陶瓷材料微波辅助塑性切削技术综述

作者：华中科技大学 汪学方 刘伟钦 张鸿海

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 1 引言 陶瓷是最重要的无机非金属材料之一。与金属或有机高分子材料相比，陶瓷具有密度小、硬度高、绝缘性能好、耐热、耐磨损、耐腐蚀等优良性能以及磁、光、电、声等特性，在国民经济各领域中得到了广泛应用。但是，传统的陶瓷制备工艺还难以完全满足精密零件的加工精度要求，必须通过后续再加工才能达到工程应用所要求的尺寸精度和表面质量要求。由于陶瓷具有硬、脆特性，致使其加工工艺性极差，是典型的难加工材料。加工难度大严重阻碍了具有优良使用性能的陶瓷材料在众多领域的推广应用。 本研究项目提出一种新的陶瓷塑性切削机理，并建立了试验系统。如项目研究成功，将提供一种新的陶瓷材料加工方法，同时也有助于半导体材料、粉末金属烧结材料、金属间化合物等硬脆难加工材料加工问题的解决。 2 国内外陶瓷材料加工方法研究概况 目前，对陶瓷材料的加工方法可分为采用传统金属切削原理的微小切深加工和采用光、电、声、化学、离子弧等能量的特种加工。 1987年Kiso等应用多晶金刚石刀具对Al2O3和Si3N4陶瓷进行车削加工，由于加工中刀具作用于陶瓷材料时产生了很多不规则裂纹以及刀具严重磨损，致使加工表面很粗糙；加工结果显示，陶瓷材料是通过脆性断裂而不是剪切变形被去除的。1990年Nakasuji等发现，当切深极其微小时，脆性材料的加工去除机理可能发生从切深较大时的脆性断裂去除向塑性剪切去除的转变，即脆性材料可以通过塑性剪切方式去除；通过用金刚石刀具对脆性陶瓷材料进行微量车削实验，获得了近似镜面的加工表面。 磨削是应用最多的陶瓷材料加工方法。与陶瓷的车削加工类似，当切深较大时，陶瓷材料是通过脆性断裂去除的，在已磨削表面常常有裂纹存在于亚表层。1987年Ito等发现当切深及其微小时，陶瓷材料去除时可能发生塑性流动，在此工艺条件下磨削时，已磨削表面没有产生裂纹。 虽然采用金刚石微小切深的车削或磨削可获得良好的表面质量，但材料去除效率低，刀具磨损大，使陶瓷材料的加工成本大大提高，占到陶瓷工件总成本的30％～60％（有时甚至高达90％）。另外，由车削或磨削产生的表面/亚表面损伤可能使陶瓷工件强度下降，性能降低。1997年Mochida等报道，陶瓷在高速磨削后强度下降了10％～20％。 陶瓷材料的特种加工方法包括超声加工、电火花加工、化学辅助加工、激光加工、水喷射加工、等离子弧加工、声发射微粒加工以及上述方法的组合加工等。这些特种加工手段极大地丰富了陶瓷材料的加工方法，促进了陶瓷材料在工程中的应用。但是，这些特种加工方法仍然存在材料去除效率低、加工成本高等问题。 尽管目前已经开发出多种陶瓷加工方法，但低效率、高成本这一具有共性的缺点已经严重阻碍了陶瓷材料的广泛应用。因此，开发高效率、低成本的陶瓷加工新技术有着十分重要的意义。 采用较大切深（相对于以前的微小切深而言）的陶瓷切削技术是实现高效率、低成本加工的一条有效途径。陶瓷材料的较大切深切削加工具有加工效率高、成本低的优点，如果能实现该技术的实用化，必将大大加快陶瓷材料在工业领域推广应用的步伐。但是，以延性金属为加工对象的传统金属切削理论已不适用于硬脆材料的加工，必须研究硬脆材料的切削机理及规律，寻求新的合适的较大切深切削方法。 从切削理论可知，一个典型的完整切屑的形成必须经过弹性变形、滑移和切离等几个阶段。滑移是塑性变形的基本形式，说明完整的切屑是在塑性状态下形成的。形成完整的切屑时，工件的表面较完整、光洁，无明显裂纹。而对于硬脆性材料（如工程陶瓷、光学玻璃等），采用传统加工技术及金属加工的工艺参数进行加工时，只会导致脆性去除而没有显著的塑性变形，在超过强度极限的切削力作用下，材料会发生脆性断裂。可见，只要能实现在塑性状态下切削，就能减少或消除工件表面裂纹，切制出完整的表面，采用金刚石微小切深的车削或磨削可获得良好的表面质量就是一个好的例证。使脆性材料形成塑性变形，这正是解决陶瓷材料切削问题的切入点。塑性与脆性并非是绝对的，在一定的条件下（如微小切深）是可以相互转化的。因此，切削陶瓷材料的关键是寻找脆性向塑性转化的条件并促使其转化，使脆性材料在塑性状态下完成切削。 温度对材料的塑性影响很大，一般情况下，陶瓷材料原子的活动能力随着温度的上升而增强，易于产生滑移，塑性提高。