非金属材料的机械加工(1).doc

第四章 非金属材料的机械加工 一、本章的教学目的与要求 本章的第一、二节，在讲述了石材与陶瓷的基本加工方法的基础上，介绍了近年来出现的一些新型加工工艺。与其他材料相比，石材与陶瓷这类无机非金属材料的硬度较大，难以加工。因此需用硬度更高的金刚石刀具或磨具进行切割或磨抛加工。此外，一些新型的加工方法，如高压水射流法、超声波法、激光法等，应用在石材或陶瓷的加工中，可以得到更高精度。第三节主要讲授了塑料的加工，目的是了解塑料的特点、塑料加工的方法，掌握各种切削要素对塑料的机械加工的影响，重点是掌握塑料加工的几何参数的选择。第四节讲授了复合材料的加工，从材料性能上看，复合材料与相应的基体材料既有区别，又有联系。反映到机械加工上，也有类似的特点。比如玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料，其加工可以参考热塑性塑料，但由于玻璃纤维的存在，其切削性能又有不同。 本部分内容具有较强的应用性，学习中应注重与金属材料的机械加工和特种加工相对照比较，注意前后知识的综合应用；为了提高分析问题、解决问题的能力，还要注意密切联系生产实际，重视实验环节；学习本章之前，应具有必要的生产实践的感性认识和专业基础知识，故应在金工实习和工程材料等课程后进行学习。 二、 授课主要内容 1石材的加工 主要学习石材的切削加工、石材的研磨与抛光 2陶瓷的加工 主要学习陶瓷的加工、加工技术 3塑料的加工 主要学习塑料切削基础知识、塑料的单刃切削、塑料的钻削、塑料的铣削加工、塑料的磨削 4复合材料的加工 主要学习概述、各种复合材料的机械加工特点、复合材料的常规加工方法、其他常规加工方法、特种加工方法 5特种材料加工的发展趋势 主要学习建立非金属材料切削理论、使用专用机床、发展新型刀具材料 三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学） 本章的第一、二节，在讲述了石材与陶瓷的基本加工方法的基础上，介绍了近年来出现的一些新型加工工艺。与其他材料相比，石材与陶瓷这类无机非金属材料的硬度较大，难以加工。因此需用硬度更高的金刚石刀具或磨具进行切割或磨抛加工。此外，一些新型的加工方法，如高压水射流法、超声波法、激光法等，应用在石材或陶瓷的加工中，可以得到更高精度。第三节主要讲授了塑料的加工，目的是了解塑料的特点、塑料加工的方法，掌握各种切削要素对塑料的机械加工的影响，重点是掌握塑料加工的几何参数的选择。第四节讲授了复合材料的加工，从材料性能上看，复合材料与相应的基体材料既有区别，又有联系。反映到机械加工上，也有类似的特点。比如玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料，其加工可以参考热塑性塑料，但由于玻璃纤维的存在，其切削性能又有不同。 四、主要外语词汇 石材（nature stones） 金刚石锯切工具（diamond sawing tools） 雕刻（caving） 陶瓷（ceramics） 五、辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等） 主讲板书多媒体教学课堂讨论作业练习 六、复习思考题 1．用金刚石锯片切割石材时，锯切工艺应如何选择 2．石材锯切的主要加工方法有那些各有何特点。 3．为什么超高压水射流可切割石材或陶瓷材料 4．石材抛光主要有哪两种方法各有何特点。 5．影响石材抛磨质量的因素是什么 6．陶瓷加工的主要问题是什么 7．简述陶瓷机械加工的主要加工方法及特点。 8． 塑料的单刃切削时，对热塑性塑料和热固性塑料如何分别恰当的选择车刀的几何参数 9． 钻削塑料时如何恰当的选择钻头的几何参数 10．