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精密陶瓷对加工车间的作用

 

很多车间正在努力抵消因为国际国内生产领域衰退引起的近期利润下降。当官僚和银行家们在打小企业信贷牌的时候,普通的工作车间可能要通过内审,以便找到仅需较少投资便能发展或者重组其产能的方法。 

要实现这个目的,可以通过有效地扩展车间能够加工的材料范围这个方法。与塑料或金属相比,作为一种工程材料,陶瓷能够为不同生产方法带来不同挑战。在技术学习曲线前领跑,则能够使车间获得不断进步的利基(细分)技术以及市场获益的地位。 

高科技领域对陶瓷性能的了解仍不算多。大部分应用工程师认为陶瓷不是一种加工零件的稳定的材料。然而,就技术空间而言,陶瓷已经成功进入一些要求最严格的应用和环境。从航空到耐磨的泵传动和转子,再到太阳能应用以及甚至地球深层的井下石油和天然气勘探的零件,陶瓷正变为一种适合高温、尺寸稳定性、抗化学/腐蚀和电子绝缘需求的材料。很多现有客户可能已经对陶瓷零件感兴趣了——新机遇的大门已经打开。

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陶瓷材料可用于要求极严格的一些应用环境,从航空到耐磨的泵传动系统和转子,
再到地下石油和天然气开采。

陶瓷这个名称其实含括了很大范围的材料,根据不同应用有各种组成。受成本限制驱动,普通车间工人只需要学到一些基本知识,就能加工这种“可加工”级别的陶瓷材料,比如说马科尔、水合硅酸铝、氮化硼和其它玻璃云母复合材料等此类主要材料。 

对中等或小量精密加工任务而言,即使仅有最基本设备的车间也能加工精密陶瓷零件,如果他们使用一款名叫马科尔(Macor®)的材料的话。马科尔由康宁公司供应,康宁因其玻璃陶瓷产品而闻名。

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康宁的马科尔材料

马科尔是一种可加工的玻璃陶瓷混合,可以用普通合金刀具加工成复杂的图形,能精确到2微米。对陶瓷产品公司来说,马科尔以及其它类型的可加工陶瓷是一项长期解决方案,更是一种最终可能使用“更坚固的”低温共烧陶瓷来加工的桥梁材料。马科尔的优势在于它不需要在“绿色的”状态下加工然后低温共烧。低温共烧陶瓷通常需要用金刚石芯刀具来额外的加工,以便通过磨削而不需要切割来获取更高的紧密度容限。 

要提高加工工艺,最复杂莫过于选择正确的刀具。与供应商充分交流,会带来很多极好的启发。对大多数可加工的陶瓷来说,整体硬质合金工具是最佳尝试。双刃立铣刀可以比4刃和5刃更自由地切割。也有一些软性的陶瓷是素烧的或者部分低温共烧的,没有完全致密,尽管用自由加工的方式,这些材料也会产生巨大磨损,还会比致密的可加工玻璃陶瓷(比如马科尔),更快磨损刀具的边。

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如果正确地选择材料、认真设计工艺,
有标准数控机床加工产能的工作车间就能够生产精密陶瓷零件

对这些材料来说,可以在切削和钻孔工艺中使用金刚石毛边。这些刀具会稍微昂贵些,但使用寿命将惊人地长久,因为他们不像合金工具那般不耐磨。所有金刚石刀具将需要使用冷却剂来保持刀具不沾上泥浆/粉末,以便使得刀具能一直工作。湿法加工陶瓷总是对冷却工件和刀具比较有帮助,不管它是一项整体硬质合金工具还是金刚石镀边的工具。这将延长工具的使用寿命并且降低材料应力。

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湿式加工或钻孔是加工陶瓷材料较好的方法,
可以延长工件和刀具的服务寿命,减少材料的应力程度。

要记住 :湿法或者干法加会产生尘灰或泥浆,而不是碎屑。一些诸如氮化硼之类的陶瓷要采用干法加工,因为他们是多孔的陶瓷,通常用于机加工用油对终端应用比较不利的情形。 

现在的生产过程中,加工陶瓷所面对的阻力,与不愿使用加工刀具来处理此等磨损性的材料有很大关系。然而,如果您使用一台已经调试改造过的数控膝式铣床/床式铣床或者一款较老式的机器刀具来进行加工,收益将远大于机床磨损。记住:您的机器会一直磨损老化,应该想法子争取到足够的订单额,以保证设备和厂房设施不致于闲搁着。 

