工程陶瓷培訓(xùn)講座PPT

1、工程陶瓷工程陶瓷 認(rèn)識(shí)工程陶瓷認(rèn)識(shí)工程陶瓷 工程陶瓷傳統(tǒng)加工工程陶瓷傳統(tǒng)加工 工程陶瓷加工機(jī)理工程陶瓷加工機(jī)理 工程陶瓷特種加工工程陶瓷特種加工 工程陶瓷展望工程陶瓷展望 認(rèn)識(shí)工程陶瓷認(rèn)識(shí)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 成的無機(jī)粉狀物料，經(jīng)過成的無機(jī)粉狀物料，經(jīng)過 成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的 一種多相固體材料一種多相固體材料。 工程陶瓷工程陶瓷主要包括金屬與主要包括金屬與 硼，碳，硅，氮，氧等非硼，碳，硅，氮，氧等非 金屬元素組成的化合物，金屬元素組成的化合物， 以及非金屬元素所組成的以及非金屬元素所組

2、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。它與金屬材物和氮化物。它與金屬材 料，高分子材料并稱三大料，高分子材料并稱三大 固體材料。固體材料。 l工程陶瓷工程陶瓷材料制造與構(gòu)件的制材料制造與構(gòu)件的制 造造基本上是同一過程?；旧鲜峭贿^程。 l基本的陶瓷基本的陶瓷成型工藝成型工藝有兩種有兩種: : 第一種是用細(xì)顆粒陶瓷原料第一種是用細(xì)顆粒陶瓷原料, , 加上粘結(jié)劑加上粘結(jié)劑, ,成型成型, ,然后高溫?zé)缓蟾邷責(zé)?結(jié)成所需的制品結(jié)成所需的制品; ; 第二種基本工藝方法是將原第二種基本工藝方法是將原 料熔融成液體料熔融成液體, ,然后在冷卻和然后在冷卻和 固化時(shí)成型固化時(shí)成

3、型。 工程陶瓷工程陶瓷優(yōu)勢優(yōu)勢： 高溫強(qiáng)度突出。高溫強(qiáng)度突出。 耐磨性能優(yōu)越。耐磨性能優(yōu)越。 隔熱性能好。隔熱性能好。 密度低質(zhì)量輕。密度低質(zhì)量輕。 防腐性能佳。防腐性能佳。 缺點(diǎn)缺點(diǎn): :脆硬難加功脆硬難加功 機(jī)械機(jī)械 軍工軍工 化工化工 航天等航天等 應(yīng)用應(yīng)用 工程陶瓷傳統(tǒng)加工工程陶瓷傳統(tǒng)加工 1) 1) 車削車削加工主要是用金剛石刀具切削高硬度、高耐磨性加工主要是用金剛石刀具切削高硬度、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剛石、立方氮化硼硬質(zhì)合金鋼等超加工是利用金剛石、立方氮化硼硬質(zhì)合金鋼等超 硬刀具對(duì)陶瓷材料進(jìn)行平面加工，通常采用濕法切削，即硬刀具對(duì)陶瓷

4、材料進(jìn)行平面加工，通常采用濕法切削，即 不間斷向刀具噴射切削液。不間斷向刀具噴射切削液。 3) 3) 磨削磨削加工是目前已有加工方法中應(yīng)用最多的一種加工是目前已有加工方法中應(yīng)用最多的一種 。 4) 4) 陶瓷材料的陶瓷材料的鉆孔鉆孔。 工程陶瓷加工機(jī)理工程陶瓷加工機(jī)理 裂紋的生成裂紋的生成 材料的去除材料的去除 裂紋的擴(kuò)展裂紋的擴(kuò)展 基本方法：應(yīng)用力學(xué)分析理論研究方法和試驗(yàn)研究方法基本方法：應(yīng)用力學(xué)分析理論研究方法和試驗(yàn)研究方法 1，切削加工切削加工 切削厚度小時(shí)，切削應(yīng)力場中刀具前下方的拉應(yīng)力低于陶切削厚度小時(shí)，切削應(yīng)力場中刀具前下方的拉應(yīng)力低于陶 瓷材料抗拉強(qiáng)度，在初始裂紋產(chǎn)生之前，材料局