因此可通过对陶瓷材料加热，使其在塑性状态下切削。 早在1950年左右，Schmit、Armstrong和Krabacher就进行了加温切削的研究，并报道了随着材料温度的升高，材料剪切强度会降低，从而在切削时使切削力减小，刀具寿命增加。1966年Barrow利用电流加热技术（electric current heating technique）在加工变形区域产生高温，并观察到材料强度降低会延长刀具寿命，而刀具与切屑界面温度升高则会缩短刀具寿命，因此应对温度和切削工艺参数进行优化以提高刀具寿命。1986年Uehara和Takeshita通过氧乙炔焰加热Si3N4陶瓷材料，在高温状态下实施切削，产生了连续切屑，但表面质量较差。随后，为了提高加热效益，等离子弧和激光加热被引入陶瓷材料加热切削中。1990年Kitagawa和Mackawa采用等离子弧加热切削玻璃和莫来石、Si3N4、氧化铝、氧化锆等工程陶瓷，在Si3N4陶瓷车削实验中，当温度达到1050℃时，切削力降低，形成连续切屑，刀具磨损减小，但表面存在缺陷。1995年，Westkamper等利用激光加热对Si3N4陶瓷进行磨削实验，获得了高于常温磨削的材料去除率。1998年Rozzi等对激光加热Si3N4陶瓷时加工区的温度场分布进行了仿真和实验论证。2000年Rozzi等利用激光加热对Si3N4陶瓷进行车削实验，将Si3N4陶瓷加热至1151～1330℃范围内进行切削试验；在1151℃以下温度范围内切削时为脆性断裂切削；当温度升高到1151℃以上时，切屑逐渐变为半连续形态；当温度达到1330℃时，切屑成为连续形态，呈现出塑性变形切削状态；但高的温度梯度影响了表面质量和强度。2004年Rebro等利用激光加热对莫来石进行车削实验，通过渐进升温方法来消除温度梯度，从而消除热应力，但效果不明显。 国内也有从事陶瓷材料加热切削研究的报道，例如：哈尔滨工业大学王扬教授对Si3N4、ZrO2陶瓷的激光加热辅助车削做了非常有意义的工作，他运用材料学中的位错理论阐释了激光加热辅助车削的作用机理，利用有限元分析方法建立了陶瓷材料加热后表面温度场的物理、数学模型。华中科技大学在陶瓷和复合材料的激光加热辅助切削方面作了初步工作。上海交通大学的阮雪榆教授、华南理工大学的叶邦彦教授、南京航空航天大学、广西工学院、沈阳航空学院等对工件的激光或等离子弧加热辅助切削进行了相关研究。 对以上国内外陶瓷加热切削实验进行分析后可知，由于等离子弧、激光、氧乙炔焰加热时热量的传递是由表及里，热量要通过陶瓷导热才能到达陶瓷材料内部，但大部分陶瓷的导热系数很低，从而在材料的被加工区会形成很大的温度梯度，易产生大的热应力，导致亚表层损伤，材料强度降低。在加工过程中产生的切屑也会妨碍陶瓷表面吸收热量。此外，等离子弧、激光、氧乙炔焰加热设备昂贵、技术复杂，这也是近年来陶瓷等离子弧、激光、氧乙炔焰加热塑性切削技术仅局限于实验室研究而难以在生产实践中推广应用的原因。因此，寻求低成本的均匀加热技术就成为陶瓷加热塑性切削技术实用化的关键。 微波是一种频率范围300MHz～3000GHz的电磁波。作为一种新型能源，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。由于微波加热具有内外同热、热应力小、效率高、加热速度快、成本低、具有选择性等特点，因此被日益广泛地应用于农作物干燥与烘烤、陶瓷烧结与焊接、化学合成与消解、刻蚀镀膜、手术杀菌、材料改性等方面。例如：微波手术刀、微波手术钳是将微波能量应用于外科手术的一种新型医疗器械，即将微波功率源通过传输线与手术刀具相连，使微波能量经传输线沿刀具进入人体手术部位，切开人体组织和止血；微波手术刀具是将微波同轴天线的内导体适当延长，根据手术需要制成一定形状的刀具，微波手术刀、手术钳具有止血效果好、刀口不碳化、灭菌、防止手术感染等特点，且刀具体积小，操作灵活，特别适合肿瘤切除、器官修补、各部位止血等外科手术。 特别需要强调的是，以色列的E. Jerby等在著名的《SCIENCE》杂志（18 October 2002，Vol.298）上发表文章，提出采用微波钻（Microwave Drill）对陶瓷、玻璃等非导电材料进行钻孔加工，其原理是利用微波天线定向加热陶瓷，使陶瓷材料被加工区局部熔融，然后将微波天线插入熔融区成型形成孔洞。