工程陶瓷培训讲座PPT

工程陶瓷工程陶瓷 认识工程陶瓷认识工程陶瓷 工程陶瓷传统加工工程陶瓷传统加工 工程陶瓷加工机理工程陶瓷加工机理 工程陶瓷特种加工工程陶瓷特种加工 工程陶瓷展望工程陶瓷展望认识工程陶瓷认识工程陶瓷l 陶瓷是古老而又新型的材陶瓷是古老而又新型的材料，它是用天然或人工合料，它是用天然或人工合成的无机粉状物料，经过成的无机粉状物料，经过成型和高温烧结而制成的成型和高温烧结而制成的一种多相固体材料一种多相固体材料。 工程陶瓷工程陶瓷主要包括金属与主要包括金属与硼，碳，硅，氮，氧等非硼，碳，硅，氮，氧等非金属元素组成的化合物，金属元素组成的化合物，以及非金属元素所组成的以及非金属元素所组成的化合物，如硼和硅的碳化化合物，如硼和硅的碳化物和氮化物。它与金属材物和氮化物。它与金属材料，高分子材料并称三大料，高分子材料并称三大固体材料。固体材料。 l工程陶瓷工程陶瓷材料制造与构件的制材料制造与构件的制造造基本上是同一过程。基本上是同一过程。l基本的陶瓷基本的陶瓷成型工艺成型工艺有两种有两种: : 第一种是用细颗粒陶瓷原料第一种是用细颗粒陶瓷原料, ,加上粘结剂加上粘结剂, ,成型成型, ,然后高温烧然后高温烧结成所需的制品结成所需的制品; ; 第二种基本工艺方法是将原第二种基本工艺方法是将原料熔融成液体料熔融成液体, ,然后在冷却和然后在冷却和固化时成型固化时成型。 工程陶瓷工程陶瓷优势优势： 高温强度突出。高温强度突出。 耐磨性能优越。耐磨性能优越。 隔热性能好。隔热性能好。 密度低质量轻。密度低质量轻。 防腐性能佳。防腐性能佳。缺点缺点: :脆硬难加功脆硬难加功机械机械军工军工化工化工航天等航天等应用应用工程陶瓷传统加工工程陶瓷传统加工 1) 1) 车削车削加工主要是用金刚石刀具切削高硬度、高耐磨性加工主要是用金刚石刀具切削高硬度、高耐磨性的工程陶瓷。的工程陶瓷。 2) 2) 切削切削加工是利用金刚石、立方氮化硼硬质合金钢等超加工是利用金刚石、立方氮化硼硬质合金钢等超硬刀具对陶瓷材料进行平面加工，通常采用湿法切削，即硬刀具对陶瓷材料进行平面加工，通常采用湿法切削，即不间断向刀具喷射切削液。不间断向刀具喷射切削液。 3) 3) 磨削磨削加工是目前已有加工方法中应用最多的一种加工是目前已有加工方法中应用最多的一种 。 4) 4) 陶瓷材料的陶瓷材料的钻孔钻孔。 工程陶瓷加工机理工程陶瓷加工机理裂纹的生成裂纹的生成 材料的去除材料的去除 裂纹的扩展裂纹的扩展 基本方法：应用力学分析理论研究方法和试验研究方法基本方法：应用力学分析理论研究方法和试验研究方法 1，切削加工切削加工 切削厚度小时，切削应力场中刀具前下方的拉应力低于陶切削厚度小时，切削应力场中刀具前下方的拉应力低于陶瓷材料抗拉强度，在初始裂纹产生之前，材料局部去除已瓷材料抗拉强度，在初始裂纹产生之前，材料局部去除已经开始，陶瓷材料以微裂纹扩展形式去除，陶瓷材料的已经开始，陶瓷材料以微裂纹扩展形式去除，陶瓷材料的已加工表面质量较好。加工表面质量较好。 当切削厚度较大时，初始裂纹将沿前下方扩展，很难扩展当切削厚度较大时，初始裂纹将沿前下方扩展，很难扩展到自由表面，在已加工表面留下切削裂纹和凹坑，影响陶到自由表面，在已加工表面留下切削裂纹和凹坑，影响陶瓷材料强度和表面质量。瓷材料强度和表面质量。 实现塑性切削条件：刀具前角，材料性能，材料种类，背实现塑性切削条件：刀具前角，材料性能，材料种类，背吃到量，切削速度。吃到量，切削速度。 压痕断裂学模型：压痕断裂学模型： 1 1，压痕应力场，压痕应力场 2 2，压痕裂纹的成核，压痕裂纹的成核 3 3，压痕裂纹的生长，压痕裂纹的生长 2 2，磨削加工，磨削加工 陶瓷材料在加载情况下陶瓷材料在加载情况下会长生径向裂纹和中位会长生径向裂纹和中位裂纹随着载荷的去除，裂纹随着载荷的去除，裂纹进一步扩展，进而裂纹进一步扩展，进而生成中位生成中位/ /径向裂纹系径向裂纹系统，并在残余应力作用统，并在残余应力作用下产生径向裂纹。