与金属相比，塑料的机械加工有哪些基本特点 11．热塑性塑料和热固性塑料的车削加工特点与二者的热机械性能差异有何关系 12．金属基复合材料与聚合物基复合材料的机械加工有何异同点。 13．结合某一具体实例，谈一下新材料加工的发展趋势。 七、参考教材（资料） 1、赵民，孙军．异型饰面石材加工技术及装备．非金属矿，1998，1 43 2、魏昕，周泽华，袁慧等．石材锯切加工工艺研究．金刚石与磨料磨具工程，1998, 110332 3、刘峰，罗忠辉．石材锯切加工工艺研究．机械工程师，2001，（6）27 4、王增武．石材加工及开采存在的问题与对策．山东建材，1995，（6）33 5、潘振熊，邵福兴．立体类异性石材的加工．中国建材，2001，（8）80 6、薄青．金刚石绳锯切割加工石材与建材机械工艺师．1994，（9）13 7、赵民，赵永赞，刘黎等．磨料水射流切割石材的应用研究． 金刚石与磨料磨具工程．2000，2（116）21 8、谈耀麟．花岗石石材抛光枝术．矿产与地质，1994，8（6）452 9、苑金生．浅谈装饰石材表面抛光．山东建材，1997，625 10、李永贵，高岩．饰面石材磨削抛光工艺对光泽度的影响．吉林地质，1995，14（3）85 11、王正君，腾琦玮，于思远等．石材超声波精雕系统．机械设计，1999，127 12、王瑞刚，潘伟等.可加工陶瓷及工程陶瓷加工技术现状及发展.硅酸盐通报.2001.327-35 13、李学之.工程陶瓷加工技术.机床.1992.224-25 14、黄春峰.工程陶瓷加工技术的发展与应用.工具技术.2000.34.123-6 15、工程陶瓷加工技术概述.机械工艺师.199040-42 16、解决技术陶瓷加工难题的新方法.44-45 17、张林.陶瓷加工的新设想.西南交通大学学报.1989.2.2111-114 18、吴希让.陶瓷加工的研究进展.汽车工艺与材料.1993.103-6 19、 Z塔德莫尔,CG戈戈斯.聚合物加工原理. 北京化学工业出版社.1990 20、邱明恒.高等学校教材塑料成型工艺.西安西北工业大学出版社.1994 21、曹振宇.几种热塑性塑料的机械加工.工具技术.1993,274.-19-21 22、范瑞顺. 热塑性塑料的机械加工.机械工艺师.1994,6.-8-9 23、李瑞芬.塑料的机械加工.北京化学工业出版社.1999，6 24、范忠仁.塑料的机械加工.北京化学工业出版社.1989，9 25、倪双曦.工程塑料的车削和钻削.工程塑料应用.1991，4 26、赵祖虎.复合材料机械加工技术简介.航天返回与遥感.1997,18157-63 27、郝建华.实现塑性状态下切削非金属硬脆材料的思考.新技术新工艺.2000,614-16 28、M.Weck,M.Marpert.陈鸿均译，林益耀校.新材料加工对机床提出的要求.工业工程与管理,1998,247-51,63 第四章 非金属材料的机械加工 第一节 石材的加工 天然石材（nature stones）建筑物的装饰材料,自然本色、绚丽多彩、美观耐用、豪华气派，现代高档建筑装饰的理想选择。 我国石材资源极为丰富，目前已探明的花岗石储量达千亿m3，有150多个花色品种，大理石储量为2000亿m3，有390多个花色品种，其资源储量及花色品种占世界首位。 石材加工由平面板材为主向平面板材、圆柱体、多面体、曲面体、雕刻品等多品种石材制品发展。采用凿子和錾子等进行剥落和研磨的手工方式加工石材的传统加工方法，有着悠久的历史，但粉尘和劳动强度大，工效低，尺寸精度和表面质量较差。从本世纪70年代至今，陆续研制出各种专用机械加工石材设备，如金刚石绳锯、金刚石锯切机、立式雕刻机、多功能数控加工中心等，其工作效率大大超过了手工加工，并且实现了石材的工业化批量生产。 一、石材的切割加工 1．