陶瓷材料機加工工藝參數的優選

黃愛華，王強

(1.江西工業工程職業技術學院，江西萍鄉337055;2.井岡山大學，江西吉安343009;3.吉安市仿生包裝工程技術研究中心，江西吉安343009)

近年來，隨著陶瓷材料的迅猛發展，它在工業上得到了越來越廣泛的應用，同時也對其性能和加工質量提出了更高的要求。陶瓷材料的硬脆性及良好的耐磨性、耐腐蝕性、電絕緣性等特性，導致機械加工難度大、成本高，而且會導致陶瓷零件的強度下降，從而限制了陶瓷材料的使用［1］。研究質量好、效率高、成本低的機加工技術，將促進陶瓷材料在各領域應用的深入［2］。陶瓷材料是典型的硬脆難加工材料，改善陶瓷零件機加工質量的方法，主要是合理選擇加工工藝參數、改善材料加工性能、優化設計材料顯微結構。其中，機加工工藝參數的優化選擇最為重要，也是效果好、成本低的方法。

1 實驗設計

應用表面響應法［3］，擬合響應面模型，確定影響陶瓷材料機加工性能的主要因素，優化機加工工藝參數。采用回歸方程擬合實驗因素和響應面之間的函數關系，將多元回歸分析、最小二乘法和實驗設計相結合，進行實驗工藝參數和過程設計，對回歸方程進行分析即可得到最佳的加工工藝參數組合［1，4］。

1.1 一階響應面模型

在實驗設計基礎上，建立設計變量與產品響應量的函數關系，即為響應面模型。一階響應面模型就是線性響應面模型，也就是響應量(即輸出特性)Y 和實驗因素X 間的函數關系與線性函數近似。

設有n 個獨立的實驗因素Xi(i = 1，2，…，n)，它與響應量Y 之間呈線性函數關系:

Y=β0+β1X1+…+βnXn+ε

式中:β0，β2，…，βn為待定系數，根據實驗數據采用最小二乘法來估算;

ε 為擬合誤差，是一個隨機噪聲因素，服從正態分布。

1.2 二階響應面模型

在許多情況下，響應量與影響因素之間的關系并不是線性函數關系，而是復雜的非線性關系如二階模型，這就要用響應曲面法來進行參數優化。

假設Xi∈R，其中R 是實驗因素Xi所允許的范圍，則二階響應曲面的模型為:

式中:β0，β1，…，βn，β11，β12，…，βnn通過最小二乘法估算得到，再通過方差分析和F 檢驗確定模型的可行性。

通過優化理論找出響應面輸出最大值，即為最優的工藝參數值。

2 刀具

硬質合金刀具允許的切削速度是高速鋼刀具的3倍。在同等條件下加工陶瓷材料，硬質合金鋼刀具的磨損量比高速鋼刀具的磨損量要少得多［5］，其磨損量的比較見圖1所示。加工陶瓷材料時，應優先選用硬質合金刀具［6］。

幾何角度是刀具切削部分幾何形狀的重要參數，直接影響陶瓷機加工的質量以及切削的穩定性［7］。

圖1 硬質合金與高速鋼刀具的磨損量比較

2.1 前角

在刀具的幾何參數中，前角對切削力的影響最大。前角增大，切削變形與摩擦力減小，切削力相應減小，即切削力隨著刀具前角的增大而減小。陶瓷是典型的脆性材料，塑性變形小，形成的切屑屬于崩碎狀，前角的作用不顯著。為了保護刀刃，提高刀頭強度，應取較小的刀具前角。

2.2 后角

后角的主要作用是減小刀具后刀面與加工表面的摩擦，刀具前角確定后，后角的大小和刀刃的鋒利程度成正比，也影響刀刃的散熱，從而影響刀具的耐用度。后角的大小，關系到后刀面與工件間的摩擦、切削刃的銳利程度等，但后角太大將使刀刃強度和傳熱能力減小。

加工陶瓷材料時，通常根據背吃刀量來選擇后角。粗加工時，背吃刀量大、進給量大，后角取小值;精加工時，背吃刀量小、進給量大，后角取大值。陶瓷材料的強度、硬度高，為加強切削刃，一般采用較小后角。

2.3 主偏角

采用大的主偏角，能夠有效減小切削力，但會降低刀具耐用度，也使得加工表面粗糙度變差。加工陶瓷材料時，為改善刀頭散熱條件及強度，降低切削溫度、提高刀具耐用度，獲得較好的零件表面粗糙度，應選用較小的主偏角、較大的刀尖圓弧半徑，在靠近刀尖處設置一個過渡刃。