5、部去除已瓷材料抗拉強(qiáng)度，在初始裂紋產(chǎn)生之前，材料局部去除已 經(jīng)開始，陶瓷材料以微裂紋擴(kuò)展形式去除，陶瓷材料的已經(jīng)開始，陶瓷材料以微裂紋擴(kuò)展形式去除，陶瓷材料的已 加工表面質(zhì)量較好。加工表面質(zhì)量較好。 當(dāng)切削厚度較大時(shí)，初始裂紋將沿前下方擴(kuò)展，很難擴(kuò)展當(dāng)切削厚度較大時(shí)，初始裂紋將沿前下方擴(kuò)展，很難擴(kuò)展 到自由表面，在已加工表面留下切削裂紋和凹坑，影響陶到自由表面，在已加工表面留下切削裂紋和凹坑，影響陶 瓷材料強(qiáng)度和表面質(zhì)量。瓷材料強(qiáng)度和表面質(zhì)量。 實(shí)現(xiàn)塑性切削條件：刀具前角，材料性能，材料種類，背實(shí)現(xiàn)塑性切削條件：刀具前角，材料性能，材料種類，背 吃到量，切削速度。吃到量，切削速度。 壓痕斷裂學(xué)

6、模型：壓痕斷裂學(xué)模型： 1 1，壓痕應(yīng)力場，壓痕應(yīng)力場 2 2，壓痕裂紋的成核，壓痕裂紋的成核 3 3，壓痕裂紋的生長，壓痕裂紋的生長 2 2，磨削加工，磨削加工 陶瓷材料在加載情況下陶瓷材料在加載情況下 會(huì)長生徑向裂紋和中位會(huì)長生徑向裂紋和中位 裂紋隨著載荷的去除，裂紋隨著載荷的去除， 裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而 生成中位生成中位/ /徑向裂紋系徑向裂紋系 統(tǒng)，并在殘余應(yīng)力作用統(tǒng)，并在殘余應(yīng)力作用 下產(chǎn)生徑向裂紋。下產(chǎn)生徑向裂紋。 其中中位裂紋降低強(qiáng)度，其中中位裂紋降低強(qiáng)度， 側(cè)向裂紋引起材料脆性去側(cè)向裂紋引起材料脆性去 除。因此研究可以控制不除。因此研究可以控制不 產(chǎn)生中位裂

7、紋，達(dá)到脆性產(chǎn)生中位裂紋，達(dá)到脆性 去除。還可以不產(chǎn)生橫向去除。還可以不產(chǎn)生橫向 裂紋，從而達(dá)到塑性去除裂紋，從而達(dá)到塑性去除 。 加工觀察法加工觀察法是包括是包括 磨削力測量，以及磨削力測量，以及 對(duì)表面形態(tài)和磨削對(duì)表面形態(tài)和磨削 的顯微觀察在內(nèi)部的顯微觀察在內(nèi)部 的通用磨削機(jī)理研的通用磨削機(jī)理研 究方法。如磨削，究方法。如磨削， 劃痕與磨削表面的劃痕與磨削表面的 顯微鏡觀察，塑性顯微鏡觀察，塑性 流動(dòng)引起的材料去流動(dòng)引起的材料去 除，比磨削能除，比磨削能。 關(guān)于磨削對(duì)工程陶瓷材料去除機(jī)理的解釋有很多如：關(guān)于磨削對(duì)工程陶瓷材料去除機(jī)理的解釋有很多如：破碎破碎 去除機(jī)理，延性域磨削，粉末化去去