金刚石锯切机加工 金刚石锯切工具（diamond sawing tools）切削性能和抗磨损性能优越，在石材等许多工业中得到广泛应用，但金刚石锯片造价较高，其使用寿命直接影响石材的加工成本。因此，在正确选择锯片的同时，应采用合理的锯切工艺参数，以提高锯片使用寿命和切割效率。 （1） 金刚石锯片的磨损 金刚石锯片diamond blade的磨损性能是反映锯切工艺参数合理性、锯切工具性能、石材可锯切加工性的重要指标之一。 典型的金刚石磨损过程为金刚石出刃→达到工作高度→破碎→结合剂磨蚀→金刚石再出刃→磨粒破碎→磨粒完全脱落。 金刚石磨粒的磨损过程中，不断进行的微破碎、局部破碎过程使得新的切削刃不断产生，锯片处于锋利切削状态，切削效率高，切削功率消耗降低，但锯片使用寿命降低；而金刚石的不断磨平和抛光，会使切削刃钝化，切削力增大，切割效率降低，而锯片的使用寿命有所提高。 （2）锯切工艺参数选择 锯切工艺参数中，锯切速度对锯片磨损性能影响最大，它主要是通过引起锯切温度和机械载荷的变化，导致金刚石磨粒产生不同形态的磨损。在低速区，机械载荷对锯片磨损起着主要作用，增大锯切速度，单颗金刚石磨粒切削厚度及有效切削面积减小，因此，机械载荷随之减小，锯片径向磨损减小，金刚石磨损形态以磨平、脱落为主；在高速区，机械载荷冲击及热载荷对锯片磨损有决定性影响，随着锯切速度的提高，热载荷及机械载荷冲击作用增大，锯片磨损加剧，金刚石磨粒以破碎形式居多。 锯切深度和进给速度的改变主要是通过引起机械载荷的变化影响锯片磨损性能。增大锯切深度或进给速度，单颗金刚石磨料切削厚度随之增大，切削载荷增大，锯片磨损加剧。此外，增大锯切深度，还会使金刚石磨粒与岩石接触弧长随之增大，由于摩擦作用，金刚石磨损形态以磨平为主，切削刃变钝，从而使切削载荷增大，锯切过程不稳定。在相同锯切率情况下，采用大锯切深度小进给速度时，金刚石磨粒的切削厚度相对减小，切削路径长，金刚石磨粒的磨损形式以热载荷作用导致的磨平为主，而破碎的磨粒数减少；采用小锯切深度、大进给速度时。金刚石磨粒的切削厚度增大，切削路径短，此时，金刚石磨粒的磨损形式以机械载荷及其冲击作用导致的金刚石破碎为主。 此外，锯片本身的形状，如直径、齿数、槽宽等，以及石材的材质、冷却液的选择等对锯切过程也有着重要的影响。因此，在石材的锯切加工中，需对多方面因素综合考虑，以获得最理想的锯切效果。 （3）石材锯切机加工方法 1）圆筒切机加工 用金刚石圆筒切机可进行石材的圆柱面加工，图4－1为圆筒切机的结构示意图。将 图4－1 圆筒切机结构简图 荒料固定在料车7上，由进给电机4带动进给传动轴3 1.圆筒刀具 2-主电机 3-进给传动丝杠 转动，并带动横梁6作垂直方向进给运动。同时，主 4-进给电机 5-立柱 6-横梁 7-料车 电机2经皮带带动金刚石圆筒刀具1作旋转切割运动。进给电机采用无级调速，其速度范围为0.9～9mm/min。圆筒金刚石刀具刚度大，加工精度好，效率高。 2）仿形切机加工 仿形切机可进行石材曲面的加工，图4－2为其结构简图。根据所需曲面形状，用其它材料制作同形样板5，并固定在横梁6上；与锯片3同直径的靠轮4，由电机驱动沿样板5作曲面运动，并控制液压缸9上下位移；以带动金刚石锯片3的主轴作垂 直进给运动。金刚石锯片3由电机带动，作主切削运动。锯片的进给运动，由主轴横向进给运动和液压缸垂直运动合成。因此，石材横向廓形由样板的形状所决定。当靠模轮在样板上完成一次横向行程后，由电机带动横梁6沿纵向导轨8运动，其纵向位移距离等于锯片宽度，然后再进行横向切割，重复上述动作即可切出所需尺寸的石 图4－2 仿形切机结构简图 材曲面。仿形切削适于大批量生产，可以切割各 1-工作台 2-石料 3-锯片 4-靠轮 5-样板 种凹凸曲面。 