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陶瓷材料微波輔助塑性切削技術綜述
作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:93
陶瓷是最重要的無機非金屬材料之一。與金屬或有機高分子材料相比,陶瓷具有密度小、硬度高、絕緣性能好、耐熱、耐磨損、耐腐蝕等優良性能以及磁、光、電、聲等特性,在國民經濟各領域中得到了廣泛應用。但是,傳統的陶瓷制備工藝還難以完全滿足精密零件的加工精度要求,必須通過后續再加工才能達到工程應用所要求的尺寸精度和表面質量要求。由于陶瓷具有硬、脆特性,致使其加工工藝性極差,是典型的難加工材料。加工難度大嚴重阻礙了具有優良使用性能的陶瓷材料在眾多領域的推廣應用。 本研究項目提出一種新的陶瓷塑性切削機理,并建立了試驗系統。如項目研究成功,將提供一種新的陶瓷材料加工方法,同時也有助于半導體材料、粉末金屬燒結材料、金屬間化合物等硬脆難加工材料加工問題的解決。 2國內外陶瓷材料加工方法研究概況 目前,對陶瓷材料的加工方法可分為采用傳統金屬切削原理的微小切深加工和采用光、電、聲、化學、離子弧等能量的特種加工。 1987年Kiso等應用多晶金剛石刀具對Al2O3和Si3N4陶瓷進行車削加工,由于加工中刀具作用于陶瓷材料時產生了很多不規則裂紋以及刀具嚴重磨損,致使加工表面很粗糙;加工結果顯示,陶瓷材料是通過脆性斷裂而不是剪切變形被去除的。1990年Nakasuji等發現,當切深極其微小時,脆性材料的加工去除機理可能發生從切深較大時的脆性斷裂去除向塑性剪切去除的轉變,即脆性材料可以通過塑性剪切方式去除;通過用金剛石刀具對脆性陶瓷材料進行微量車削實驗,獲得了近似鏡面的加工表面。 磨削是應用最多的陶瓷材料加工方法。與陶瓷的車削加工類似,當切深較大時,陶瓷材料是通過脆性斷裂去除的,在已磨削表面常常有裂紋存在于亞表層。1987年Ito等發現當切深及其微小時,陶瓷材料去除時可能發生塑性流動,在此工藝條件下磨削時,已磨削表面沒有產生裂紋。 雖然采用金剛石微小切深的車削或磨削可獲得良好的表面質量,但材料去除效率低,刀具磨損大,使陶瓷材料的加工成本大大提高,占到陶瓷工件總成本的30%~60%(有時甚至高達90%)。另外,由車削或磨削產生的表面/亞表面損傷可能使陶瓷工件強度下降,性能降低。1997年Mochida等報道,陶瓷在高速磨削后強度下降了10%~20%。 陶瓷材料的特種加工方法包括超聲加工、電火花加工、化學輔助加工、激光加工、水噴射加工、等離子弧加工、聲發射微粒加工以及上述方法的組合加工等。這些特種加工手段極大地豐富了陶瓷材料的加工方法,促進了陶瓷材料在工程中的應用。但是,這些特種加工方法仍然存在材料去除效率低、加工成本高等問題。 盡管目前已經開發出多種陶瓷加工方法,但低效率、高成本這一具有共性的缺點已經嚴重阻礙了陶瓷材料的廣泛應用。因此,開發高效率、低成本的陶瓷加工新技術有著十分重要的意義。 采用較大切深(相對于以前的微小切深而言)的陶瓷切削技術是實現高效率、低成本加工的一條有效途徑。陶瓷材料的較大切深切削加工具有加工效率高、成本低的優點,如果能實現該技術的實用化,必將大大加快陶瓷材料在工業領域推廣應用的步伐。但是,以延性金屬為加工對象的傳統金屬切削理論已不適用于硬脆材料的加工,必須研究硬脆材料的切削機理及規律,尋求新的合適的較大切深切削方法。 從切削理論可知,一個典型的完整切屑的形成必須經過彈性變形、滑移和切離等幾個階段?;剖撬苄宰冃蔚幕拘问?,說明完整的切屑是在塑性狀態下形成的。形成完整的切屑時,工件的表面較完整、光潔,無明顯裂紋。而對于硬脆性材料(如工程陶瓷、光學玻璃等),采用傳統加工技術及金屬加工的工藝參數進行加工時,只會導致脆性去除而沒有顯著的塑性變形,在超過強度極限的切削力作用下,材料會發生脆性斷裂??梢?,只要能實現在塑性狀態下切削,就能減少或消除工件表面裂紋,切制出完整的表面,采用金剛石微小切深的車削或磨削可獲得良好的表面質量就是一個好的例證。使脆性材料形成塑性變形,這正是解決陶瓷材料切削問題的切入點。塑性與脆性并非是絕對的,在一定的條件下(如微小切深)是可以相互轉化的。因此,切削陶瓷材料的關鍵是尋找脆性向塑性轉化的條件并促使其轉化,使脆性材料在塑性狀態下完成切削。 溫度對材料的塑性影響很大,一般情況下,陶瓷材料原子的活動能力隨著溫度的上升而增強,易于產生滑移,塑性提高。因此可通過對陶瓷材料加熱,使其在塑性狀態下切削。 早在1950年左右,Schmit、Armstrong和Krabacher就進行了加溫切削的研究,并報道了隨著材料溫度的升高,材料剪切強度會降低,從而在切削時使切削力減小,刀具壽命增加。