高精度陶瓷球材料結構概念的理論與應用研究*

汪文忠

(浙江省陶瓷工業協會 杭州 310004)

1 國內外研究現狀

1.1 典型結構陶瓷材料的研究應用現狀

目前陶瓷的應用前景廣闊，主要分為功能陶瓷和結構陶瓷。功能陶瓷的主要用途是利用材料的磁、電、光、生物的耦合特性，實現特定功能。結構陶瓷材料是指具有耐高溫抗磨的陶瓷，可作為高性能機械結構零件，本文提到的用于制造高精度陶瓷球的陶瓷材料屬于此類。

合成陶瓷材料的商業研究開發始于20世紀60年代，我國起步較晚，始于20世紀70年代。在使用助燒劑的同時，材料中的氣孔無法完全消除。針對這一特點的研究是個研究熱點。當然相對的高價位，也是限制其快速發展的一個重要原因。

1.2 陶瓷球研磨成球原理與研磨條件

1.2.1 陶瓷球研磨成球原理

球面加工過程實際就是一個漸進的被加工成理想球面的過程。理想球體，它的每個截面都是一個正圓。首先給研磨器具一個繞Z軸自轉的角速度∞，進而實現對球面區域的研磨加工。被加工球體也會在磨盤的帶動下以一定的自轉角速度自轉，球體與研磨器具的接觸區域就會實時變化。研磨器具的研磨跡線對被加工球體實現全包絡和實現均勻包絡是獲得高形狀精度的球體的前提條件。

陶瓷球研磨成球如下兩種條件：

1.2.2 研磨條件

1.2.2.1 切削的等概率性

對于被加工的每個點在球面上都有相同的加工概率。

1.2.2.2 尺寸選擇性

磨大球，或少磨小球；磨長軸方向，不磨或少磨短軸方向。

1.3 陶瓷球的研磨方式

各研磨加工方式在很大程度上，決定著加工成球的質量，所以研磨加工方式對陶瓷球的影響是十分重要的。研磨加工方式對切削等概率性和尺寸選擇性的符合程度越高，球的合格率就越高。陶瓷球的研磨加工方式還是沿用了傳統的鋼球加工方式，分為V形槽研磨和自轉角主動控制，磁流體研磨和四研具研磨加工方式。

1.4 陶瓷球材料性能與表面質量的研究現狀

陶瓷球材料是高精度球體成球的首要保證。陶瓷材料性能的高低是生產原料、制備技術的共同作用結果，不同的原料和制備技術對陶瓷材料性能的結果會產生很大差異。物理性能是時下陶瓷球材料性能的主要研究熱點。

2 考慮材料結構特性及其強度準則及模型

材料結構性在宏觀上主要由3個因素決定：結構的臨界強度、結構剛度和幾何形態變化。但這3個因素又受制于材料的微觀結構，所以材料的微觀形態是最終決定材料結構性的因素。

2.1 宏觀材料結構特性

該描述理論的材料全狀態函數，是材料結構的臨界強度，能較為全面地反映材料的基本性能的一種方法。結構臨界強度的變化規律是其重要基礎。這一關系反映出以下兩方面含義：

1)經典理論意義上的材料強度曲面具有局部性和特定性。

2)材料各結構狀態下的強度特性，就構成了材料全狀態函數從整體上、結構變化，其他全部可能性上和結構變化的路徑，反映了材料強度的宏觀特性。

2.2 結構性材料模型的選用和強度準則

筆者選用顆粒結構材料模型進行分析以利于討論上的方便。假設材料的顆粒之間均勻分布，各顆粒間強度分布的概率是均衡的，構成簡單的結構關系。壓強度和平行切平面的剪切強度在整個統計域中是隨機均勻分布的。

3 陶瓷球材料結構性的描述理論及模型

3.1 宏觀材料結構特性的描述理論

材料全狀態函數理論是描述材料結構的臨界強度、剛度和幾何形態變化的規律。

3.2 結構性材料的模型

分析結構性材料的特征，以發現微觀或細觀層面上，材料具有很強的不均勻性。

4 結語

高精度陶瓷球作為陶瓷球軸承的重要組成元件，市場的需求每年增多，然而國內高精度陶瓷球的生產能力較弱，很難滿足市場需求。筆者對陶瓷球材料性能和球體表面質量的研究與評價，意在促進陶瓷球加工和生產的技術推進，材料性能的研究方面以氮化硅陶瓷材料為主，通過對幾種類型度準則的分析，可以發現其強度的形式與經典彈理論完全一致。結構簡單的材料只是結構性復雜材料的特例。尤其是20世紀80年代美國、日本、瑞士等國家爭先對其性能成分摻雜相結構和磁結構做了充分研究，并在此基礎上開發了大量的實用器件。

1 黃傳真,楊為清,艾興.新型陶瓷軸承研究的現狀與展望.中國陶瓷工業,1999,6(2):25～27

2 王國強,王玉金.高速數控機床主軸用陶瓷軸承的研究進展.軸承,2003(9):49～51

3 俞茂宏.工程強度理論.北京:高等教育出版社,1997

4 鄭穎,仁沈球,江龔曉.南巖土塑性力學理論.北京:中國建筑工業出版社,2002

5 Zhen Yingren,Shen Zhujiang,Gong Xiaonan.Geotechnical plastic mechanics.China Architecture & Building Press,2002(9):12～15

6 劉振亞.智能電網技術.北京:中國電力出版社, 2010

7 盧啟柱,劉豐, 蘆鑫,等.有源型光纖電流互感器的研究.光通信技術, 2009(6):54～56