作者：Almaz Mullayanovich Khanov, Karim Ravilevich Muratov, Evgeniy Anatolyevich Gashev
       摘要：
       本文對(duì)陶瓷材料加工工藝進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)工業(yè)陶瓷的磨削加工和精整加工工藝以及加工步驟的描述進(jìn)行了整理。第一步，利用大粒度加工工具磨除80%左右的材料并以漸增的速度進(jìn)行磨削處理。第二部，利用小粒度研磨工具進(jìn)行磨削加工，減小材料去除量。第三步，利用金剛石微粉和金剛石研磨膏進(jìn)行精整加工。在完成第三步之后通常要進(jìn)行拋光處理以達(dá)到1-3級(jí)的精度要求和較低的表面粗糙度。對(duì)氧化陶瓷VSH-75材料的研磨精整進(jìn)行分析研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金剛石微粉的加工性能是電熔剛玉和綠碳化硅微粉加工性能的15-30倍。磨去材料量和表面粗糙度隨著隨著粒度的增大而增大。為實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Rz=0.8μm，建議使用人造金剛石微粉ASM20材料。此外，實(shí)驗(yàn)還對(duì)20-150kPa范圍內(nèi)工件的接觸壓力對(duì)研磨加工的影響進(jìn)行了研究。隨著接觸壓力在20-50kPa范圍內(nèi)的增長(zhǎng)，磨除材料總量顯著增加而金剛石微粉消耗量和表面粗糙度則顯著降低。接觸壓力繼續(xù)增大至150kPa時(shí)，對(duì)工藝參數(shù)的影較小，而刀具表面則出現(xiàn)了裂縫，致使刀具外視形狀磨損惡化。利用鑄鐵研磨SCH-28對(duì)陶瓷進(jìn)行精整加工時(shí)的最佳接觸壓力范圍為50-100kPa。
       關(guān)鍵詞：
       工業(yè)陶瓷，磨料研磨，表面精整，磨除材料總量
       引言
       陶瓷是一種由元素周期表III-VI族中的非金屬和金屬化合物構(gòu)成的多晶材料及制品；通過(guò)對(duì)源材料的燒制和成型加工制備而成。天然形成的化合物如硅酸鹽、粘土和石英以及人造陶瓷（高純氧化物、碳化物和氮化物等）都可以用作源材料。
       工業(yè)陶瓷在機(jī)械工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性耐高溫耐火零部件，如器材殼體、坩堝、齒輪和渦輪葉片的生產(chǎn)；還用于儀器儀表和化學(xué)工業(yè)中環(huán)境較為惡劣的條件下的使用。
       陶瓷的機(jī)械加工是一種繁瑣費(fèi)力的加工工藝，旨在實(shí)現(xiàn)加工零部件的所需精度和工件表面質(zhì)量要求；其加工方法有下述幾種：
       i．磨料研磨
       ii．電火花、電化學(xué)加工
       Iii．超聲波加工
       iv．水動(dòng)力加工
       v．激光切割
       陶瓷機(jī)械加工常見(jiàn)工藝有磨削和精整（Breev B.T. 1982, Antyufeeva T.P. 1999）。
       天然及人造剛玉、碳化硅和碳化硼等材料常用于陶瓷的磨削和精整；而金剛石拋光則常用于鍺、硅、玻璃、石英和固態(tài)合金的加工處理。金剛石拋光工藝具有磨損小，工具耐用性高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)日本研究者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，陶瓷拋光的成本費(fèi)用是結(jié)構(gòu)鋼精整加工的成本費(fèi)用的10倍之高（A.P. Garshin 2003, J. Kang, 2005, Jeong-Du Kim, 1995）。
       陶瓷材料的性能如硬度、脆性、強(qiáng)度、多孔性、表面態(tài)、熱穩(wěn)定性，以及磨料屬性和所用刀具等都會(huì)影響陶瓷的機(jī)械加工；而陶瓷切削速度、夾持力和拋光材料的冷卻等加工條件也會(huì)影響陶瓷的機(jī)械加工。一般情況下，陶瓷的機(jī)械研磨由三步驟工藝流程：粗加工、清潔處理和精加工。
