SiC陶瓷的磨削加工工艺研究

摘 要：sic陶瓷以其优异的性能得到广泛的应用，但是其难以加工的缺点限制了应用范围。本文对磨削方法加工SiC陶瓷的工艺参数进行了探讨，其最佳工艺参数为组合：粒度w40#、砂轮线速度25.9m/s、磨削深度0.005mm、工件转速30r/min，所使用刀具为金刚石刀具。

关键词：超硬陶瓷SiC 磨削

1引言

随着超硬陶瓷材料的广泛应用，人们对其的加工越来越关注。由于超硬陶瓷材料通过经烧结方法制备的，不能直接作为机械零件使用，必须经过机械加工才能满足零件尺寸要求。陶瓷材料的加工方法主要包括：

(1)超声波加工

利用产生超声振动的工具(模具)，带动工具和陶瓷元件间的磨料悬浮液，冲击和抛磨工件进行加工[1]。随着工具在三维方向上的进给，工具端部的形状被逐步复制在陶瓷工件上。常用的磨料是碳化硼、碳化硅和氧化铝等。一般选用的工作液为水，为提高材料表面的加工质量，也可用煤油或机油作液体介质。用金刚石砂轮作超声波振动磨削陶瓷材料时，材料的去除速率随加工强度的增大而增高，只有达到某一临界压强时，磨料对陶瓷材料才有磨削作用。

(2)激光烧蚀加工

激光的能量直接作用于结构陶瓷材料局部表面，产生的瞬时高温足以使局部点熔融或汽化而去除[2]。美国南加州大学的Copley等研究了Si3N4陶瓷材料在激光加工过程中的物理化学变化，发现Si3N4陶瓷加工后表面微裂纹密布，经测试分析后发现陶瓷并未熔融，而是直接汽化或升华，在此过程中分解为N2和Si单质，沉积在表面的Si与Si3N4热膨胀系数相差很大，因此激发出微裂纹,使强度损失30%～40%。所以激光烧蚀加工必须进行加工后处理。这种方法仅适合于微钻孔、微切割、制作微结构等用刀具切削很难实现的场合。

(3)电火花加工

近年来，包括TiB2陶瓷在内的许多高性能陶瓷具有导电特性，使得电火花加工成为可能。电火花加工主要是通过电极间放电产生高温熔化和汽化蚀除材料，材料的可加工性主要取决于材料的热学性质，如熔点、比热、导热系数等[3,4]。DrirD Fdraw研究表明，应用于金属的电火花加工理论对导电陶瓷却不适用，即材料去除率和加工表面粗糙度，不仅取决于物理加工参数，而且与材料本身有关。另据Lwanek研究表明，当陶瓷材料包含单相均质的陶瓷、金属及陶瓷复合材料的电阻低于100Ω(m时，可以有效地利用电火花技术加工陶瓷材料。

(4)机械加工

陶瓷材料的传统加工技术，也是应用范围最广的加工方法，机械加工方法包括车削、切割、磨削、钻孔等[5]。其工艺简单，加工效率高，但由于陶瓷材料的高硬、高脆，因此机械加工难以加工形状复杂、尺寸精度高、表面粗糙度低、高可靠性的工程陶瓷部件。磨削加工作为工程陶瓷的主要加工手段[6]。

自上世纪80年代来，国内外学者集中研究了陶瓷的磨削加工机理、加工工艺、加工设备、磨削力、磨削热、砂轮磨损及修整等问题，并提出了一些新的磨削加工工艺，研制了高效精密磨床和磨削中心，在陶瓷产品开发、应用以及提高加工效率，改善加工质量等方面取得了一定的研究成果。磨削加工效率用材料切除率-单位时间内磨除材料的体积来衡量。为提高磨削效率，德国ELB公司、日本学者市田良夫、Inasaki等相继提出、开发了高速磨削缓进给磨、One pass镜面磨削、恒压力磨削、高速深磨加工及高速往复磨削等高效磨削工艺。在一定程度上实现了工程陶瓷的高效加工，尤其是近年来提出的高速深切磨削,真正使磨削加工实现了高效优质的结合，被誉为磨削技术发展的高峰。

以上几种加工方法是陶瓷加工的主要方法，其中磨削是最广泛使用的方法。本文主要研究采用磨削工艺加工SiC陶瓷。

2 SiC陶瓷加工工艺研究

主要探讨磨削工艺参数与SiC陶瓷表面粗糙度的关系， 得出它们之间的影响关系，以便有效地控制磨削表面质量。

（1）刀具选择

对于数控加工中心，在加工前，初步选择两类刀具，一种是金刚石刀具，一种是立方氮化硼陶瓷刀具。经对SiC陶瓷加工实验后，结合加工设备和加工工艺，确定选用的刀具为金刚石刀具，可满足SiC陶瓷材料的加工。刀具照片如图1所示。

该刀具为SANDVIK产品系列，材质为金刚石，具体型号为R390-170408R-P6-NL，技术参数如下： fz=0.17 mm，vc=1860m/min。

对于磨削设备，加工SiC陶瓷则选择金刚石砂轮，其粒度为80#、120#和200#等，这主要取决于所磨SiC陶瓷的表面粗糙度要求。

（2）砂轮粒度对表面粗糙度的影响

砂轮粒度对SiC陶瓷表面粗糙度影响如图2所示。随着砂轮粒度从80#变化到w40#，SiC陶瓷表面的粗糙度降低。

因为随着砂轮粒度型号的增大，砂轮粒度变小。磨粒的密度加大，砂轮表面上磨粒凸出的高度减小，则磨削时同时参与磨削的磨粒有所增加， 有利于提高表面磨削质量，并且磨削过程中每个磨粒所受的磨削力减小，有利于增加SiC陶瓷的塑性磨削，提高表面质量。但当砂轮的粒度号增大到w40#时，粗糙度的变化趋势变小。

（3）砂轮线速度对表面粗糙度影响

砂轮线速度对SiC陶瓷表面粗糙度影响如图3所示。随着砂轮的线速度增大，SiC陶瓷表面的粗糙度降低。因为砂轮线速度增大时，单颗磨粒在单位时间内切削的厚度减小，单个磨粒作用在工件上时间变短， 砂轮表层凸出的磨粒的切削作用增强，划痕变浅。同时单位时间内单个磨粒与工件的接触次数增多， 磨粒与工件的接触时间也增长。在陶瓷表面与砂轮之间会产生高温，提高了材料的断裂韧性，增加了塑性变形，改善了表面粗糙度，提高了砂轮的磨削效率。

（4）磨削深度对表面粗糙度影响

磨削深度对SiC陶瓷表面粗糙度影响如图4所示。随着磨削深度的增加，SiC陶瓷表面的粗糙度变大。原因是增大磨削深度会使单颗磨粒未变形磨削厚度增大， 加大了磨粒对工件表面的划痕程度，表面粗糙度值增大。