3 背吃刀量

根據機加工條件和陶瓷零件的加工要求，選擇合理的切削用量(背吃刀量、進給量、切削速度)，對于提高機加工生產率和刀具耐用度、保證加工質量、防止陶瓷零件脆性斷裂極其重要。在刀具材料相同的條件下，背吃刀量、進給量和切削速度的取值不是由某一個因素決定的，應綜合考慮陶瓷零件的加工方式、加工工藝要求和零件材料特性等因素，優化得到最佳值。

背吃刀量對加工質量及刀具耐用度影響較小，如果刀具耐用度為定值，要保證最高的生產率即金屬切除率最大，顯然應該首先盡量選擇大的背吃刀量。粗加工的背吃刀量根據工序余量而定，除留下后續工序余量外，粗加工余量盡量一次加工完成，以使走刀次數最少。

通過正交試驗，得到加工陶瓷材料背吃刀量的優化值為:粗車外圓1.5 ～4 mm，精車外圓0.02 ～0.1 mm;鉆削深度9.5 mm。

4 進給量

確定背吃刀量后，根據機床動力和工藝系統的剛性或零件加工表面粗糙度的要求，盡量選擇大的進給量。進給量是影響加工零件表面粗糙度的主要因素，太大會造成零件加工表面質量下降，要提高表面質量必須采用較小的進給量［8］。粗加工時，進給量的選擇受切削力的限制，在工藝系統強度和剛度允許的情況下選擇較大的進給量;半精加工和精加工時，進給量的值比粗加工時小，產生的切削力不大，故進給量主要受到零件表面粗糙度要求的限制，一般選較小值。進給量和表面粗糙度的關見圖2。

切削陶瓷材料時，若進給量大于0.228 6 mm/r，零件加工表面會出現嚴重破裂。通過正交試驗，得到加工陶瓷材料進給量優化值為:粗車外圓時0.15 m/r，精車外圓時0.06 mm/r;鉆削時0.3 mm/r。

圖2 進給量和表面粗糙度的關系

5 切削速度

根據選擇切削用量的基本原則，應該在背吃刀量和進給量確定后，再根據刀具耐用度選擇切削速度。切削速度是影響機加工性能的主要因素，切削速度對切削力的影響呈馬鞍形變化，切削速度與刀具磨損的關系見圖3所示。

圖3 切削速度對刀具磨損的影響

切削陶瓷時，應采用低的切削速度。一般僅為鑄鐵切削速度的一半，這樣零件及刀具的溫度較低，可避免加工表面裂紋［9］。正交試驗得到的切削速度優化值為:粗車外圓15 m/min，精車外圓10 m/min;鉆削速度10 m/min。

6 結束語

陶瓷材料的切削加工過程和金屬材料有著明顯的不同［10］，但只要合理選擇加工方法、刀具、切削用量、冷卻方法，優化工藝參數，采用普通刀具和傳統機械加工方法進行陶瓷材料的切削加工，完全有可能達到工藝簡單、效率高的加工效果。

【1】陳垚.可加工陶瓷機械加工技術研究［D］.天津:天津大學，2007:10－39.

【2】黃春峰.工程陶瓷加工技術的發展與應用［J］.工具技術，2000(12):3－6.

【3】陳品，吳兆華，黃紅艷，等.表面響應法在埋置型大功率多芯片微波組件熱布局中的應用研究［J］.電子質量，2001(1):40－43.

【4】石振鵬.45Cr 淬硬鋼薄壁件車削工藝優化研究［D］.天津:天津大學，2008:5－36.

【5】馬廉潔.可加工陶瓷切削加工的實驗研究［D］.天津:天津大學，2004:24－26.

【6】GROSSMAN D G.Machining a Machinable Glass-ceramic［J］.American Machinist，1978(5):139－142.

【7】郭春麗.陶瓷零件的加工方法［J］.陶瓷，2006(3):21－24.

【8】賈志新，艾冬梅，張勤河，等.工程陶瓷材料加工技術現狀［J］.機械工程材料，2000(2):2－4.

【9】白雪清，于愛兵，賈大為，等.可加工陶瓷材料機械加工技術的研究進展［J］.硅酸鹽通報，2006(8):130－136.

【10】鐘利軍，于愛兵，劉家臣，等.可加工陶瓷材料的機械加工技術［J］.現代技術陶瓷，2003(2):41－45.