8、除機(jī)理，延性域磨削，粉末化去除等。但除等。但塑性變形和脆塑性變形和脆 性斷裂性斷裂是形成材料去除的主要原因。為了實(shí)現(xiàn)是形成材料去除的主要原因。為了實(shí)現(xiàn)塑性和納米塑性和納米 加工，加工，日本日本正在開發(fā)超微磨料砂輪制造技術(shù)，改進(jìn)或設(shè)計(jì)正在開發(fā)超微磨料砂輪制造技術(shù)，改進(jìn)或設(shè)計(jì) 已有的精密機(jī)床，并對(duì)各種工程陶瓷進(jìn)行塑性加工的實(shí)驗(yàn)已有的精密機(jī)床，并對(duì)各種工程陶瓷進(jìn)行塑性加工的實(shí)驗(yàn) ；德國德國主要致力于塑性加工機(jī)理和先進(jìn)陶瓷加工工藝的實(shí)主要致力于塑性加工機(jī)理和先進(jìn)陶瓷加工工藝的實(shí) 驗(yàn)研究；驗(yàn)研究；英國英國側(cè)重于開發(fā)新穎、經(jīng)濟(jì)的超精密塑性加工機(jī)側(cè)重于開發(fā)新穎、經(jīng)濟(jì)的超精密塑性加工機(jī) 床；床；美國美國主要側(cè)

9、重于半導(dǎo)體和電子元件的塑性加工。近年主要側(cè)重于半導(dǎo)體和電子元件的塑性加工。近年 來高效磨削加工、來高效磨削加工、elid elid 磨削加工、塑性域磨削加工、超聲磨削加工、塑性域磨削加工、超聲 磨削加工等磨削加工方式的出現(xiàn)，解決了工程陶瓷材料磨磨削加工等磨削加工方式的出現(xiàn)，解決了工程陶瓷材料磨 削加工中的諸多難題，并為其廣泛應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工削加工中的諸多難題，并為其廣泛應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工 藝支持。藝支持。 工程陶瓷特種加工工程陶瓷特種加工 激光加工激光加工 激光加工是利用高能量密度的均勻激光束作為熱源，在加工陶激光加工是利用高能量密度的均勻激光束作為熱源，在加工陶 瓷材料表面局部點(diǎn)產(chǎn)生瞬

10、時(shí)高溫，局部點(diǎn)熔融或汽化而去除材料。瓷材料表面局部點(diǎn)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，局部點(diǎn)熔融或汽化而去除材料。 湖南大學(xué)李立鈞湖南大學(xué)李立鈞等人研制出適宜切割以工程陶瓷為代表的硬脆材等人研制出適宜切割以工程陶瓷為代表的硬脆材 料的機(jī)械式調(diào)料的機(jī)械式調(diào) q q 脈沖脈沖 co2co2激光器，激光器， 獲得無裂紋的精細(xì)切口。激光打獲得無裂紋的精細(xì)切口。激光打 孔研究方面，孔研究方面， 德國柏林德國柏林的一家科研機(jī)構(gòu)運(yùn)用光調(diào)的一家科研機(jī)構(gòu)運(yùn)用光調(diào) 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，無微裂紋和毛刺。小孔，無微裂紋和毛刺。我國我國科研人員用科研人員用激光打孔激光打孔

11、也也 相當(dāng)成功，相當(dāng)成功， 最小孔徑可達(dá)到最小孔徑可達(dá)到6m6m，深度，深度 10 mm10 mm，而且孔的圓度也，而且孔的圓度也 較理想。較理想。 激光輔助加工激光輔助加工 激光瞬時(shí)加熱陶瓷局部表面使之軟化再用刀具切削，激光瞬時(shí)加熱陶瓷局部表面使之軟化再用刀具切削， 從而獲得連續(xù)切屑并從而獲得連續(xù)切屑并 降低切削力降低切削力 。 近年來，美國近年來，美國賓夕法尼亞大學(xué)賓夕法尼亞大學(xué)對(duì)在對(duì)在 co2co2激光作用下幾種結(jié)構(gòu)陶瓷激光作用下幾種結(jié)構(gòu)陶瓷 材料的吸熱性能進(jìn)行了研究，材料的吸熱性能進(jìn)行了研究， 愛荷華州州立大學(xué)愛荷華州州立大學(xué)對(duì)激光加熱輔助車對(duì)激光加熱輔助車 削削 si3n4si3n4