下产生径向裂纹。 其中中位裂纹降低强度，其中中位裂纹降低强度，侧向裂纹引起材料脆性去侧向裂纹引起材料脆性去除。因此研究可以控制不除。因此研究可以控制不产生中位裂纹，达到脆性产生中位裂纹，达到脆性去除。还可以不产生横向去除。还可以不产生横向裂纹，从而达到塑性去除裂纹，从而达到塑性去除。 加工观察法加工观察法是包括是包括磨削力测量，以及磨削力测量，以及对表面形态和磨削对表面形态和磨削的显微观察在内部的显微观察在内部的通用磨削机理研的通用磨削机理研究方法。如磨削，究方法。如磨削，划痕与磨削表面的划痕与磨削表面的显微镜观察，塑性显微镜观察，塑性流动引起的材料去流动引起的材料去除，比磨削能除，比磨削能。 关于磨削对工程陶瓷材料去除机理的解释有很多如：关于磨削对工程陶瓷材料去除机理的解释有很多如：破碎破碎去除机理，延性域磨削，粉末化去去除机理，延性域磨削，粉末化去除等。但除等。但塑性变形和脆塑性变形和脆性断裂性断裂是形成材料去除的主要原因。为了实现是形成材料去除的主要原因。为了实现塑性和纳米塑性和纳米加工，加工，日本日本正在开发超微磨料砂轮制造技术，改进或设计正在开发超微磨料砂轮制造技术，改进或设计已有的精密机床，并对各种工程陶瓷进行塑性加工的实验已有的精密机床，并对各种工程陶瓷进行塑性加工的实验；德国德国主要致力于塑性加工机理和先进陶瓷加工工艺的实主要致力于塑性加工机理和先进陶瓷加工工艺的实验研究；验研究；英国英国侧重于开发新颖、经济的超精密塑性加工机侧重于开发新颖、经济的超精密塑性加工机床；床；美国美国主要侧重于半导体和电子元件的塑性加工。近年主要侧重于半导体和电子元件的塑性加工。近年来高效磨削加工、来高效磨削加工、ELID ELID 磨削加工、塑性域磨削加工、超声磨削加工、塑性域磨削加工、超声磨削加工等磨削加工方式的出现，解决了工程陶瓷材料磨磨削加工等磨削加工方式的出现，解决了工程陶瓷材料磨削加工中的诸多难题，并为其广泛应用提供了强有力的工削加工中的诸多难题，并为其广泛应用提供了强有力的工艺支持。艺支持。工程陶瓷特种加工工程陶瓷特种加工激光加工激光加工 激光加工是利用高能量密度的均匀激光束作为热源，在加工陶激光加工是利用高能量密度的均匀激光束作为热源，在加工陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或汽化而去除材料。瓷材料表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或汽化而去除材料。 湖南大学李立钧湖南大学李立钧等人研制出适宜切割以工程陶瓷为代表的硬脆材等人研制出适宜切割以工程陶瓷为代表的硬脆材料的机械式调料的机械式调 Q Q 脉冲脉冲 CO2CO2激光器，激光器， 获得无裂纹的精细切口。激光打获得无裂纹的精细切口。激光打孔研究方面，孔研究方面， 德国柏林德国柏林的一家科研机构运用光调的一家科研机构运用光调 Q YAG Q YAG 激光器旋切激光器旋切加工加工0 0 5 mm 5 mm 小孔，无微裂纹和毛刺。小孔，无微裂纹和毛刺。我国我国科研人员用科研人员用激光打孔激光打孔也也相当成功，相当成功， 最小孔径可达到最小孔径可达到6m6m，深度，深度 10 mm10 mm，而且孔的圆度也，而且孔的圆度也较理想。较理想。激光辅助加工激光辅助加工 激光瞬时加热陶瓷局部表面使之软化再用刀具切削，激光瞬时加热陶瓷局部表面使之软化再用刀具切削， 从而获得连续切屑并从而获得连续切屑并降低切削力降低切削力 。 