陶瓷材料钻孔加工专用装备设计毕业论文.doc

本科毕业设计说明书（论文）第1页共35页1绪论工程陶瓷具有高硬度、低密度、高动态压缩强度等特点1。陶瓷材料在机械加工成型过程中受工艺条件的限制，无法准确预留用于装配的各种孔、槽、边，另外在其具体应用中，因结构复杂或焊接时存在误差等因素，本课题研究的工程陶瓷均属于难加工材料，材料性能和加工机理相差极大，成型后加工更加困难。某些特种加工方法虽能部分地克服加工中存在的一些问题，但都有一定的适用范围或加工缺陷，并且价格昂贵、成本高。成型后的加工缺陷往往会导致陶瓷材料的防护性能和连接强度降低，甚至会使构件报废而造成较大的经济损失。国外在这方面的研究起步较早，技术力量相对较强。我国对这方面的研究尚处于起步阶段，现有的陶瓷材料制造技术存在制品质量的一致性和可靠性难以保证、加工表面质量差、尺寸控制困难、刀具磨损快，生产效率低等一系列问题，在一定程度上制约了材料在防护领域的推广和应用24。本课题从加工的经济性、实用性、易操作性着手，采用常规的加工方法进行加工。课题的研究将有助于提高难加工材料的加工水平，增强对陶瓷材料的认识、丰富学科内容，对推动高性能陶瓷材料在我国航天、航空、汽车、船舶、核工业等领域的进一步应用提供重要的技术支撑56。工程陶瓷主要有氧化铝（Al2O3）、氧化铍（BeO）、碳化硼（B4C）、二硼化钛（TiB2）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）等78。它们的主要性能指标见表1.1。从表1.1可以看出，这些陶瓷材料都具备高强度、高硬度、高韧性、低密度的特性，即“三高一低”。B4C的密度最低、硬度最高，主要用于对质量要求极严格的飞行器、车辆、舰船等。如美国黑鹰式直升机乘员座椅采用了B4C和“凯芙拉”陶瓷材料。Al2O3具有烧结性能好、制品尺寸稳定、粗糙度低、价格便宜等优点，应用广泛，将来有望用于气垫船上。SiC的密度在B4C和Al2O3之间，比Al2O3轻20%，硬度和模量较高，价格比B4C低得多。TiB2密度较高，硬度和模量也高，用于战车的防护面板，可防大口径弹的侵袭。氮化硅和氮化铝陶瓷也是性能优异的防护材料。在美国已用于装备直升机。本科毕业设计说明书（论文）第2页共35页表1.1几种常用陶瓷的性能种类密度/g·cm-3维氏硬度/GPa断裂韧性/MPa·m1/2弹性模量/GPa声速Km·s-1弯曲强度/MPa氧化铝3.603.9512183.04.53004509.511.6200400氧化锆增韧氧化铝4.054.4015203.84.53003409.810.2350550烧结碳化硅3.103.2022233.04.040042011.011.4300340热压烧结碳化硅3.253.285.05.544045011.212.0600730热压氮化硅3.203.4516196.39.0690830热压碳化硼2.452.5229352.04.744046013.013.7200360二硼化钛4.5521238.0550350热压二硼化钛4.484.5122256.76.9555011.011.3270400热压氮化铝3.262.53303501.1选题背景和意义工程陶瓷是以人工合成的高纯度化合物为原料，经精制成形和烧结而成。与传统陶瓷相比，工程陶瓷具有高抗压强度、高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀、低密度和低的线膨胀系数、低的导热系数等优越性能。正由于工程陶瓷具有诸多的优越性能，使得其用途越来越广916。但陶瓷材料在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度很高。其化学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距离大，使得陶瓷显示出很大的脆性，而成为难加工材料。1.2工程陶瓷加工技术研究在切削机理方面，日本学者在80年代根据线形断裂力学原理，研究了陶瓷切削过程的材料去除机理，提出了材料去处的三种模型：(1)不稳定裂纹扩展型；(2)裂纹残留型；(3)塑性变形型。1983年，日本Kanazawa大学，K.Ueda初步探讨了材料的脆性断裂和塑性流动的关系；1991年，K.Ueda进一步用弹塑性断裂力学和J-积分方法研究了陶瓷材料脆性/延性转换模式。