1966年Barrow利用電流加熱技術(electriccurrentheatingtechnique)在加工變形區域產生高溫,并觀察到材料強度降低會延長刀具壽命,而刀具與切屑界面溫度升高則會縮短刀具壽命,因此應對溫度和切削工藝參數進行優化以提高刀具壽命。1986年Uehara和Takeshita通過氧乙炔焰加熱Si3N4陶瓷材料,在高溫狀態下實施切削,產生了連續切屑,但表面質量較差。隨后,為了提高加熱效益,等離子弧和激光加熱被引入陶瓷材料加熱切削中。1990年Kitagawa和Mackawa采用等離子弧加熱切削玻璃和莫來石、Si3N4、氧化鋁、氧化鋯等工程陶瓷,在Si3N4陶瓷車削實驗中,當溫度達到1050℃時,切削力降低,形成連續切屑,刀具磨損減小,但表面存在缺陷。1995年,Westkamper等利用激光加熱對Si3N4陶瓷進行磨削實驗,獲得了高于常溫磨削的材料去除率。1998年Rozzi等對激光加熱Si3N4陶瓷時加工區的溫度場分布進行了仿真和實驗論證。2000年Rozzi等利用激光加熱對Si3N4陶瓷進行車削實驗,將Si3N4陶瓷加熱至1151~1330℃范圍內進行切削試驗;在1151℃以下溫度范圍內切削時為脆性斷裂切削;當溫度升高到1151℃以上時,切屑逐漸變為半連續形態;當溫度達到1330℃時,切屑成為連續形態,呈現出塑性變形切削狀態;但高的溫度梯度影響了表面質量和強度。2004年Rebro等利用激光加熱對莫來石進行車削實驗,通過漸進升溫方法來消除溫度梯度,從而消除熱應力,但效果不明顯。 國內也有從事陶瓷材料加熱切削研究的報道,例如:哈爾濱工業大學王揚教授對Si3N4、ZrO2陶瓷的激光加熱輔助車削做了非常有意義的工作,他運用材料學中的位錯理論闡釋了激光加熱輔助車削的作用機理,利用有限元分析方法建立了陶瓷材料加熱后表面溫度場的物理、數學模型。華中科技大學在陶瓷和復合材料的激光加熱輔助切削方面作了初步工作。上海交通大學的阮雪榆教授、華南理工大學的葉邦彥教授、南京航空航天大學、廣西工學院、沈陽航空學院等對工件的激光或等離子弧加熱輔助切削進行了相關研究。 對以上國內外陶瓷加熱切削實驗進行分析后可知,由于等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱時熱量的傳遞是由表及里,熱量要通過陶瓷導熱才能到達陶瓷材料內部,但大部分陶瓷的導熱系數很低,從而在材料的被加工區會形成很大的溫度梯度,易產生大的熱應力,導致亞表層損傷,材料強度降低。在加工過程中產生的切屑也會妨礙陶瓷表面吸收熱量。此外,等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱設備昂貴、技術復雜,這也是近年來陶瓷等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱塑性切削技術僅局限于實驗室研究而難以在生產實踐中推廣應用的原因。因此,尋求低成本的均勻加熱技術就成為陶瓷加熱塑性切削技術實用化的關鍵。 微波是一種頻率范圍300MHz~3000GHz的電磁波。作為一種新型能源,微波電磁能量能穿透介質材料,傳送到有耗物質的內部,并與物體的原子、分子互相碰撞、摩擦,從而使物體發熱。由于微波加熱具有內外同熱、熱應力小、效率高、加熱速度快、成本低、具有選擇性等特點,因此被日益廣泛地應用于農作物干燥與烘烤、陶瓷燒結與焊接、化學合成與消解、刻蝕鍍膜、手術殺菌、材料改性等方面。例如:微波手術刀、微波手術鉗是將微波能量應用于外科手術的一種新型醫療器械,即將微波功率源通過傳輸線與手術刀具相連,使微波能量經傳輸線沿刀具進入人體手術部位,切開人體組織和止血;微波手術刀具是將微波同軸天線的內導體適當延長,根據手術需要制成一定形狀的刀具,微波手術刀、手術鉗具有止血效果好、刀口不碳化、滅菌、防止手術感染等特點,且刀具體積小,操作靈活,特別適合腫瘤切除、器官修補、各部位止血等外科手術。 特別需要強調的是,以色列的E.Jerby等在著名的《SCIENCE》雜志(18October2002,Vol.298)上發表文章,提出采用微波鉆(MicrowaveDrill)對陶瓷、玻璃等非導電材料進行鉆孔加工,其原理是利用微波天線定向加熱陶瓷,使陶瓷材料被加工區局部熔融,然后將微波天線插入熔融區成型形成孔洞。受該思想的啟發,本研究項目將微波鉆方法擴展到車、銑、刨等其它機加工方式,用車刀、銑刀或刨刀代替微波天線,在陶瓷材料加工過程中,刀具與工件接觸準備切削的同時微波電磁能量通過刀具天線定向到被加工區實施加熱,并將溫度控制在陶瓷熔點之下,只要陶瓷被加工區局部能發生從脆性斷裂到塑性變形的轉變而不是熔融,就能用傳統的剪切切削原理進行切削。