近年来，美国近年来，美国宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学对在对在 CO2CO2激光作用下几种结构陶瓷激光作用下几种结构陶瓷材料的吸热性能进行了研究，材料的吸热性能进行了研究， 爱荷华州州立大学爱荷华州州立大学对激光加热辅助车对激光加热辅助车削削 Si3N4Si3N4温度场完成了数值模拟，温度场完成了数值模拟， 日本千叶工艺研究所日本千叶工艺研究所对树脂陶瓷对树脂陶瓷材料的激光加工机理进行了研究，材料的激光加工机理进行了研究， 德国的斯图加特大学德国的斯图加特大学运用运用 YAGYAG激激光对玻璃进行了加热试验研究，光对玻璃进行了加热试验研究， 俄罗斯科学院俄罗斯科学院对激光加热辅助切削对激光加热辅助切削氧化物陶瓷工件的表面温度进行了实时测量，并对工艺控制做了实验氧化物陶瓷工件的表面温度进行了实时测量，并对工艺控制做了实验研究。国内哈尔研究。国内哈尔滨工业大学滨工业大学、湖南大学湖南大学、华中科技大学华中科技大学、上海交通大、上海交通大学等单位分别从不同的角度进行了研究，取得了一定的成果。学等单位分别从不同的角度进行了研究，取得了一定的成果。电火花加工电火花加工 又称作电蚀加工或放电加工，又称作电蚀加工或放电加工， 是利用工具电极和工件电是利用工具电极和工件电极间脉冲放电时产生的电蚀现象对材料进行加工的一种无极间脉冲放电时产生的电蚀现象对材料进行加工的一种无接触式精细热加工技术。接触式精细热加工技术。 超声波加工超声波加工 超声波加工是利用产生超声振动的工具超声波加工是利用产生超声振动的工具 ，带动工具和陶，带动工具和陶瓷元件间的磨料悬浮液，冲击和抛磨元件进行加工。瓷元件间的磨料悬浮液，冲击和抛磨元件进行加工。东京东京大学大学的增泽隆久等人在的增泽隆久等人在 1996 1996 年用超声激振方式在结构陶年用超声激振方式在结构陶瓷材料上加工出了直径最小为瓷材料上加工出了直径最小为 5m 5m 的微孔。美国的的微孔。美国的 Rajurkar Rajurkar 和和 Ghahra-maniGhahra-mani 等人分别研究了超声加工陶瓷等人分别研究了超声加工陶瓷材料的微观去除机理，材料的微观去除机理， 存在一临界间距存在一临界间距, ,工具在这一位置工具在这一位置加工具有高的加工效率加工具有高的加工效率; ; KansasState KansasState 大学大学的的 Li Li 等人进等人进行了旋转超声加工行了旋转超声加工 Al203Al203陶瓷的试验研究陶瓷的试验研究; ; 微波加工微波加工 微波电磁能量能穿透介质材料，传送到有耗物质的内部，微波电磁能量能穿透介质材料，传送到有耗物质的内部，并与物体的原子、分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热并与物体的原子、分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热、熔融甚至汽化。突破性的研究是以、熔融甚至汽化。突破性的研究是以色列的色列的 JerbyJerby 等在等在著名的著名的SCIENCESCIENCE杂志上发表文章，率先提出采用微波杂志上发表文章，率先提出采用微波钻对陶瓷、玻璃等非导电材料进行钻孔加工，。受它启发钻对陶瓷、玻璃等非导电材料进行钻孔加工，。受它启发，华中科技大学汪学方华中科技大学汪学方等人将微波钻方法扩展到车、铣、等人将微波钻方法扩展到车、铣、刨等其它机加工方式。刨等其它机加工方式。工程陶瓷展望工程陶瓷展望 磨料喷射加工技术磨料喷射加工技术 磁悬浮抛光技术磁悬浮抛光技术 液体浮动研磨与抛光技术液体浮动研磨与抛光技术 综合运用机械加工及先进的激光、电火花、超声波、微波综合运用机械加工及先进的激光、电火花、超声波、微波等相复合的加工技术，实现工程陶瓷的优质高效低耗加工等相复合的加工技术，实现工程陶瓷的优质高效低耗加工 是工程陶瓷材料加工技术发展的必然趋势。是工程陶瓷材料加工技术发展的必然趋势。 谢谢观赏谢谢观赏