氧化(hua)锆陶瓷材料加工原理

　　氧化锆陶(tao)瓷材料切屑形(xing)成机(ji)理及表面缺陷的形(xing)成

　　氧化锆陶瓷材料(liao)在刀具或磨粒的(de)切削(xue)刃挤压(ya)作用下(xia)，会在刀刃附近产(chan)生裂纹(wen)(wen)，它(ta)先向(xiang)下(xia)前方(fang)扩(kuo)(kuo)展(zhan)，并(bing)沿着与最大主应力(li)(li)垂(chui)直(zhi)的(de)方(fang)向(xiang)的(de)包络线(xian)成(cheng)长(zhang)，裂纹(wen)(wen)扩(kuo)(kuo)展(zhan)的(de)路径从Ⅰ经(jing)Ⅱ、Ⅲ至Ⅳ，最终穿过自由表面形成(cheng)粒状(zhuang)(zhuang)或片状(zhuang)(zhuang)的(de)切屑。由此在切削(xue)表面Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ的(de)区内(nei)留下(xia)凹痕，并(bing)在刀刃的(de)后面已(yi)加工表面内(nei)因(yin)位应力(li)(li)而(er)引起与表面大体垂(chui)直(zhi)的(de)裂纹(wen)(wen)等缺(que)陷。

　　如(ru)果切削条(tiao)件合理，裂(lie)纹(wen)将(jiang)能被控(kong)制不(bu)作延伸(shen)扩展，而(er)只在刀刃前(qian)方(fang)的部分材料中(zhong)形成破(po)碎(sui)的切属，如(ru)图1中(zhong)A、B所示的破(po)碎(sui)状态，它不(bu)深(shen)入到加(jia)工(gong)表面上，由此(ci)可获得(de)良好(hao)质量(liang)的加(jia)工(gong)表面。

　　氧(yang)化锆陶瓷材(cai)料加工的基本(ben)方法(fa)

 　　氧化锆(gao)陶瓷材料通常需经(jing)过坯料切割、磨削、研磨和抛光等工序(xu)制成所需的零件。

　　切割常用的(de)机(ji)械切割方法有以下三类：

　　1）固(gu)定磨料切割。用金刚(gang)石锯片或带锯进行(xing)切割。

 　　2）游离摩料(liao)(liao)切(qie)割。用盘锯(ju)、带锯(ju)加金刚石磨料(liao)(liao)或用高速磨料(liao)(liao)喷射冲击进行切(qie)割。

　　3）单刃(ren)切(qie)割(ge)。采用(yong)单粒金刚石(shi)切(qie)割(ge)。

　　为(wei)了提高切割的效(xiao)率和质量，尤其对一些形状较复杂的坯件，则(ze)宜用(yong)水力切割来替代机械(xie)切割。

　　(2)磨(mo)(mo)削磨(mo)(mo)削几乎(hu)均应(ying)用(yong)金(jin)刚石(shi)砂(sha)轮(lun)，与磨(mo)(mo)削金(jin)属(shu)材料相比，其最大的(de)(de)特(te)征是(shi)法向磨(mo)(mo)削力(li)远大于切(qie)向磨(mo)(mo)削力(li)，一般要(yao)大5～10倍，在用(yong)砂(sha)轮(lun)端面磨(mo)(mo)削时(shi)，甚至(zhi)可大20～30倍。因此，磨(mo)(mo)床(chuang)要(yao)有足够的(de)(de)刚性(xing)，并需保(bao)持磨(mo)(mo)粒的(de)(de)锐利性(xing)，同时(shi)砂(sha)轮(lun)与工件之间的(de)(de)压力(li)要(yao)超过临界压力(li)值(zhi)（2～5MPa）才能保(bao)证(zheng)正常的(de)(de)磨(mo)(mo)削。

