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陶瓷材料的加工原理及方法

 

1. 陶瓷材料切屑形成机理及表面缺陷的形成

陶瓷材料在刀具或磨粒的切削刃挤压作用下,会在刀刃四周产生裂纹,它先向下前方扩展,并沿着与最大主应力垂直的方向的包络线成长,如图1中裂纹扩展的路径从Ⅰ经Ⅱ、Ⅲ至Ⅳ,终极穿过自由表面形成粒状或片状的切屑。由此在切削表面Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ的区内留下凹痕,并在刀刃的后面已加工表面内因位应力而引起与表面大体垂直的裂纹等缺陷。

假如切削条件公道,裂纹将能被控制不作延伸扩展,而只在刀刃前方的部分材料中形成破碎的切属,如图1中A、B所示的破碎状态,它不深进到加工表面上,由此可获得良好质量的加工表面。

2.陶瓷材料加工的基本方法

陶瓷材料通常需经过坯料切割、磨削、研磨和抛光等工序制成所需的零件。

(1) 切割 常用的机械切割方法有以下三类:

1) 固定磨料切割。用金刚石锯片或带锯进行切割。 
2) 游离摩料切割。用盘锯、带锯加金刚石磨料或用高速磨料喷射冲击进行切割。
3) 单刃切割。采用单粒金刚石切割。

为了进步切割的效率和质量,尤其对一些外形较复杂的坯件,则宜用水力切割来替换机械切割。

(2) 磨削 磨削几乎均应用金刚石砂轮,与磨削金属材料相比,其最大的特征是法向磨削力远大于切向磨削力,一般要大5~10倍,在用砂轮端面磨削时,甚至可大20~30倍。因此,磨床要有足够的刚性,并需保持磨粒的锐利性,同时砂轮与工件之间的压力要超过临界压力值(2~5MPa)才能保证正常的磨削。

磨削陶瓷时所用的金刚石磨粉的粒度为: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)。通常砂轮速度选用15~25m/s(金属结合剂)或20~30m/s( 树脂结合剂)。工件送给速度1.15m/min,吃刀量为1~2μm。磨削时应使用水溶性乳化液或低粘度的油类切削液,以防止粉状切屑或脱落的磨粒残留在工件表面上而导致表面很伤和加速砂轮磨损。

(3) 研磨和抛光 它是陶瓷材料精密和超精密加工的主要方法。通过研具和工件之间的机械摩擦或机械化学作用往除余量,它使工件表面产生微小龟裂,逐渐扩展并从母体材料上剥除,达到所要求的尺寸精度和表面粗糙度。当采用细的粒度、软的研具、低的研磨压力和小的相对速度时,可获得高的表面质量和精度,但将使加工效率降低。

超精密研磨和抛光时,所用的磨粒径一般在数微米以下。为价止波加工件的氧化或因研磨液中的杂质引起表面划伤,一般要使用蒸馏水或往离子水。研磨盘的主轴应有高的回转精度和刚度,且转速不宜太高,以免振动对加工表面产生不利的影响。

采用化学机械研磨和抛光由于伴随化学反应和水合反应,因而比纯机械研磨和抛光有高的加工效率。

3.陶瓷材料高效、高精加工方法

1.ELID超精磨削

ELID是电解在线修整磨削法的简称。它应用由金属结合剂和超硬微细金刚石(或CBN)磨料组成的砂轮,并在磨削过程中同时用电解法修锐砂轮,使砂轮始终保持锋利,从而保证在高效条件下进行超精密磨削,故它是镜面磨削脆性材料(如陶瓷、玻璃、硅和铁淦氧等)的一种先进方法。

应用ELID方法对陶瓷材料进行高的材料切除率的磨削可以大大降低磨削用度。当采用公道的砂轮修整参数时,可使摩削力比用传统磨削方法降低l~2倍,而且还能在连续磨削过程中磨削力几乎保持不变(图1),有利于进步材料切除率和保证加工表面质量的稳定。

 

ELID的砂轮修整步骤为: 

1)砂轮整形,用粒度100#砂轮在300r/min下打砂轮;
2)机械修整,用粒度400#Al2O3砂轮在300r/min下修整;
3)电解预修整,在300r/min和90V下电解修整30min;
4)磨削过程ELID修整,电压60V,电流IP=6A,电路闭合和断开时间已τo=τoff=μs。

4.精密陶瓷球的研磨加工

陶瓷球的精度对陶瓷轴承的运转精度和高速性有很大影响。精密和超精密主轴轴承采用的陶瓷球的公差等级为G5,其球的直径变动量和球形误差≤0.13μm,表面粗糙度Ra0.02μm。为了能高效地保证达到精度要求,其加工要点:

1)要经粗、精、超精研磨和抛光等多道工序,由粗到精逐渐减小磨料粒度、研磨压力和研磨速度(表1),并逐步延长研磨的时间。

 

2)降低研磨压力并减小研磨盘的跳动(或采用很低的研磨速度),可以有效地减小表面粗糙度和波纹度。
3)研磨剂应遵循少量勤添的原则。
4)陶瓷球的材料应采用致密和缺陷小的热流体等静压烧结Si3N4(HIPSN)或ZrO2。
5)采用锥形研磨法以进步研磨效率。图2所示上研磨盘为锥形使陶瓷球在研磨时有较大自旋角(>45o),使陶瓷球充分自旋增强回转滑动,因而比通常的V形槽研磨法有高的研磨效率。


5.浮动抛光法(Float Polisbing)

当工件与研具作高速相对运动时,由于抛光液的流体动压效应使工件微量浮起与研具脱离接触,液膜中的微细软磨料与工件外层表面的原子相互扩散,降低了工件最外层表面的原子结合能,因而能被磨粒粒子冲击往除,达到光整工件表面而又不致产生表层晶体的错位。虽其加工效率较低,但是一种可获得极高的平面度,而又没有端面塌边和变形缺陷的高表面质量的超精密加工方法。

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