氧化锆陶瓷加工方式磨削的理论和工艺

　　近年来许多学者应用金刚石磨削方法对氧化锆陶瓷脆性材料塑性方式磨削的理论和工艺、脆-塑性转变、材料特性、切削力和其它参数的关系进行了系统研究，研究重点是被加工氧化锆陶瓷零件的塑性方式表面形成机理和几何精度，其中包括相关机床和砂轮技术的研究与开发。

　　一、氧化锆陶瓷切削加工：

　　氧化锆陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷，也适用于完全烧结体氧化锆陶瓷。

　　半烧结体氧化锆陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量，从而提高加工效率，降低加工成本。研究人员使用各种刀具在不同温度下对氧化锆陶瓷和氧化铝陶瓷半烧结体进行了切削试验。

　　试验中根据不同的氧化锆陶瓷加工要求，采用了干式切削与湿式切削等方法，获得了有价值的研究成果。

　　二、氧化锆陶瓷研磨、抛光加工：

　　氧化锆陶瓷研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工与光整加工中，特别是在用于陶瓷轴承的陶瓷球的精密加工中，研磨、抛光加工有着不可替代的位置。

　　光学玻璃、蓝宝石等光学材料，硅片、GaAs基片等半导体材料，氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷等陶瓷材料的镜面加工大多采用研磨、抛光加工方法。

　　从材料的去除机理上看，研磨加工是介于氧化锆陶瓷脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法，而抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围内进行。

　　研磨、抛光加工由于氧化锆陶瓷材料去除量小，加工效率低，一般只用于氧化锆陶瓷超精加工的最终工序。

　　研磨、抛光加工的氧化锆陶瓷材料去除率与被加氧化锆陶瓷工材料的韧性有较大关系，氧化锆陶瓷韧性越高，氧化锆陶瓷加工效率越低。

　　三、氧化锆陶瓷ELID磨削加工：

　　氧化锆陶瓷ELID磨削技术是一种磨削新工艺，其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。

　　氧化锆陶瓷ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的难题，同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保持锋锐性，为实现稳定的超精密磨削创造了有利条件。

　　氧化锆陶瓷使用＃8000(最大磨粒直径约为2µm)铸铁基金刚石砂轮对硅片进行磨削，获得了最大表面粗糙度值为0.1µm的高精表面。使用青铜基砂轮对陶瓷材料进行精密磨削也达到了相同的加工效果。

　　采用ELID磨削技术对硬质合金、陶瓷、光学玻璃氧化锆陶瓷等脆性材料实现了镜面磨削，磨削表面质量与在相同机床条件下采用普通砂轮磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度Ra值已达到纳米级，其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra0.012µm。

　　这表明ELID磨削技术可以实现对氧化锆陶瓷脆性材料表面的超精加工，但加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层的未电解物质被压入工件表面而造成表面层釉化及电解磨削液配比改变等问题，有待于进一步研究解决。

　　四、氧化锆陶瓷塑性法加工：

　　传统的氧化锆陶瓷材料去除过程一般可分为脆性去除和塑性去除两种。

　　氧化锆陶瓷在脆性去除过程中，材料去除是通过裂纹的扩展和交叉来完成的；而塑性去除则是以剪切加工切屑的形式来产生材料的塑性流。

　　对于金属的加工，塑性切削机理很容易实现，而对于氧化锆陶瓷脆性材料如工程陶瓷和光学玻璃等，采用传统的加工技术及工艺参数只会导致脆性去除而没有显著的塑性流，在超过强度极限的切削力作用下，材料的大小粒子发生脆性断裂，这无疑将影响被加工表面的质量和完整性。

　　由加工实践可知，在加工氧化锆陶瓷等脆性材料时，可采用极小的切深来实现塑性去除，即氧化锆陶瓷材料去除机理可在微小去除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。

　　氧化锆陶瓷超精加工技术的最新进展已可将加工进给量控制在几个纳米，从而使脆性材料加工的主要去除机理有可能由脆性破坏转变为塑性流。

　　塑性切屑变形过程可以显著降低次表面(表层)破坏，氧化锆陶瓷硬脆材料的新型加工技术称为塑性法加工。

　　氧化锆陶瓷材料超声加工方法

　　氧化锆陶瓷超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动，在工具与工件之间加入液体磨料或糊状磨料，并以较小的压力使工具贴压在工件上。

　　氧化锆陶瓷加工时，由于工具与工件之间存在超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面，加上加工区域内的空化、超压效应，从而产生材料去除效果。

　　氧化锆陶瓷超声加工与其它加工方法相结合，形成了各种超声复合加工工艺，如超声车削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声振动珩磨、超声研磨抛光等。

　　超声复合加工方式较适用于氧化锆陶瓷的加工，其加工效率随着氧化锆陶瓷材料脆性的增大而提高。

　　究人员对氧化锆陶瓷材料的超声磨削加工进行了研究，使陶瓷材料的加工效率提高近一倍；

　　在对氧化铝陶瓷与氧化锆陶瓷进行加工时，在工具与工件上同时施加超声振动，从而使加工效率提高了2～3倍；

　　在钻头上施以超声振动进行深孔加工，大大提高了孔内表面质量与孔的圆度。