6-横梁 7-操作台 8-纵向导轨 9-液压缸 3）数控机床加工 加工石材的数控机床主要有数控车床和数 控铣床。图4－3为数控车床的结构简图。金刚石 刀具由计算机控制，可实现三个坐标方向的运动和坐标轴联动，以加工各种异型曲面。操作人员可直接在计算机的屏幕上，对被加工石材的图样进行造型设什，并按加工顺序在屏幕上演示全部 图4－3 数控车床结构简图 加工运动轨迹（可进行剪裁、编辑和修改）并根 1-床身 2-工件 3-主轴箱 4-主轴 5-桥架马达 据其廓形编程。符合要求后，将设计的石材廓形 6-横梁7-金刚石切片 8-切片升降导轨 9-切片升降电机 转换成数控加工程序，输入到机床的控制系统中， 10-横向运动电机 11-金刚石切片动力头 控制系统发出位移和速度指令，以控制机床伺服 12-磨头13-纵向桥架 系统的运动。伺服系统通过伺服电机驱动滚珠丝杠转动，带动刀架完成各坐标方向的运动，实现各种曲面的加工。数控机床加工精度高，但相应地加工成本也高。 2．金刚石绳锯加工 （1）金刚石绳锯结构 金刚石绳锯（diamond wire saw）由弹性橡胶套、载体金属丝网、金刚石环块与连接件组成。其结构如图4－4所示。金刚石环块安装在金属丝网上，两环块间垫以特殊橡胶套，用来保护金属丝网，同时使绳锯有较高的柔性。金刚石环块 图4－4 金刚石绳锯简图 可用电镀法将金刚石颗粒固定在环上，也可用烧结法制备。烧结法制备的金刚石环块更耐磨损，并有自锐性，使用寿命较长。金属丝网使绳锯具有足够的强度。在丝网中供冷却液，使其容易进入切削区内，以冷却润滑金刚石环块，并能清除磨屑使锯切顺利进行。 （2）绳锯的安装 金刚石绳锯长度一般根据需要来选定。因其较长，多做成很多分段，绳锯是由各分段间利用其端面紧固用的钢套（或铜套）管螺纹连接，并将绳锯张紧。绳锯在安装前要检查各个环的外径使其大小均匀一致，其差要小于0.2mm，目的是保证全长上各金刚石环均匀磨 图4－5 金刚石绳锯工作示意图 损。绳锯总长应是所需长度的1～1.5倍，使其能宽松地安装在设备上为宜。但另一方面要尽可能的短，以防止工作时弹跳使绳锯损坏（见图4－5）。 在安装绳锯前，先在矿山岩石上用特制钻具钻孔。钻孔要求在绳锯水平方向孔径为80mm，垂直方向孔径为34mm。绳锯穿过孔并装在主动轮上，然后用张紧轮张紧并缓慢转动，当绳锯消除弯曲不离开工件时即可开始切削。 在天然石材加工中，直径为6mm的绳锯常用于台式设备上。用大型设备切割大型石材，可选用直径16mm的绳锯。 金刚石绳锯已在石材加工、建筑、土木工程中成功使用，但其缺点是绳锯为柔性刀具，加工尺寸精度较差，表面粗糙度大。 3．高压水射流加工 利用超高压水射流技术切割石材、具有加工效率高、噪声低、无粉尘污染、石材切缝窄、加工表面质量好、易实现微机自动控制等特点。同时可以方便地切割不同硬度、不同厚度的石材，特别是对于形状复杂的异形石材加工，更具有忧越性。 超高压水射流（ultrahigh pressure water jet）加工设备主要由以下几部分组成①供水系统，由水泵、电机、水箱、过滤器等组成，其作用是提高水压至3MPa，并供给增压系统。②增压系统，在液压泵的作用下，将水压由3MPa增到300～400MPa。③蓄能器，其作用是积存一定量的高压水，以吸收来自增压器的脉冲水流和工作时断续引起的冲击，保证工作时获得连续、稳定的超高压水流。④喷嘴及运动控制系统，主要采用宝石制造的喷嘴，其直径据石材硬度及厚度选择，一般选择0.15～0.75mm。同时采用加磨料装置，使磨料与水混合，共同对石材进行切割。磨料一般采用石榴石。 水射流切割石材的原理如图4－6所示。当高压水射流进入混合室时，其流速可达到音速的2～3倍左右，在磨料入口处产生很大的负压，抽吸来自磨料仓中的石榴石磨料。