梁新源

摘 要：作为最重要的非金属材料之一，陶瓷材料被广泛使用到各个行业中，其加工技术也日益受到人们的重视。本文就陶瓷材料的几种常见加工方式作了详细介绍，同时对它的现况和发展趋势进行了探究，以供参考。

关键词：陶瓷材料；可加工陶瓷；机械加工

引言

陶瓷材料是一种具有硬度高、熔点高、抗氧化、耐磨性高等特点的无机非金属材料，通过高温烧结人工合成形成。目前已被广泛用在机械制造、航空行业、石化行业、核工业、生物行业、医学等领域，也可作为功能材料使用。陶瓷材料种类繁多，大致上可以分为普通材料和特种材料两大类。前者由天然原材料烧结而成，具有易获得、成本低、技术成熟等特点；后者为人工合成化合物烧结而成。根据使用场合不同，特种材料又可分为工具陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷等。

在常温状态下，能够使用金属加工刀具和器械进行钻孔、车削、铣刨等加工，并能保持一定尺寸公差的一类陶瓷材料称为可加工陶瓷。

1.陶瓷材料的加工机理

陶瓷材料现有的加工方法主要有机械加工、化学加工、电加工、超声波加工、激光加工、高压磨料水射流加工以及各种复合加工等，其中，机械加工作为最传统的加工技术，被各行业广泛使用。

陶瓷材料的加工机理研究最开始是从理论和试验上研究陶瓷材料的压痕断裂现象。从上世纪70年代开始，各种压痕断裂理论取得了极大进展；在试验方面，研究人员通过电子、光学显微镜方法等研究陶瓷材料加工过程中裂纹的扩展情况，比较著名的有张壁等人的单金刚石磨粒的加工实验，进一步解释了陶瓷材料的去除机理。在此之后，对陶瓷加工机理的研究更偏向模拟的方法，例如有限元法，分子动力学，离散元法，人工神经网络方法等。

2.陶瓷机械加工技术

2.1陶瓷材料的车磨削加工技术

陶瓷材料的车磨削加工技术具有工艺简单，效率高优点，但陶瓷材料的硬度和脆度都远高于金属材料，因此难以加工成复杂形状，高精度尺度，低表面粗糙度的陶瓷工具。

考虑到以上几个加工难点，针对陶瓷材料进行压痕实验，结果显示如果有恰当的金刚石刀具切削参数和切削角度，也能够实现陶瓷材料的深度加工。李湘钒超精密车削陶瓷材料的实验、日本的原昭夫聚金刚石刀具车削实验都表明采用 W-Co 类硬质合金可以加工陶瓷零件。因此，刀具的选择至关重要，目前主要采用金刚石刀具，此外，刀具角度，切削液，如何优化切削速度、进给量等工艺参数，也对陶瓷材料车削加工影响巨大。

由于车削加工缺点造成其不能广泛用于加工陶瓷材料，而磨削能避免加工高硬材料的缺点，因此磨削成为加工陶瓷材料的主要手段。一般选用金刚石砂轮，其磨粒切入工件，其切削刃前方材料受到挤压，超过承受极限就会形成碎屑；磨粒下方材料会发生塑性流动，形成切屑，而切削会加重砂轮的磨损，导致加工效率降低。

在机械加工过程中，常常发生陶瓷材料的强度下降，影响材料的使用性能。例如，普通SiC陶瓷和复相YAG/SiC陶瓷磨削前后的弯曲强度明显降低，前者的表面中位裂纹深度为15μm，后者的加工损伤较小。因此，YAG/SiC陶瓷的显微结构设计可成为一种提高材料可加工性，而不牺牲强度和韧性的有效途径。

2.2陶瓷材料的电火花加工技术

电火花加工能对电阻率小于100 cm的陶瓷材料进行高效率、低成本的加工。由于陶瓷材料是非金属材料，不同于其他导电材料，其电火花加工技术也有所不同，不能直接照搬常用的電火花加工理论来解释陶瓷材料的电火花加工。目前技术比较成熟的电火花加工陶瓷材料有切割和成型两种。

陶瓷材料的电火花加工技术原理如下：电火花加工时，工件和电极丝两端分别连接脉冲电源正负极，工件不断进给，工件端部和电极丝之间的电场强度不断增大，当达到介质的击穿强度时，两级产生火花，开始放电，并且会瞬间达到高温高压，使工件的表面熔化、汽化，乃至升华、热剥离整体颗粒移除等。