受该思想的启发，本研究项目将微波钻方法扩展到车、铣、刨等其它机加工方式，用车刀、铣刀或刨刀代替微波天线，在陶瓷材料加工过程中，刀具与工件接触准备切削的同时微波电磁能量通过刀具天线定向到被加工区实施加热，并将温度控制在陶瓷熔点之下，只要陶瓷被加工区局部能发生从脆性断裂到塑性变形的转变而不是熔融，就能用传统的剪切切削原理进行切削。该方法将加热与切削装置合为一体。此外，即使在加工中产生了微裂纹或应力，也会因微波对陶瓷材料的退火作用而消除，即微波切削与微波退火能同时发生作用。 微波塑性切削与等离子弧、激光、氧乙炔焰加热切削存在很大的不同。等离子弧、激光、氧乙炔焰加热切削是利用玻耳兹曼热效应，即通过提高陶瓷加工区局部温度，使陶瓷局部原子的活动能力增强，产生滑移来提高塑性；微波塑性切削则是利用交变的微波电磁能量与陶瓷材料原子、分子相互碰撞、摩擦，产生滑移来提高塑性，热量只是微波与陶瓷材料相互作用的副产品。因此，如能提高微波与陶瓷材料的相互作用使加工区塑性化，同时避免产生大量热量，将有可能实现低温塑性切削。由于传统的等离子弧、激光、氧乙炔焰加热装置与刀具分离，加热区与刀具相互影响，且因切屑影响加热效果，需用气体吹屑，从而影响加热的均匀性和效率；而微波加热可以形成微波天线与刀具一体化，局部加热区与切削区一致，从而可能提高加热效率。此外，等离子弧、激光、氧乙炔焰加热能促使陶瓷材料晶粒长大，造成加工表面粗糙度变大；而从微波烧结中得知，微波加热能抑制晶粒异常生长，因此加工后表面质量较好。而且微波加热装置比等离子弧、激光、氧乙炔焰加热装置便宜得多。 综上所述，采用微波加热切削可望成为一种新的陶瓷加工方法，可望解决等离子弧、激光、氧乙炔焰加热切削热应力大、价格昂贵等问题，并可望通过微波退火提高加工表面质量，从而实现高效率、高质量、低成本加工陶瓷材料的目标。 除了陶瓷材料以外，半导体材料（如硅、砷化镓等）、粉末金属烧结材料（如新型烧结钢）、金属间化合物（如Fe3Al等）也属于硬脆性材料，也存在难加工的问题，其加工困难与陶瓷加工类似，存在许多共性。因此，本项目的研究除了可为陶瓷加工提供新理论、新方法外，还可推广应用于其它硬脆材料如半导体材料、粉末金属烧结材料、金属间化合物等加工问题的解决。 3 微波塑性切削陶瓷研究工作概况 我们开发了用于陶瓷切削的微波的产生、传输、定向、天线与刀具一体化以及加工中温度和切削力测量等实验装置。微波电路部分主要由连续波工作控制电路、脉冲调制波工作控制电路、微波调制器、微波振荡器、微波输出电缆、天线以及供电电源等组成。 微波源采用2.45GHz可调功率的磁控管，其振荡受微波调制器调制，产生连续的或脉冲调制的微波振荡功率，经过E-H调谐器进行阻抗匹配，通过波导连接到同轴天线上。同轴天线的内导体做成车刀的形状，通过优化设计天线结构，形成能量较集中、强度较均匀的微波辐射到工件加工区实施加热。通过反射板发射和天线定向作用，提高控制微波方向性的能力，将微波对操作者的辐射控制在安全标准以内。 整个微波装置采用冷却水管散热，保障微波装置的充分散热和可靠工作。在陶瓷材料加工过程中，刀具与工件接触准备切削前，微波电磁能量通过刀具天线定向到被加工区实施预热，当加工区温度达到加工区陶瓷材料局部发生从脆性断裂到塑性变形的转变而不是熔融时，即可将刀具切入陶瓷材料实施切削，在切削的同时，刀具的热影响区对待加工区实施预热，并对已加工区实施退火。 切削力通过三轴测力平台进行测量。切削温度通过高温仪进行测量。由计算机对瞬时温度进行精确控制，通过调节微波功率强度来防止陶瓷的局部熔融，实现稳定的塑性切削。 由于微波与陶瓷材料相互作用，使得切削时工艺参数的选取会发生一些变化。通过研究微波刀具的材料和几何尺寸（如前角、后角等），选取适合陶瓷材料切削的刀具参数。如果刀具材料是导电体，则可直接做成天线的内导体；如果刀具材料是绝缘体，则需在刀柄部分镀金属膜以形成导体。由于切削力集中于刀具刃口附近，为了保护刀刃，应提高刀头强度，选取较小的正值前角、后角及刃倾角；为了改善加工表面粗糙度，在刃磨刀具时应选取较小的正值主偏角、副偏角和较大的刀尖圆弧半径。运用正交工艺试验原理，筛选出优化的车削用量参数，以提高生产率和刀具耐用度，保证工件加工质量。根据切屑形状分析不同微波能量下陶瓷材料从脆性到塑性的转变规律；在陶瓷材料塑性状态下，研究不同加工参数如切深、进给率等的塑性切削规律。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/28/2008)