石榴石磨料在水射流的作用下产生较大的冲击能量，经磨料喷嘴射出对被加工石材表面产生很大的冲击力，冲击强度与射流速度的平方成正比。当这种冲击强度达到和超过石材的抗压强度极限时，在射流冲击处 图4－6 超高压水射流工作原理 形成粉末状的石材切屑，沿着磨料水射流喷嘴的运动方 1．石材；2-磨料；3-高压水喷嘴； 向，在石材上形成切口。 4-混合室；5-磨料水喷嘴 超高压水射流切割石材时，切割参数的选择对切割质量有重要的影响。当磨料水射流的压力增加时，其流速增加，磨料的冲击动能增大，石材的切割深度也随之增大。喷嘴移动速度增大，磨料水射流切割能力降低。喷嘴靶距增大，磨料水射流集束性降低，切割能力降低。所以应选择合理的切割参数以提高切割效率。 二、石材的研磨与抛光 研磨工序一般分为粗磨、半细磨、细磨、精磨、抛光等五道工序。 抛光是石材研磨加工的最后一道工序。进行这道工序的结果，将使装饰石材表面具有最大的反射光线能力以及良好的光滑度，并使石材固有的花纹色泽最大限度地显示出来。 1．石材磨抛方法与工具 石材的抛光方法 一种方法是用散状磨料与液体或软膏混合成抛光悬浮液或抛光膏作为抛光剂，用适当的装置加到磨具或工件上进行抛光。所用磨料有金刚石微粉、碳化硅微粉和白刚玉微粉等。不同的磨料要配合采用不同材质的磨具。使用碳化硅磨料时要用灰铸铁磨具，而使用金刚石磨料时则最好用镀锡磨具。另一种方法是用粘结磨料，即把金刚石、碳化硅或白刚玉微粉作磨料与结合剂，以烧结、电镀或者粘结的方法制成磨块。固定到磨盘上制成抛光磨头。小磨块一般用沥青或硫磺等材料粘接，大磨块则用燕尾槽连接到磨盘上。 采用散状磨料进行抛光的缺点是磨料要用人工或用计量装置加到工件上，因此磨料分布不均匀，而且需要由技术熟练的技工操作才能达到高质量标准。而采用抛光磨头则具有许多优点磨料分布均匀，抛光质量好而且质量稳定，易于实现连续作业，抛光效率高，一般抛光时间比用散状金刚石磨料减少30％。 石材磨削的实质是在人力或机械力的作用下，回转的磨盘对石料不断垂直给进，两者在接触区内相互摩擦、磨损，把板材表面层的凹凸面逐渐磨平。由于花岗石类岩石一般比较坚硬，磨具的硬度一定要超过石材的硬度。一般情况要采用六套磨具来完成磨削、研磨抛光过程。前两个磨具要进行强制定位磨削，起找平和控制板材的厚度的作用；后面的磨具分别进行粗磨、细磨、研磨抛光等工序。 根据直径大小，磨块形状、数量和布置方式，磨料所用粘结剂以及磨料粒度等的不同，磨头有不同的结构。磨头直径有4～12英寸等多种，最常用的是10英寸。磨块形状有直条形、长椭圆形、伞形、环形等，以直条形和长椭圆形最为普遍。磨块数量视磨头直径和磨块大小而定，从数块到十来块。磨块的布置方式以放射状为最常见，但也有按螺线方式布置的。磨料所用粘结剂有金属粘结剂、树脂粘结剂、菱苦土和聚合物等。各厂家选用磨料粒度的范围不一。对金刚石磨料来说，从粗磨磨头用的30目到抛光磨头用的几个μm都有。 日本大阪大学机械工程系Mamoru Nakayarna等人研究花岗石石材抛光技术时所用的磨抛头直径为6英寸，结构如图4－7所示。图4－7a）为采用粉末冶金粘结剂（金属粘结剂）的金刚石磨块的磨头结构，磨块为直条形。这种磨头用于粗磨，金刚石粒度分别为40目、60目 和100目。图4－7b）为适宜于采用热固性树脂粘 图4－7 花岗石石材抛光所用的磨抛头结构 结剂金刚石磨块的磨头结构，磨块为长椭圆形。这种磨头用于细磨和抛光。细磨时分别用200目和500目（相当于74μm和30μm）的金刚石，抛光时则分别采用1000目和2000目（相当于15～25μm和6～10μm）的金刚石。 90年代初，英国HASELTINE LAKE公司改进了磨头的结构，提高了它的工作性能，将原先的五道工序减少为两道工序。第一道工序用的磨头是用120／140目的金刚石以铜焊或电镀或烧结的方法固结到金属盘上制成。