12、溫度場完成了數(shù)值模擬，溫度場完成了數(shù)值模擬， 日本千葉工藝研究所日本千葉工藝研究所對(duì)樹脂陶瓷對(duì)樹脂陶瓷 材料的激光加工機(jī)理進(jìn)行了研究，材料的激光加工機(jī)理進(jìn)行了研究， 德國的斯圖加特大學(xué)德國的斯圖加特大學(xué)運(yùn)用運(yùn)用 yagyag激激 光對(duì)玻璃進(jìn)行了加熱試驗(yàn)研究，光對(duì)玻璃進(jìn)行了加熱試驗(yàn)研究， 俄羅斯科學(xué)院俄羅斯科學(xué)院對(duì)激光加熱輔助切削對(duì)激光加熱輔助切削 氧化物陶瓷工件的表面溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)測量，并對(duì)工藝控制做了實(shí)驗(yàn)氧化物陶瓷工件的表面溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)測量，并對(duì)工藝控制做了實(shí)驗(yàn) 研究。國內(nèi)哈爾研究。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)濱工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)湖南大學(xué)、華中科技大學(xué)華中科技大學(xué)、上海交通大、上海交通大 學(xué)等單位分

13、別從不同的角度進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。學(xué)等單位分別從不同的角度進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。 電火花加工電火花加工 又稱作電蝕加工或放電加工，又稱作電蝕加工或放電加工， 是利用工具電極和工件電是利用工具電極和工件電 極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕現(xiàn)象對(duì)材料進(jìn)行加工的一種無極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕現(xiàn)象對(duì)材料進(jìn)行加工的一種無 接觸式精細(xì)熱加工技術(shù)。接觸式精細(xì)熱加工技術(shù)。 超聲波加工超聲波加工 超聲波加工是利用產(chǎn)生超聲振動(dòng)的工具超聲波加工是利用產(chǎn)生超聲振動(dòng)的工具 ，帶動(dòng)工具和陶，帶動(dòng)工具和陶 瓷元件間的磨料懸浮液，沖擊和拋磨元件進(jìn)行加工。瓷元件間的磨料懸浮液，沖擊和拋磨元件進(jìn)行加工。東京東京 大學(xué)大

14、學(xué)的增澤隆久等人在的增澤隆久等人在 1996 1996 年用超聲激振方式在結(jié)構(gòu)陶年用超聲激振方式在結(jié)構(gòu)陶 瓷材料上加工出了直徑最小為瓷材料上加工出了直徑最小為 5m 5m 的微孔。美國的的微孔。美國的 rajurkar rajurkar 和和 ghahra-manighahra-mani 等人分別研究了超聲加工陶瓷等人分別研究了超聲加工陶瓷 材料的微觀去除機(jī)理，材料的微觀去除機(jī)理， 存在一臨界間距存在一臨界間距, ,工具在這一位置工具在這一位置 加工具有高的加工效率加工具有高的加工效率; ; kansasstate kansasstate 大學(xué)大學(xué)的的 li li 等人進(jìn)等人進(jìn) 行了旋轉(zhuǎn)超聲加

15、工行了旋轉(zhuǎn)超聲加工 al203al203陶瓷的試驗(yàn)研究陶瓷的試驗(yàn)研究; ; 微波加工微波加工 微波電磁能量能穿透介質(zhì)材料，傳送到有耗物質(zhì)的內(nèi)部，微波電磁能量能穿透介質(zhì)材料，傳送到有耗物質(zhì)的內(nèi)部， 并與物體的原子、分子互相碰撞、摩擦，從而使物體發(fā)熱并與物體的原子、分子互相碰撞、摩擦，從而使物體發(fā)熱 、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雜志上發(fā)表文章，率先提出采用微波雜志上發(fā)表文章，率先提出采用微波 鉆對(duì)陶瓷、玻璃等非導(dǎo)電材料進(jìn)行鉆孔加工，。受它啟發(fā)鉆對(duì)陶瓷、玻璃等非導(dǎo)電材料進(jìn)行鉆孔加工，。受它啟發(fā) ，華中科技大學(xué)汪學(xué)方華中科技大學(xué)汪學(xué)方等人將微波鉆方法擴(kuò)展到車、銑、等人將微波鉆方法擴(kuò)展到車、銑、