氧化鋯陶瓷材料加工原理

　　氧化鋯陶瓷材料切屑形成機(jī)理及表面缺陷的形成

　　氧化鋯陶瓷材料在刀具或磨粒的切削刃擠壓作用下，會在刀刃附近產(chǎn)生裂紋，它先向下前方擴(kuò)展，并沿著與最大主應(yīng)力垂直的方向的包絡(luò)線成長，裂紋擴(kuò)展的路徑從Ⅰ經(jīng)Ⅱ、Ⅲ至Ⅳ，最終穿過自由表面形成粒狀或片狀的切屑。由此在切削表面Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ的區(qū)內(nèi)留下凹痕，并在刀刃的后面已加工表面內(nèi)因位應(yīng)力而引起與表面大體垂直的裂紋等缺陷。

　　如果切削條件合理，裂紋將能被控制不作延伸擴(kuò)展，而只在刀刃前方的部分材料中形成破碎的切屬，如圖1中A、B所示的破碎狀態(tài)，它不深入到加工表面上，由此可獲得良好質(zhì)量的加工表面。

　　氧化鋯陶瓷材料加工的基本方法

　　氧化鋯陶瓷材料通常需經(jīng)過坯料切割、磨削、研磨和拋光等工序制成所需的零件。

　　切割常用的機(jī)械切割方法有以下三類：

　　1）固定磨料切割。用金剛石鋸片或帶鋸進(jìn)行切割。

　　2）游離摩料切割。用盤鋸、帶鋸加金剛石磨料或用高速磨料噴射沖擊進(jìn)行切割。

　　3）單刃切割。采用單粒金剛石切割。

　　為了提高切割的效率和質(zhì)量，尤其對一些形狀較復(fù)雜的坯件，則宜用水力切割來替代機(jī)械切割。

　　(2)磨削磨削幾乎均應(yīng)用金剛石砂輪，與磨削金屬材料相比，其最大的特征是法向磨削力遠(yuǎn)大于切向磨削力，一般要大5～10倍，在用砂輪端面磨削時，甚至可大20～30倍。因此，磨床要有足夠的剛性，并需保持磨粒的銳利性，同時砂輪與工件之間的壓力要超過臨界壓力值（2～5MPa）才能保證正常的磨削。

　　磨削陶瓷時所用的金剛石磨粉的粒度為：粗磨0.25～0.125mm（60＃～120＃），半精磨0.125～0.9mm（120＃～180＃）。精磨0.075～0.04mm（240?！玏40）。通常砂輪速度選用15～25m／s（金屬結(jié)合劑）或20～30m／s(樹脂結(jié)合劑）。工件送給速度1.15m/min，吃刀量為1～2μm。磨削時應(yīng)使用水溶性乳化液或低粘度的油類切削液，以防止粉狀切屑或脫落的磨粒殘留在工件表面上而導(dǎo)致表面很傷和加速砂輪磨損。

　　(3)研磨和拋光它是氧化鋯陶瓷材料精密和超精密加工的主要方法。通過研具和工件之間的機(jī)械摩擦或機(jī)械化學(xué)作用去除余量，它使工件表面產(chǎn)生微小龜裂，逐漸擴(kuò)展并從母體材料上剝除，達(dá)到所要求的尺寸精度和表面粗糙度。當(dāng)采用細(xì)的粒度、軟的研具、低的研磨壓力和小的相對速度時，可獲得高的表面質(zhì)量和精度，但將使加工效率降低。

　　超精密研磨和拋光時，所用的磨粒徑一般在數(shù)微米以下。為價止波加工件的氧化或因研磨液中的雜質(zhì)引起表面劃傷，一般要使用蒸餾水或去離子水。研磨盤的主軸應(yīng)有高的回轉(zhuǎn)精度和剛度，且轉(zhuǎn)速不宜太高，以免振動對加工表面產(chǎn)生不利的影響。

　　采用化學(xué)機(jī)械研磨和拋光由于伴隨化學(xué)反應(yīng)和水合反應(yīng)，因而比純機(jī)械研磨和拋光有高的加工效率。

　　氧化鋯陶瓷材料高效、高精加工方法

　　1．ELID超精磨削

　　ELID是電解在線修整磨削法的簡稱。它應(yīng)用由金屬結(jié)合劑和超硬微細(xì)金剛石（或CBN）磨料組成的砂輪，并在磨削過程中同時用電解法修銳砂輪，使砂輪始終保持鋒利，從而保證在高效條件下進(jìn)行超精密磨削，故它是鏡面磨削脆性材料（如陶瓷、玻璃、硅和鐵淦氧等）的一種先進(jìn)方法。

　　應(yīng)用ELID方法對氧化鋯陶瓷材料進(jìn)行高的材料切除率的磨削可以大大降低磨削費(fèi)用。當(dāng)采用合理的砂輪修整參數(shù)時，可使摩削力比用傳統(tǒng)磨削方法降低l～2倍，而且還能在連續(xù)磨削過程中磨削力幾乎保持不變（圖1），有利于提高材料切除率和保證加工表面質(zhì)量的穩(wěn)定。

　　ELID的砂輪修整步驟為：

　　1）砂輪整形，用粒度100＃砂輪在300r／min下打砂輪；

　　2）機(jī)械修整，用粒度400＃Al2O3砂輪在300r／min下修整；

　　3）電解預(yù)修整，在300r／min和90V下電解修整30min；

　　4）磨削過程ELID修整，電壓60V，電流IP＝6A，電路閉合和斷開時間已τo＝τoff＝μs。

　　精密陶瓷球的研磨加工

　　陶瓷球的精度對陶瓷軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和高速性有很大影響。精密和超精密主軸軸承采用的陶瓷球的公差等級為G5，其球的直徑變動量和球形誤差≤0.13μm，表面粗糙度Ra0.02μm。為了能高效地保證達(dá)到精度要求，其加工要點：

　　1）要經(jīng)粗、精、超精研磨和拋光等多道工序，由粗到精逐漸減小磨料粒度、研磨壓力和研磨速度（表1），并逐步延長研磨的時間。

　　2）降低研磨壓力并減小研磨盤的跳動（或采用很低的研磨速度），可以有效地減小表面粗糙度和波紋度。

　　3）研磨劑應(yīng)遵循少量勤添的原則。

　　4）陶瓷球的材料應(yīng)采用致密和缺陷小的熱流體等靜壓燒結(jié)Si3N4（HIPSN）或ZrO2。

　　5）采用錐形研磨法以提高研磨效率。圖2所示上研磨盤為錐形使陶瓷球在研磨時有較大自旋角（＞45º），使陶瓷球充分自旋增強(qiáng)回轉(zhuǎn)滑動，因而比通常的V形槽研磨法有高的研磨效率。

　　浮動拋光法

　　當(dāng)工件與研具作高速相對運(yùn)動時，由于拋光液的流體動壓效應(yīng)使工件微量浮起與研具脫離接觸，液膜中的微細(xì)軟磨料與工件外層表面的原子相互擴(kuò)散，降低了工件最外層表面的原子結(jié)合能，因而能被磨粒粒子沖擊去除，達(dá)到光整工件表面而又不致產(chǎn)生表層晶體的錯位。雖其加工效率較低，但是一種可獲得極高的平面度，而又沒有端面塌邊和變形缺陷的高表面質(zhì)量的超精密加工方法。