第二道工序用的磨头是用200／300目的金刚石以树脂粘结剂制成伞形磨块，再将此伞形磨块以模压方法或用 4－8 花岗石石材抛光磨抛头结构图 粘结剂粘合到支承盘上制成，如图4－8所示。伞形块的总面积一般占磨头面积的 2％～5％。采用上述改进的磨头节省了加工时间，并且降低了成本。 2．石材磨抛质量的影响因素 石材的品种很多，其物理性质、化学成分、晶粒粗细和矿物晶体组分的差异等都对抛光质量有影响。由于石材的晶质不同，在抛光时会形成不均匀的表面。晶粒较大的石材，抛光的不均匀性比晶粒小的石材明显，所以小晶粒石材比大晶粒石材易于抛光。 抛光磨头进给速率对抛光质量影响很大，研究表明，随着抛光磨头进给速率的提高，石材表面光泽度会下降，但进给速率过低则会加快磨头磨损和降低生产效率。 抛光磨头的运行方式要和粗磨、细磨磨头的运行方式配合进行。磨头运行方式有纵向横 图4－9抛磨头的运行方式 向和疏密程度之分，如图4－9所示。一般来说，粗磨时采用A运行方式；细磨时采用A＋ B运行方式，抛光时则采用A＋B＋C＋D运行方式，根据具体情况可重复再磨一次可获得较高的表面光泽度。 三、石材的雕刻 雕刻（caving）石材制品也是装饰石材的一个重要品种。传统的手工雕凿是使用手锤和凿子，但其生产效率低、加工质量差，而且加工中的破损率较高，限制了雕刻石材的发展。采用气动凿可以大大提高生产效率，在凿刻粗加工阶段，可使用冲击力较大的气动凿，在精细雕刻阶段，可使用冲击频率较高、冲击力较小的气动凿。而近年来研制的超声波精雕系统又使石材的雕刻进入新的阶段。 超声波石材精雕系统由超声波发生器、换能器、变幅杆及凿具四部分组成，如图4－10。雕刻不同的石材使用不同材料的凿具。例如雕刻大理石使用YG8硬质合金凿具比较适宜，而雕刻花岗石使用YD15硬质合金凿 图4－10 超声波石材精加工系统示意图 具较好。 超声波精雕系统是将超声波发生器产生的超声波通过换能器、变幅杆转变成硬质合金凿具的机械振动，利用凿具高频振动冲击将石材碎成粉末，只要控制凿头，按所需表面的切线方向缓慢移动，往返重复，所需表面就会雕凿出来。 由于超声波精雕系统的频率高振幅小，雕刻的表面粗糙度小。实验结果表明，超声波精雕系统雕凿花岗石，表面粗糙度Ra在2.5μm左右。超声波精雕系统适用于石材的精雕生产。 第二节 陶瓷的加工 陶瓷（ceramics）是一种通过高温烧结而成的无机非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损及抗热冲击等优点。近年来，随着陶瓷增韧强化技术的进步以及机械加工方法的开发，陶瓷的应用范围迅速扩大。 一、陶瓷的加工 1．加工方法 按照供给能量的方式，可将目前陶瓷的加工方法进行分类，具体情况如图4－11。 1磨削 团结磨料加工 2研磨 3超精加工 4砂布砂纸加工 5研磨 6超声波加工 磨料加工 悬浮磨料加工 7抛光 8滚桶抛光 9磁悬浮研磨 力学法 10粘弹流动加工 自由磨料加工 11喷射加工 12切削加工 刀具加工 13切割 14蚀刻 化学法 15化学抛光 光化学法 16光刻 电化学法 17电解抛光 18电火花加工 电学法 19电子束加工 20离子束加工 21等离子加工 光学法 22激光加工 图4－11陶瓷材料的常用加工方法分类 这些加工方法中，机械加工方法的效率高，因而在工业上获得广泛应用，特别是金刚石砂轮磨削、研磨和抛光较为普遍。进行表面精加工时，可采用图4-11中15，710和15所示的方法，其他加工方法大多适用于打孔、切割或微加工等。切割时大多用金刚石砂轮进行磨削切割，打孔时按照不同孔径分别进行超声波加工、研磨或磨削方式加工。 2．陶瓷加工的主要问题 陶瓷加工虽然有许多方法，但加工成本高，加工效率低，加工精度差。其主要原因之一是陶瓷的硬度非常高。 