　　磨(mo)削(xue)陶瓷时所(suo)用的(de)金刚石磨(mo)粉(fen)的(de)粒度为(wei)(wei)：粗(cu)磨(mo)0.25～0.125mm（60＃～120＃），半精(jing)磨(mo)0.125～0.9mm（120＃～180＃）。精(jing)磨(mo)0.075～0.04mm（240＃～W40）。通常砂(sha)轮速(su)度选用15～25m／s（金属(shu)结(jie)合剂(ji)(ji)）或20～30m／s(树脂结(jie)合剂(ji)(ji)）。工件(jian)送给速(su)度1.15m/min，吃刀量为(wei)(wei)1～2μm。磨(mo)削(xue)时应(ying)使用水溶(rong)性乳化(hua)液或低粘度的(de)油类切(qie)削(xue)液，以防止粉(fen)状切(qie)屑或脱(tuo)落的(de)磨(mo)粒残(can)留在(zai)工件(jian)表面上而导致表面很(hen)伤和加(jia)速(su)砂(sha)轮磨(mo)损(sun)。

　　(3)研磨(mo)和抛(pao)光它是氧(yang)化锆陶(tao)瓷材料(liao)精(jing)密和超精(jing)密加(jia)工(gong)的(de)(de)主要(yao)方法。通过研具和工(gong)件(jian)之间(jian)的(de)(de)机(ji)械摩(mo)擦或机(ji)械化学作用(yong)(yong)去除(chu)余量，它使工(gong)件(jian)表面(mian)产生微小龟裂，逐渐扩(kuo)展并从母体材料(liao)上剥除(chu)，达(da)到(dao)所要(yao)求的(de)(de)尺寸精(jing)度(du)(du)和表面(mian)粗糙度(du)(du)。当(dang)采用(yong)(yong)细的(de)(de)粒度(du)(du)、软的(de)(de)研具、低(di)的(de)(de)研磨(mo)压力和小的(de)(de)相(xiang)对(dui)速度(du)(du)时，可(ke)获(huo)得高的(de)(de)表面(mian)质量和精(jing)度(du)(du)，但将使加(jia)工(gong)效率降低(di)。

　　超精密研(yan)磨和抛(pao)光时，所(suo)用的(de)磨粒(li)径一(yi)般(ban)在数微米以下。为价(jia)止(zhi)波(bo)加工件的(de)氧化或(huo)因研(yan)磨液中的(de)杂(za)质引起表面(mian)划伤，一(yi)般(ban)要使用蒸馏水或(huo)去离子(zi)水。研(yan)磨盘的(de)主轴应(ying)有高(gao)的(de)回(hui)转精度和刚(gang)度，且转速(su)不宜太高(gao)，以免振(zhen)动对加工表面(mian)产生不利的(de)影响。

　　采用化学(xue)(xue)机械研磨(mo)和抛(pao)(pao)光由于伴随化学(xue)(xue)反(fan)应和水合反(fan)应，因而(er)比(bi)纯机械研磨(mo)和抛(pao)(pao)光有高(gao)的加工效率。

　　氧化锆陶瓷材料高(gao)效、高(gao)精加工方(fang)法

　　1．ELID超精磨削

　　ELID是(shi)电解(jie)在线修整磨(mo)(mo)削法(fa)的(de)(de)简称。它(ta)应用(yong)(yong)由金属结合剂(ji)和超硬微(wei)细金刚石（或CBN）磨(mo)(mo)料组成的(de)(de)砂轮，并在磨(mo)(mo)削过程中同时用(yong)(yong)电解(jie)法(fa)修锐砂轮，使砂轮始(shi)终保(bao)持(chi)锋(feng)利(li)，从而保(bao)证在高(gao)效(xiao)条件下进(jin)行(xing)超精(jing)密磨(mo)(mo)削，故(gu)它(ta)是(shi)镜面磨(mo)(mo)削脆性材(cai)料（如陶(tao)瓷、玻璃(li)、硅和铁淦(gan)氧等）的(de)(de)一种先进(jin)方法(fa)。

　　应(ying)用ELID方(fang)法对氧化锆陶瓷材(cai)(cai)料(liao)进行高的材(cai)(cai)料(liao)切除率的磨(mo)削(xue)可(ke)以大(da)大(da)降低磨(mo)削(xue)费用。当采用合理的砂(sha)轮修整参数时，可(ke)使摩削(xue)力比用传统磨(mo)削(xue)方(fang)法降低l～2倍，而且还(hai)能在(zai)连续(xu)磨(mo)削(xue)过程中磨(mo)削(xue)力几(ji)乎保(bao)(bao)持不(bu)变（图1），有利于提高材(cai)(cai)料(liao)切除率和保(bao)(bao)证加工表面质量的稳(wen)定。