其后Frank和Lawn提出了陶瓷材料的去除机理通常为裂纹扩展和脆性断裂，而当材料硬度降低，压痕半径小，摩擦剧烈，并且载荷小时就会出现塑性变形。1994年，Keio大学，R.Rentsch给出了第一磨削过程的仿本科毕业设计说明书（论文）第3页共35页真结果，叙述了磨削中磨削堆积的现象和切削过程仿真的区别：在陶瓷材料磨削的过程中，侧向裂纹形成磨屑，导致材料的去除；径向裂纹形成加工表面缺陷，是导致加工后陶瓷材料强度下降的主要原因。工程陶瓷的加工技术：(1)工程陶瓷的车削加工工程陶瓷的车削加工主要采用金刚石刀具或涂层刀具进行。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。而工程陶瓷的精密车削需使用天然单晶金刚石刀具，采用微切削方式。但难以保证加工精度和加工质量的要求，当前主要集中于工程陶瓷车削机理及车削方法实用化的研究上。(2)工程陶瓷的钻削加工目前工程陶瓷材料孔的加工广泛采用金刚石套料钻，该方法在钻削常压烧结氮化硅时，材料的去除率可达1600mm3/min以上。然而，由于陶瓷硬度极高，在钻削过程中金刚石钻头磨损严重。此外，由于陶瓷的脆性大，在孔的入口和出口处崩刃现象严重，影响了孔的加工质量。也有利用金刚石砂轮磨削内孔以及金刚石刀具刮孔，但只适用于陶瓷工件上已有预置孔的情况。目前机械加工方法仅限于数毫米左右直径的孔加工，尚难获得理想的经济效果和表面加工质量。(3)工程陶瓷的磨削加工1719在陶瓷材料的磨削工艺方面，国内外在在线电解修整金刚石砂轮的精密磨削、低表面粉燥度磨削和高效磨削方面取得了较大的成果。(4)工程陶瓷的特种加工20(a)工程陶瓷材料的电火花加工21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，适合于超硬导电材料的加工。目前对导电陶瓷的电加工研究集中在如何提高加工精度、表面质量以及改进加工过程控制等方面。利用高压电火花加工方法也可以加工非导电陶瓷材料，其原理是在两电极间放入绝缘的陶瓷材料工件，两电极间加以直流或交流高电压，使电极附近的介质被击穿，发生辉光放电蚀除。另外一种加工非导电陶瓷材料的方法，是在薄片工件上压放一块薄金属网作为辅助电极，辅助电极和工具电极与脉冲电源放在油类工作液中，利用脉冲电压使得两电极间产生火花放电来进行加工。(b)工程陶瓷材料的超声波加工22本科毕业设计说明书（论文）第4页共35页硬脆材料用超声波加工是目前应用较普遍的方法之一，甚至能加工型腔和特殊轮廓的孔。但此种加工方法只适合于加工直径为几毫米的小孔，加工直径较大的孔时效率很低且加工成本过高。(c)工程陶瓷材料的激光加工激光加工与材料的硬度等力学性能无关，陶瓷与金属比较，对激光的吸收率较高。现用于工程陶瓷加工的主要有CO2激光和YAG激光。由于激光加工时，光束瞬间辐射，在材料表面产生局部高温，形成很大的温度梯度，因此加工后会产生一定应力变形和不同程度的微裂纹。目前有关工程陶瓷加工技术的研究大多集中在平面及回转曲面的磨削加工方面，对成型孔、开槽等加工的研究还很少。对金刚石刀具加工工程陶瓷的加工机理、刀具磨损、加工质量、加工效率等也没有进行系统深入的研究。而据统计，工程陶瓷的加工成本占到整个陶瓷元件成本的8090，高加工成本以及难以控制的加工表面质量缺陷限制了其更为广泛的应用。因此，开发高效率、高质量以及低成本的陶瓷加工技术具有重要的技术和经济意义。2工程陶瓷的性能特点及加工机理2.1工程陶瓷的性能特点本课题研究的工程陶瓷是99瓷，其主要成分为99.5的23AlO。它具有高抗压强度、高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀、低密度、低线膨胀系数及低导热系数等优越性能。但由于该材料硬度高、脆性大，其二次成型加工十分困难，特别是制孔加工，效率低，刀具磨损快，孔的加工质量差等问题23。因此工程陶瓷材料的加工存在很大困难。烧结氧化铝（23AlO）陶瓷材料的物理机械性能指标：高硬度21002250HV、高弹性模量400GPa、密度3.83g/cm3、高的抗压强度bc=2800MPa和低的抗拉强度bb=300MPa。由此可见，工程陶瓷材料具有如下性能2425：(1)具有较高的刚性和硬度：高的弹性模量使得23AlO陶瓷具有高刚性（弹性模量