对于陶瓷，未烧体或焙烧体主要用切削加工进行粗加工，烧结后用磨削进行精加工。 根据情况不同，也可以不经加工，直接磨削加工烧结体使之达到设计精度。 就加工过程而言，陶瓷与金属零件几乎是相似的，但陶瓷的加工余量则大得多。未烧体或焙烧体陶瓷粗加工时，易于出现强度不足或表面加工缺陷问题，或由于装卡不充分等原因，而不能获得所要求的最终加工形状。由于烧结时不能保持收缩均匀，在粗加工时就要使尺寸不要太靠近最终尺寸，所以留有的精加工的余量就大。对于金属加工，精加工余量如考虑热变形和热处理产生的黑皮，则应尽可能留百分之几毫米。对陶瓷加工来说，精加工余量则需有几毫米甚至十几毫米。加工余量大，生产率降低，生产成本升高。 陶瓷加工的另一个问题是加工刀具费用大。陶瓷的切削加工需使用高价的烧结金刚石、CBN刀具，精加工也是以金刚石砂轮为主，因此刀具费用要高出金属切削所用刀具数十倍至百倍。此外，陶瓷的强度对于加工条件是敏感的，难于实现高效率加工。 二、加工技术 1．机械加工 机械加工是陶瓷材料的传统加工技术，也是应用范围最广的加工方法。机械加工主要是指对陶瓷材料进行车削、切割、磨削、钻孔等。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。图4－12为切割、磨削、钻削加工示意图。 （1）陶瓷材料的切削加工 切削加工是利用金刚石、立方氮化硼、硬质合金 图4－12 陶瓷的机械加工示意图 等超硬刀具对陶瓷材料进行平面加工，通常采用 a 切割加工 b磨削加工 c钻削加工 湿法切削，即不断向刀具喷射切削液。使用切削液的主要目的是带走切削碎屑、减少刀具与材料的摩擦，降低刀具和加工材料的温度，延长刀具使用寿命、减少材料表面损伤等。由于加工过程中，材料表面受到机械应力作用，容易在材料表面产生凹坑、崩口、表面及表下层微裂纹。刀具、切削液的选择，刀具切削进给速度、进给量等工艺参数的优化，是陶瓷材料切削加工的研究热点问题。 （2）陶瓷材料的磨削、抛光加工 陶瓷烧结体表面，由于在成型、烧结以及加工过程中引人大量凹痕、微裂纹等缺陷，在工程使用及力学性能测试之前通常需经过磨削、研磨和抛光处理。它们的加工机理都是通过磨料与陶瓷工件在一定压力作用下，随着磨料与材料表面的相互运动，磨料颗粒与工件表面凹凸峰相互摩擦以实现材料表面的平整性。磨料、磨削液的选择，作用压力和相互滑移速度的控制是该加工方法的关键。 （3）陶瓷材料的钻孔加工 陶瓷发动机、航天航空、化工机械等工程领域应用的陶瓷零件，通常需要进行孔洞的钻削加工。尤其带有螺纹的孔洞加工是陶瓷材料加工工艺中要求极高的工艺操作。目前机械钻削方法只能加工数毫米的陶瓷孔洞。微小孔洞的加工需要超声、激光、放电加工，以及机械加工等加工技术的复合加工。 2．放电加工 1947年B.R.Lazarenko等提出了放电加工硬质金属材料的新思路。80年代末，放电加工技术被引入陶瓷材料加工领域。研究表明当单相或陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属复合材料的电阻小于100Ω.m时，陶瓷材料可以进行放电加工，加工原理详见第三章。 根据放电加工的基本原理，材料的可加工性能主要取决于电学、热物理性能，如电导率、熔点、比热、导热系数等。 放电加工是制备高尺寸精度、低表面粗糙度、复杂形状高性能陶瓷元件很有应用前景的加工技术，深入研究放电加工工艺控制步骤，设计和制备导电性能和力学性能俱佳的复相陶瓷材料是该方法未来发展的关键。 3．超声波加工 超声波加工是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。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。