套、缸盖、燃汽轮机燃烧器、涡轮叶片、减速齿轮、耐蚀泵等。其应用领域正在不断扩大，同金属材料、复合材料一样，工程陶瓷正在成为现代工程结构材料的三大重要支柱之一。

2.工程陶瓷有哪些切削加工特点？

对于陶瓷材料，传统的加工方法是用金刚石磨轮磨削，还有研磨和抛光。随着烧结金刚石刀具的出现和易切陶瓷的开发，陶瓷材料的切削加工得到了日益广泛的应用。工程陶瓷的切削加工有以下特点：

(1)陶瓷材料具有很高的硬度，比如Al2O3陶瓷、TiC陶瓷的硬度可达HV2 250～3000，比硬质合金还要高，仅次于金刚石和立方氮化硼。工程陶瓷具有很高的耐磨性，除了易切陶瓷，一般工程陶瓷的切削，只有超硬刀具材料(金刚石和立方氮化硼)才能胜任。

天然单晶金刚石切削刃锋利，硬度高，耐磨性为Al2O3陶瓷的10倍，切削时热磨损很小。但天然金刚石有解理性，遇冲击或振动易破损，耐用度不高且价格昂贵。因此，一般用烧结金刚石(聚晶金刚石)作刀具材料，它是由人造金刚石微粒在高温高压下烧结而成的，硬度稍低于金刚石。

(2)陶瓷是典型的硬脆材料，其去除机理(见图)是刀具刃口附近的被切材料产生脆性破坏，而不是像金属材料那样产生剪切滑移变形。加工后表面不会有由塑性变形引起的加工变质层，但切削时的脆性龟裂会残留在加工表面上，从而影响陶瓷零件的强度和工作可靠性。

(3)陶瓷材料的切削加工性，依其种类、制造方法的不同有很大差别。从机械加工的角度看，断裂韧度低的陶瓷材料容易被切削加工。陶瓷材料的断裂韧度与结构组成和烧结情况有关，烧结温度和压力越高，材料越致密，硬度越高，切削加工性越差，刀具耐用度越低。

(4)陶瓷材料常温下几乎无塑性。某些陶瓷只有在高温区才会软化呈塑性，产生剪切滑移变形。此时切削陶瓷材料也同切削金属一样，可以得到连续形切屑。SiO2玻璃的镜面加工就具有这种特点。

(5)切削陶瓷材料时的单位切削力比切削一般金属材料时大得多，刀具切入困难。应注意防止刀具破损，切削深度与进给量应小些。

(6)切削陶瓷材料时，刀具磨损严重。可适当加大刀尖圆弧半径，增加刀尖强度和散热性。切削用量的选择也影响刀具磨损。切削速度高、切削深度和进给量大都会增加刀具磨损。

3.怎样对Al2O3陶瓷进行切削？

Al2O3陶瓷的密度为3.83g/cm ，抗压强度为2800MPa，抗弯强度为300 MPa，硬度为HV2100～2200，即使在1200℃时，硬度仍可保持在HV1500。

切削Al2O3陶瓷可选用烧结金刚石刀具， 13mm圆形刀片， O=-15 ～-10 。刃不含水、酸及其不需要复杂后期保护他混合物口研磨成 Ol=-30 ，b =0.05mm的负倒棱，以提高刀具耐用度。

在选择切削用量时必须考虑对刀具磨损的影响。切削速度高，切削深度和进给量大都会使刀具磨损VB值加大。因此，切削Al2O3陶瓷不宜选用很高的切削用量。一般 C=30～80m/min，ap=1～2mm，f=0.05～0.12mm/r。切削时浇注乳化液，以避免因切削温度高而使金刚石变软，金刚石微粒的切削性能因热化学作用而降低。

4.怎样对si3N4陶瓷进行切削？

si3N4陶瓷的常温硬度不如Al2O3陶瓷高，但高温硬度好，在900℃时的硬度是几种陶瓷中最高的。其抗压强度、抗弯强度也高于Al2O3陶瓷。si3N4陶瓷的导热系数约为Al2O3陶瓷的2.5～3倍，是所有陶瓷中最难加工的材料。如车削HV1600、抗弯强度为950MPa的si3N4陶瓷，当 C=10m/min时，切削不到10min，金刚石刀具的磨损就已超过0.1mm，切削刃出现剥落磨损。si3N4陶瓷的高温硬度很高，1000℃时仍保持HV1100。切削时径向分力很大，刀刃因强度不够易出现微小崩刃，加工表面出现凸凹不平，表面粗糙度值增大。

切削si3N4陶瓷可选用烧结金刚石刀具或CBN刀具。应特别注意加强切削刃，取 O=-15 。，刃口必须研磨，以提高刀具耐用度。使用CBN刀具可选择较高切削速度。使用较低的切削速度( C＜50m/min)切削si3N4陶瓷时，可不加乳化液。低速湿切时，温新法规要求更加规范和严格度升高那末必须得具有1个敏感系数高的力传感器不多，陶瓷强度没有什么降低，刀具刃口附近的被切材料破坏规模加大，作用在刀具上的负荷也加大，使金刚石颗粒破损、脱落，因此应采用较小进给量，一般f＜0.1mm/r。

5.怎样对ZrO2陶瓷进行切削？

ZrO2陶瓷的硬度为HV1 853，比Al2O3、Si3N4陶瓷的硬度低，切削时刀具磨损小。在相同的切削条件下，切削ZrO2陶瓷时刀具后面磨损值只有切削Al2O3陶瓷的1/2，是切削Si3N4陶瓷的1/10。例如，当 c=20 m/min时，切削ZrO2陶瓷50 min后，后面磨损值VB 0.04 mm，还可继续使用。而切削Si3N4陶瓷仅5min，后面磨损值VB就达0.12mm，且有微小崩刃产生。可见，ZrO2陶瓷的切削加工性比Al2O3和Si3N4好。切削时可选用较高的切削速度。车削时 c=50～100 m/min，铣削时可取 c=200～400m/min。切削时应浇注切削液。

6.怎样对型材易切陶瓷进行切削？

AlN系型材易切陶瓷是在云母系陶瓷基础上改进得到的，它以烧结后的型材供货，用户再进行加工成形。这种陶瓷由于在AlN基体中加入了微细的BN粒子而成均匀分散结构，大大改善了原云母系陶瓷材料强度低、导热系数小的缺点。它的抗弯强度比Al2O3陶瓷稍低些，可磨制出25 m厚的薄板。

AlN陶瓷导热性好，是现有陶瓷材料中导热系数最大的，为Al2O3陶瓷的5倍，不用冷却也可正常切削。AlN陶瓷的线膨胀系数低，尺寸精度较易控制。AlN陶瓷被称作 第二代易切陶瓷 ，其切削机理也属于脆性破坏。切削时，被切材料在刀具刃口处产生裂纹，但分散的BN粒子阻止裂纹扩展，使其局限于微小区域内形成很细微的裂纹，使脆性大大改善，且可得到连续状切屑。

切削AlN陶瓷可采用硬质合金刀具，切削速度应比切削金属材料低些。车削小直径内螺纹宜用耐磨性好的烧结金刚石刀具。铣削时，因为是断续切削，应减小进给量，以减少崩刃。加工表面的切屑应及时清除，否则会加剧刀具磨损。