　　ELID的砂(sha)轮修整步骤为(wei)：

　　1）砂(sha)轮整形，用粒(li)度100＃砂(sha)轮在300r／min下打砂(sha)轮；

　　2）机械修整，用(yong)粒度400＃Al2O3砂轮(lun)在300r／min下(xia)修整；

　　3）电解(jie)预修整，在300r／min和90V下电解(jie)修整30min；

　　4）磨(mo)削过程ELID修(xiu)整，电(dian)压60V，电(dian)流(liu)IP＝6A，电(dian)路闭合(he)和断开时(shi)间已τo＝τoff＝μs。

　　精密陶瓷球的研磨加工

　　陶(tao)瓷球的(de)精(jing)(jing)度对陶(tao)瓷轴承(cheng)(cheng)的(de)运转精(jing)(jing)度和高速(su)性有很(hen)大影响(xiang)。精(jing)(jing)密和超精(jing)(jing)密主轴轴承(cheng)(cheng)采用的(de)陶(tao)瓷球的(de)公差等(deng)级为G5，其球的(de)直径(jing)变动量和球形误差≤0.13μm，表面粗糙度Ra0.02μm。为了能高效地保证(zheng)达到精(jing)(jing)度要求(qiu)，其加工要点(dian)：

　　1）要经粗、精(jing)、超(chao)精(jing)研(yan)(yan)(yan)磨和(he)抛(pao)光等多(duo)道工(gong)序，由粗到精(jing)逐(zhu)渐减(jian)小磨料粒度、研(yan)(yan)(yan)磨压(ya)力和(he)研(yan)(yan)(yan)磨速(su)度（表1），并逐(zhu)步延长研(yan)(yan)(yan)磨的时(shi)间。

　　2）降低研磨压力(li)并减小(xiao)研磨盘的跳动（或采用很低的研磨速(su)度），可以(yi)有效(xiao)地减小(xiao)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度和波纹度。

　　3）研磨剂应遵(zun)循少量勤添(tian)的原则。

　　4）陶瓷球的材料应采用致密(mi)和缺(que)陷小(xiao)的热(re)流(liu)体等静压烧结Si3N4（HIPSN）或ZrO2。

　　5）采用锥(zhui)形研(yan)(yan)磨(mo)法(fa)以提高研(yan)(yan)磨(mo)效率。图2所示上(shang)研(yan)(yan)磨(mo)盘为锥(zhui)形使陶瓷球在研(yan)(yan)磨(mo)时有较(jiao)大自(zi)旋(xuan)角(jiao)（＞45º），使陶瓷球充分自(zi)旋(xuan)增(zeng)强回(hui)转(zhuan)滑动，因(yin)而(er)比通常(chang)的V形槽研(yan)(yan)磨(mo)法(fa)有高的研(yan)(yan)磨(mo)效率。

　　浮动(dong)抛光法

　　当工(gong)件(jian)与研具作(zuo)高(gao)速相(xiang)对运动时(shi)，由于抛光(guang)液的(de)流体动压(ya)效应使工(gong)件(jian)微量浮起与研具脱(tuo)离接触，液膜(mo)中的(de)微细软磨料(liao)与工(gong)件(jian)外(wai)层表面(mian)的(de)原(yuan)子相(xiang)互扩散，降(jiang)低(di)了(le)工(gong)件(jian)最外(wai)层表面(mian)的(de)原(yuan)子结合能，因(yin)而能被磨粒粒子冲击去除，达到光(guang)整工(gong)件(jian)表面(mian)而又不致产生表层晶体的(de)错位。虽其加(jia)工(gong)效率较低(di)，但是一种可获得极高(gao)的(de)平面(mian)度，而又没有端面(mian)塌边和(he)变形缺陷的(de)高(gao)表面(mian)质量的(de)超(chao)精(jing)密加(jia)工(gong)方法。