氧化鋯陶瓷材料加工原理

　　氧化鋯陶瓷材料切屑形成機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，會在刀刃附近產生裂紋，它先向下前方擴展，并沿著與最大主應力垂直的方向的包絡線成長，裂紋擴展的路徑從Ⅰ經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的區內留下凹痕，并在刀刃的后面已加工表面內因位應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，它不深入到加工表面上，由此可獲得良好質量的加工表面。

　　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量，尤其對一些形狀較復雜的坯件，則宜用水力切割來替代機械切割。

　　(2)磨削磨削幾乎均應用金剛石砂輪，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＃～W40）。通常砂輪速度選用15～25m／s（金屬結合劑）或20～30m／s(樹脂結合劑）。工件送給速度1.15m/min，吃刀量為1～2μm。磨削時應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械摩擦或機械化學作用去除余量，它使工件表面產生微小龜裂，逐漸擴展并從母體材料上剝除，達到所要求的尺寸精度和表面粗糙度。當采用細的粒度、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微米以下。為價止波加工件的氧化或因研磨液中的雜質引起表面劃傷，一般要使用蒸餾水或去離子水。研磨盤的主軸應有高的回轉精度和剛度，且轉速不宜太高，以免振動對加工表面產生不利的影響。

　　采用化學機械研磨和拋光由于伴隨化學反應和水合反應，因而比純機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。它應用由金屬結合劑和超硬微細金剛石（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）的一種先進方法。

　　應用ELID方法對氧化鋯陶瓷材料進行高的材料切除率的磨削可以大大降低磨削費用。當采用合理的砂輪修整參數時，可使摩削力比用傳統磨削方法降低l～2倍，而且還能在連續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量的穩定。

　　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）機械修整，用粒度400＃Al2O3砂輪在300r／min下修整；

　　3）電解預修整，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轉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到精度要求，其加工要點：

　　1）要經粗、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）研磨劑應遵循少量勤添的原則。

　　4）陶瓷球的材料應采用致密和缺陷小的熱流體等靜壓燒結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回轉滑動，因而比通常的V形槽研磨法有高的研磨效率。

　　浮動拋光法

　　當工件與研具作高速相對運動時，由于拋光液的流體動壓效應使工件微量浮起與研具脫離接觸，液膜中的微細軟磨料與工件外層表面的原子相互擴散，降低了工件最外層表面的原子結合能，因而能被磨粒粒子沖擊去除，達到光整工件表面而又不致產生表層晶體的錯位。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量的超精密加工方法。