該方法將加熱與切削裝置合為一體。此外,即使在加工中產生了微裂紋或應力,也會因微波對陶瓷材料的退火作用而消除,即微波切削與微波退火能同時發生作用。 微波塑性切削與等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱切削存在很大的不同。等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱切削是利用玻耳茲曼熱效應,即通過提高陶瓷加工區局部溫度,使陶瓷局部原子的活動能力增強,產生滑移來提高塑性;微波塑性切削則是利用交變的微波電磁能量與陶瓷材料原子、分子相互碰撞、摩擦,產生滑移來提高塑性,熱量只是微波與陶瓷材料相互作用的副產品。因此,如能提高微波與陶瓷材料的相互作用使加工區塑性化,同時避免產生大量熱量,將有可能實現低溫塑性切削。由于傳統的等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱裝置與刀具分離,加熱區與刀具相互影響,且因切屑影響加熱效果,需用氣體吹屑,從而影響加熱的均勻性和效率;而微波加熱可以形成微波天線與刀具一體化,局部加熱區與切削區一致,從而可能提高加熱效率。此外,等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱能促使陶瓷材料晶粒長大,造成加工表面粗糙度變大;而從微波燒結中得知,微波加熱能抑制晶粒異常生長,因此加工后表面質量較好。而且微波加熱裝置比等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱裝置便宜得多。 綜上所述,采用微波加熱切削可望成為一種新的陶瓷加工方法,可望解決等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱切削熱應力大、價格昂貴等問題,并可望通過微波退火提高加工表面質量,從而實現高效率、高質量、低成本加工陶瓷材料的目標。 除了陶瓷材料以外,半導體材料(如硅、砷化鎵等)、粉末金屬燒結材料(如新型燒結鋼)、金屬間化合物(如Fe3Al等)也屬于硬脆性材料,也存在難加工的問題,其加工困難與陶瓷加工類似,存在許多共性。因此,本項目的研究除了可為陶瓷加工提供新理論、新方法外,還可推廣應用于其它硬脆材料如半導體材料、粉末金屬燒結材料、金屬間化合物等加工問題的解決。 3微波塑性切削陶瓷研究工作概況 我們開發了用于陶瓷切削的微波的產生、傳輸、定向、天線與刀具一體化以及加工中溫度和切削力測量等實驗裝置。微波電路部分主要由連續波工作控制電路、脈沖調制波工作控制電路、微波調制器、微波振蕩器、微波輸出電纜、天線以及供電電源等組成。 微波源采用2.45GHz可調功率的磁控管,其振蕩受微波調制器調制,產生連續的或脈沖調制的微波振蕩功率,經過E-H調諧器進行阻抗匹配,通過波導連接到同軸天線上。同軸天線的內導體做成車刀的形狀,通過優化設計天線結構,形成能量較集中、強度較均勻的微波輻射到工件加工區實施加熱。通過反射板發射和天線定向作用,提高控制微波方向性的能力,將微波對操作者的輻射控制在安全標準以內。 整個微波裝置采用冷卻水管散熱,保障微波裝置的充分散熱和可靠工作。在陶瓷材料加工過程中,刀具與工件接觸準備切削前,微波電磁能量通過刀具天線定向到被加工區實施預熱,當加工區溫度達到加工區陶瓷材料局部發生從脆性斷裂到塑性變形的轉變而不是熔融時,即可將刀具切入陶瓷材料實施切削,在切削的同時,刀具的熱影響區對待加工區實施預熱,并對已加工區實施退火。 切削力通過三軸測力平臺進行測量。切削溫度通過高溫儀進行測量。由計算機對瞬時溫度進行精確控制,通過調節微波功率強度來防止陶瓷的局部熔融,實現穩定的塑性切削。 由于微波與陶瓷材料相互作用,使得切削時工藝參數的選取會發生一些變化。通過研究微波刀具的材料和幾何尺寸(如前角、后角等),選取適合陶瓷材料切削的刀具參數。如果刀具材料是導電體,則可直接做成天線的內導體;如果刀具材料是絕緣體,則需在刀柄部分鍍金屬膜以形成導體。由于切削力集中于刀具刃口附近,為了保護刀刃,應提高刀頭強度,選取較小的正值前角、后角及刃傾角;為了改善加工表面粗糙度,在刃磨刀具時應選取較小的正值主偏角、副偏角和較大的刀尖圓弧半徑。運用正交工藝試驗原理,篩選出優化的車削用量參數,以提高生產率和刀具耐用度,保證工件加工質量。根據切屑形狀分析不同微波能量下陶瓷材料從脆性到塑性的轉變規律;在陶瓷材料塑性狀態下,研究不同加工參數如切深、進給率等的塑性切削規律。
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