       第一步，利用大粒度工具磨除80%左右的材料并以漸增速度進(jìn)行磨削加工處理；該處理工藝會(huì)在工件表面產(chǎn)生較深的裂縫和損傷。工件尺寸的粗公差可達(dá)0.3-0.5mm；根據(jù)零部件的尺寸，可分為單面和雙面。第二步，利用小粒度研磨工具進(jìn)行磨削加工并降低磨除材料量。第三步，利用金剛石微粉和研磨膏進(jìn)行精整加工，達(dá)到標(biāo)稱尺寸。該步驟工藝完成后通常要進(jìn)行拋光處理，以達(dá)到1-3級(jí)的精度要求和較低的表面粗糙度。
       陶瓷表面的裂紋類型隨著不同的磨削工藝步驟而不同。在金剛石粗加工階段，脆性破壞導(dǎo)致的裂紋為主要類型。實(shí)驗(yàn)觀察到兩種脆性損傷，一種是研磨工具夾持力導(dǎo)致的裂縫，另一種是陶瓷和磨料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的切向力引起了粘結(jié)相，進(jìn)而導(dǎo)致晶體（磨粒）發(fā)生分離（剝落）。
       在上述作用力的影響下，金剛石磨粒上會(huì)發(fā)生局部磨損，磨粒面會(huì)出現(xiàn)鈍化或裂縫。粗加工之后，這些缺陷會(huì)保留在其表面。這些缺陷的數(shù)量取決于金剛石磨粒的屬性、尺寸和形狀等。清潔拋光工藝中使用小粒度的研磨工具，進(jìn)而減少了脆性開(kāi)裂；該階段研磨影響和塑性變形為主要因素。陶瓷表面呈壓扁狀。在精整工藝中，利用小粒度的金剛石微粉和研磨膏進(jìn)行加工處理，研磨影響為主要因素。工件表面精度為1-4級(jí)（Baharev B.P. 2009, Vakser D.B.. 1986）。
       因此，利用磨削工藝對(duì)陶瓷工件進(jìn)行機(jī)械加工是一個(gè)復(fù)雜的工藝，它取決于陶瓷材料的屬性、磨削參數(shù)、拋光參數(shù)和其他因素等。本文則研究了VSH-75（HRC90-93）陶瓷試樣的拋光加工；并將其硬度、熱穩(wěn)定性和耐磨性與硬質(zhì)合金進(jìn)行對(duì)比。VSH-75陶瓷的缺陷是強(qiáng)度低，脆性高。裝配著VSH-75陶瓷片的設(shè)備器械可以在高達(dá)1200°Ñ的加工條件下保持其硬度不變。VSH-75陶瓷可用于無(wú)應(yīng)力、高速高溫條件下鑄鐵、鋼部件、有色金屬及其合金加工處理的清潔、半清潔拋光工藝。
       材料及實(shí)驗(yàn)方法
       精加工實(shí)驗(yàn)所用研磨機(jī)型號(hào)為Raster220，專業(yè)精加工各種機(jī)械零部件高精平面。這種桌式機(jī)床有三大部分構(gòu)成：傳送、沖壓和帶有變頻器的控制面板。
       磨料為電熔白剛玉、綠碳化硅和人造金剛石粉末。金剛石粒度為40-5μm，每個(gè)工序中都有其樣品說(shuō)明。利用過(guò)濾法將磨料均勻沉積在研磨平面上。
       不考慮磨料自身的屬性，所有實(shí)驗(yàn)中磨料的體積均設(shè)置為50cm3。該體積參數(shù)可以在直徑為220mm的研磨表面形成單層磨料沉積層。 根據(jù)其體積與比重，計(jì)算求得每種微粉的重量：
       • 電熔白剛玉-200mg；
       • 綠碳化硅-160mg；
       • 人造金剛石-175mg；
       煤油（70%）、烯酸（25%）和石油（25%）混合液做實(shí)驗(yàn)的液相環(huán)境。將0.75-1cm3p體積的混合液滴在研磨表面上。
       實(shí)驗(yàn)結(jié)果
       在裝配有軌跡掃描工具（Khanov A. M. 2010，Antsiferov V.N.. 2011，Nekrasov V.P. 2006, KhanovA..2010）的研磨機(jī)上對(duì)VSH-75（HRC90-95）材料制備而成的工件進(jìn)行研磨加工。研磨工具材料為珠光體鑄鐵SCH28。所需表面粗糙度低于0.9μm。
       磨料微粉的屬性對(duì)研磨精加工的結(jié)果有著很大的影響，特別是對(duì)陶瓷等硬質(zhì)材料的精加工。利用鑄鐵研磨工具，采用電熔白剛玉EB M400、綠碳化硅KZ M40和人造金剛石ASM40微粉磨料進(jìn)行精加工的對(duì)比實(shí)驗(yàn)就證明了這一點(diǎn)。通過(guò)每隔4分鐘計(jì)算材料去除總量可知：人造金剛石微粉ASM40的效率是EB M40和KZ M40效率的15-30倍（如圖一a所示）。這是由于加工材料的硬度略低于微粉EB M40和KZ M40，而人造金剛石ASM40的硬度則明顯高于陶瓷的硬度。工件表面粗糙度基本不受磨料類型影響，其變化在誤差范圍內(nèi)（圖一b）。