2.3陶瓷材料的激光加工技术

陶瓷材料具有高硬度、高脆性、高熔点等特点使其难进行进一步的机械加工。采用激光加工技术，可以提高陶瓷材料的加工效率。激光加工技术具有切缝窄，光-热转换快等特点，可以在陶瓷材料的切割方面获得特殊的运用，例如可以实现一些精密加工。

激光技术属于不接触式、无摩擦力加工，具有能量密度大，能加工一些特殊型面等优点，在工程陶瓷材料加工方面体现出强大的发展潜力。

激光加工陶瓷时，以高能量、高密度的激光束为热源，光能被陶瓷材料表面吸收，迅速转换成热能，陶瓷材料的局部温度瞬时升高，材料在液态、气态和固态之间发生相变，将多余材料去除。

如果需要完成不同的加工内容，可以在加工时改变激光的参数，例如扫描速度和激光功率，激光参数在激光加工中的作用至关重要，只有掌握了各个参数的功能，才能正确进行正确加工。

3.陶瓷材料加工技术的改进

3.1车磨削加工技术参数的改进

虽然机械加工的工艺简单，效率高，但难以加工较复杂、高精度的陶瓷材料部件。而且陶瓷材料与金属材料的车磨削加工过程有着明显区别，硬、脆仍然给陶瓷材料的加工带来很大程度上的困扰，因此需要对加工技术进行改进。对于车削加工陶瓷材料，可以采用金刚石刀具或涂层刀具，将会大大改善加工效果。多晶金刚石刀具难以产生光滑锋利的切削刃，一般只用于粗加工；而天然单晶金刚石刀具可以应用与陶瓷材料的精密车削，且采用微切削方式，但需要注意在加工过程中需要留意刀具的磨损情况。

陶瓷材料最重要的加工方法就是磨削加工。首先，可以在处理磨屑方面做出改进：采用冷却液不仅能起到冲洗磨屑的作用，还可以对工件和刀具进行冷却处理，减少砂轮的磨损；其次，砂轮材料的选择也影响陶瓷材料的加工：一般选择高强度、高效率、难堵塞、锋利的铸铁结合剂；最后，需要通过改进金刚石磨粒的大小来改善加工表面的质量，选择越小的磨粒，得到的表面粗糙度越低。

3.2多种加工技术综合使用

由上文可知，由于陶瓷材料自身结构的特殊性，每种加工方式都存在着一定的缺陷。在这些基本的加工方式之外，多种加工技术的综合使用，即复合加工，可以扬长避短，更加有效的加工陶瓷材料，达到预期效果。

多种技术综合使用一般具有较好的加工质量，是当前机械加工技术发展趋势之一。目前陶瓷材料复合加工的方法有很多，如电火花磨削、 磁力磨削、超声机械磨削、电解电火花线切割、 超声电火花复合加工和充气电解放电复合加工等。这些复合加工方法可以在加工效率和加工质量上获得很大的改进，因此是解决陶瓷材料加工问题最有力的途径。

随着现代科学技術发展，更多的复合加工方式也会不断被发现并应用到实践当中来，陶瓷材料的加工将不再成为困扰人们的问题。

4.总结

随着科学技术的发展，从传统加工到新型加工再到复合加工最后到特种加工，加工方法也发生了质的改变。人们不再受限于金属材料，而将研究重心转向非金属材料。本文从陶瓷材料的传统机械加工方法到包括电火花技术和激光技术的特种加工技术，深度解析了陶瓷材料的各种加工方法，使得陶瓷材料的应用范围进一步扩大，对陶瓷材料的发展注入了新的动力，有着十分重要的意义。

近年来，随着新型磨削方式的出现，陶瓷材料去除机理的研究有了很大的发展，为陶瓷材料的进一步发展奠定了理论基础。由此可见，陶瓷加工技术的研究方向主要可以分为两个方面：①对现有的加工方法进行改进和深化，使其更加成熟，在实际操作过程中总结经验，获得更好的参数指标，优化加工过程，提高加工质量和加工效率；②研发新的加工技术，特别是新的复合加工技术，例如电火花机械、超声波机械复合等。

由此可以预见，在未来一段时间内，陶瓷材料的发展将会远远超出人们的预期，其加工方法会更加成熟，加工质量会更加令人满意，应用范围甚至可以推广到其他非金属材料，为人们的生活带来更多方便。

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