如果在车间角落里有闲置的一台数控机床,与其贱卖还不如让它在此领域的研发上发挥更大的作用。同样,陶瓷一般不会用于制成大型零件,通常不会作为主要零件结构而使用。它们一般会用于针对后端装配的、某个具体地方的绝缘体应用。 

陶瓷零件通常较小,不需要大型昂贵的机器来加工,普通的陶瓷零件可能最多只需两轴或者三轴机床即可。但是即使工艺不太复杂,还是可以获得比较高的利润额,因为很少有车间愿意扩大加工范围以致力于陶瓷材料。

陶瓷的加工步骤将成为加工厂商必须面对的首个挑战,因为它们是如此的不为人所知。在拉力作用下,所有类型的陶瓷都是易碎的,但是在综合力的作用下却能呈现很大强度,在决定工件加工工艺时必须考虑这个因素。如果对诸如马科尔之类的陶瓷进行铣削加工,将在工件退出时碎成小片。工具必须尽可能地保留在切口处,同时尽可能使用顺铣以便减少碎裂。 

很多情况下无法避免使用已有工件,但是如果把多余的材料留在外直径或者工件的外形上,可以最后再来处理任何缺陷、制造没有碎屑的零件。底板是必需的,也是一种保证整合工件装夹完善的方法。因为陶瓷没有磁性,不能使用磁性卡盘来夹住工件。用金属材料把陶瓷围在一个磁性卡盘上或者打蜡/粘在一个底板上是个不错的选择。

陶瓷材料指南 

马科尔——这种可加工的玻璃陶瓷由康宁公司独家生产,已广泛应用于航空、医疗和半导体领域。马科尔可加工玻璃陶瓷有助于小批量生产以及不愿花费昂贵的磨具加工费时降低成本。 

马科尔的持续使用温度是800摄氏度,高峰温度是1000摄氏度。热膨胀系数符合大多数金属和封接玻璃的需求。马科尔不沾锡,零孔隙度,不像延性材料那样变形。它是一种很好的绝缘体,能耐高压、不同频率以及高温,在真空环境下不会产生气体。 

铝——铝有很好的机械和电气性能,能够广泛应用不同领域。铝能够在不同范围纯度中加工,添加助剂可以提高性能。不同的陶瓷加工方法都能使之成型,能够被加工成不同大小或形状的产品。此外,使用金属化合和铜焊技术,能够便捷地与金属或者其它陶瓷材料结合。 

氮化铝——氮化铝展示了比铝较低的热膨胀性能,更符合硅片的膨胀,能够与金属化合,使得其成为一种半导体应用的理想材料。 

硅酸铝(莱卡石)——硅酸铝或者莱卡石是一种可加工的陶瓷材料。它有耐高温以及绝佳的热/电绝缘性能。 

氮化硼——氮化硼能够使用标准硬质合金钻头来加工。氮化硼展示了一种高阻电性能、低介电常数和损耗因素、低热膨胀、化学惰性和很好的抗热震性。由于这些性能,氮化硼使得自己成为真空零件、不同电气零件和核应用的有用材料。 

玻璃——(派热科斯,维克和类似材料)-在需要光学高抗热震性和绝缘性的情况下,不同的玻璃被应用于很多领域。 

石墨——石墨有绝佳的热震和耐化学性能力,使得其成为浇铸、炉小舟、电镀阴极和铜焊件的一种理想材料。

莫来石——因为其高温稳定性、强度和抗蠕变性,莫来石是一种绝佳的结构性材料。它有较低的介电常数和较高的电绝缘能力。一般应用于包括窑具、炉心管、热交换零件、热绝缘零件和滚轴中。 

云母玻璃——有几种等级可供选择,强度和温度性能也不同,是一种绝佳的可加工陶瓷绝缘材料,能够被加工成复杂的零件。 

石英——由于其超强的热能、化学和光学性能,石英通常被应用于光学和半导体领域。 

碳化硅——碳化硅因为其高硬度和耐磨性而出名。普通的应用包括:泵密封、阀零件和高强耐磨的零件。 

滑石瓷——相比于其他陶瓷材料,滑石瓷的成本相对低廉,可应对绝缘和耐温要求。 

氧化锆——稳定的氧化锆提供超过铝的熔点温度之上的抗化学性和耐腐蚀性。氧化锆陶瓷有能力吸收大量的相关其它陶瓷材料的压力。它展示了室温条件下的最强的机械力和韧性。

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