       鑒于人造金剛石微粉的高效加工，可以將其用于硬質(zhì)材料如氧化陶瓷的精加工。其他參量不變的條件下，參與有效加工的金剛石磨粒的粒度和數(shù)量取決于微粉的粒度。因此，金剛石微粉的粒度變化會(huì)影響微切削加工和精加工效率、金剛石微粉的單位消耗量（K mg/mm3）和工件的表面粗糙度。利用不同粒度的金剛石微粉對(duì)氧化陶瓷VSH-75的精加工實(shí)驗(yàn)表明，材料去除總量隨金剛石微粉粒度由ASM5到ASM40的增大而增大（圖二a）。這種影響變化是因?yàn)榻饎偸チ５目偭侩S其粒度的增大而增大，進(jìn)而增大了施加在每個(gè)磨粒上的壓力；從而使金剛石磨粒更深地滲透到工件材料中，進(jìn)而用更大粒度的磨粒來(lái)完成切削。隨著磨料粒度的增大，金剛石的相對(duì)單耗降低，且對(duì)比于ASM5和ASM10（圖二a）時(shí)，這種降低幅度更加明顯。隨著粒度有ASM5增大至ASM40，工件的表面粗糙度有Rz=0.27增大至1.14μm（圖二b）。但隨著微粉量有100增至175，材料去除總量的增加不甚明顯（由93μm增至97μm）；而金剛石磨料的相對(duì)單耗卻增加了1.6倍（由0.52mg/cm3增至0.85 mg/cm3）。
       工件表面粗糙度基本不受微粉數(shù)量影響，變化范圍很小（0.78-1.0μm）。此外，在上述表面粗糙度變化范圍內(nèi)，微粉數(shù)量的變化對(duì)加工表面的密度影響也不是很大。微粉ASM10（圖四）的實(shí)驗(yàn)也得出了類似的結(jié)果。
       研磨表面的金剛石微粉量會(huì)影響精加工的性能、金剛石的單位消耗量K和加工效率H。在金屬-陶瓷材料加工實(shí)驗(yàn)中，金剛石微粉ASM20的數(shù)量變化范圍為50-175mg。
       金剛石相對(duì)比耗量和材料去除總量隨金剛石微粉量的增加而增加，如圖三所示。
       值得注意的是，微粉ASM有10mg增至175mg時(shí)，材料去除總量略有增加，而金剛石的比耗量卻增加了3倍（0.51π0到1.57mg/cm3）。
       利用鑄鐵研磨工具CHS-28對(duì)金屬-陶瓷工件進(jìn)行精加工時(shí)，金剛石微粉ASM10和ASM20的最佳用量分別為20-45mg，40-80mg。
       工件和研磨工具的接觸壓力通過(guò)金剛石磨粒得以傳遞。在25-150kPa壓力范圍內(nèi)，利用ASM20磨料對(duì)陶瓷精加工過(guò)程中接觸壓力的影響研究表明：材料去除總量隨著接觸壓力由25增大至50kPa而增大；當(dāng)壓力增至150kPa時(shí)，去除總量略有增加（圖五a）。后者這種增加不甚明顯的情況主要是由于高負(fù)荷下金剛石微粉磨粒的精煉所致。金剛石磨料的比耗量（k）隨壓力增大而降低，最為明顯的降低發(fā)生在25-50kPa壓力范圍內(nèi)（圖五a）。
       當(dāng)接觸壓力有25kPa增至50kPa時(shí)，加工表面粗糙度有1.28µm降低至0.70µm；壓力繼續(xù)增至150kPa時(shí)，表面粗糙度變化不再明顯，如圖五b所示。后者這種增加不甚明顯的情況再次證明了金剛石磨粒在接觸壓力增大過(guò)程中受到精煉的假設(shè)。值得注意的是，在150kPa壓力下進(jìn)行精加工時(shí)，鑄鐵研磨工具CHS-28表面出現(xiàn)裂縫。因此，利用鑄鐵研磨工具進(jìn)行陶瓷精加工時(shí)的最佳接觸壓力為50-100kPa。
       結(jié)論
       人造金剛石微粉的粒度顯著影響加工表面的粗糙度和精整效率。去除材料總量和表面粗糙度隨粒度增大而增大。為滿足Rz=0.9μm的要求和高效加工，推薦采用ASM20人造金剛石微粉。
       研磨工具和工件的接觸壓力也會(huì)影響精加工。接觸壓力由25 kPa增至50 kPa時(shí)，材料去除總量顯著增加，金剛石磨料的比耗量和工件表面粗糙度則降低。但隨著接觸壓力進(jìn)一步增大至150 kPa，接觸壓力的影響則不再明顯。鑄鐵研磨工具CHS-28精加工陶瓷材料時(shí)的最佳接觸壓力為50-100 kPa。（編譯：中國(guó)磨料磨具網(wǎng)）