研究表明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。超声波加工的原理详见第三章。部分陶瓷材料超声波加工的工艺参数如表4-1所示。 表4-1 部分陶瓷材料采用超声波加工的参数 制品名称 磨料 加工速度mm/min 磨料 磨料目数 石英 SiC 320 5.5 单晶ZrO2 SiC 320 3.5 红宝石 SiC 280 0.8 Al2O3 SiC 280 3.6 Si3N4 B4C 280 3.0 SiC B4C 280 3.0 5．激光加工 在陶瓷材料上采用激光钻孔和切割，一般所需激光功率为150W～15kW。但同放电加工一样，由于陶瓷材料热导率低，高能束可能会在材料表面产生热应力集中，形成微裂纹、大的碎屑、甚至材料断裂。激光加工适合于在有机物和陶瓷等无机物材料上进行微钻孔、微切割、制作微结构。目前已能加工直径为4～5μm、深径比达10以上的微孔。通常所用激光源为CO2和NdYAG激光。 6．复合加工 针对不同陶瓷材料及陶瓷材料的不同热力学、物化性能，传统机械加工技术不断完善，同时新型加工技术层出不穷。传统加工技术效率高、尺寸精度低、表面光洁度差，各种新型电、热、化学、激光等加工技术适合加工精度要求高、形状复杂同时具有特定性能导电性、化学特性等的陶瓷材料，但同时具有加工效率低、要求加工形状尺寸小等。近年来，各种复合加工技术在实验室及工程领域得到广泛重视和应用。各种复合加工技术包括化学机械加工、电解磨削、超声机械磨削、电火花磨削、超声电火花复合加工、电解电火花复合加工、电解电火花机械磨削复合加工等。工程实践表明复合加工技术可提高材料的加工 效率和改善加工后材料的表面质量，是陶瓷材料加工技术发展的趋势之一。 下面以化学机械加工中的化学机械效应Chemmechanical来说明复合加工的优势。 在陶瓷材料的磨削、切削过程中，喷射的磨削、切削液通过与加工件表面的相互化学键合，对材料的去除率及表面光洁度有显著的影响。由于加工摩擦产生的机械能，引发许多复杂的化学反应。这种所谓的“化学机械效应”直接影响机加工过程中的摩擦系数、刀具或砂轮的磨损率、材料表面的粗糙度及力学性能、材料的去除率等。因此分析和研究磨削、切削液的理化性能对陶瓷材料加工性能的影响，选择适当的切削、磨削液也非常重要。Liang H．等研究了切削液、磨削液与蓝宝石、氧化铝多晶材料、单晶硅、氮化硅、碳化硅和硅玻璃等在加工中的化学机械作用。研究表明硼酸和硅酸的水溶液分别作为不同陶瓷材料的切削液，其钻孔效率比水和商用切削液提高50％左右。Jahanmir S.等发现，在加工氧化铝多晶材料时，硼酸替代水作切削液，钻孔率提高，而硼酸对蓝宝石和硅基陶瓷材料则末发现相同的效应。估计可能是硼酸与氧化铝多晶材料的无定形晶界相反应，促使晶粒间发生断裂，提高了材料加工过程中的去除率。另一种化合物硅酸不与氧化铝相互作用，却可提高单晶硅、氮化硅、碳化硅材料的加工性能，目前该化学机械作用的机理还不清楚。 第三节 塑料的加工 工业上使用的塑料零件，大多是用注塑方法制成的。但是，在以下情况下需要经过切削加工，方能获得更精确、更复杂的零件，满足使用要求。 1 对于以板材、棒材和管材供货的原材料，需经过切断、截料方能成为零件。 2 当产品批量较小，花费大量基本投资进行设计与制造注塑模具和模压模具成本高时，用切削方法加工零件来代替传统的成形方法较为适宜。在有些情况下，甚至完全用机械加工方法获得塑料零件也是合算的，因为这样可以利用现有的金属切削设备。 3只有用车削、钻削、扩孔、磨孔和攻螺纹等方法进行切削加工，方能达到机器零件要求的尺寸精度和表面粗糙度数值。 4清理塑料坯件的浇口、冒口、飞边、毛刺和注塑成型时产生的伤疤等，只有用机械加工方法才能修复。 塑料制品或制件的机械加工，可分