（机械制造及其自动化专业论文）cezro2cepo4复合陶瓷可加工性的研究.pdf

摘要 可加工性是产品设计和材料选择必须考虑的内在因素。通过陶瓷材料可 加工的难易程度，可以选择合理的工具参数、加工参数以及其它机加工条件， 实现陶瓷材料的有效加工。本论文全面考虑影响材料可加工性的多种因素，应 用模糊数学中的模糊综合评判原理和图论中的有向图理论，用两种方法对陶瓷 材料的可加工性进行综合评价。评价结果对陶瓷材料的加工过程中工具和工艺 参数的确定具有重要指导作用。 应用模糊综合评判原理，以陶瓷材料的物理、力学性能为依据，建立了 陶瓷材料可加工性评价的模糊综合评判模型。评判中引入隶属函数和特征加 权，使可加工性边界模糊化，采用可变权重，突出主要因素影响。研究结果表 明，综合评价结果能准确反映陶瓷材料的可加工性。 应用有向图理论，以与材料加工去除相关的参数为可加工属性，构成有 向图的顶点，以各属性之间的相互关系为有向图的边，建立了陶瓷材料可加工 性评价的有向图模型。根据有向图模型，建立可加工属性矩阵，并由矩阵的积 和式函数计算出材料的可加工性指标，从而判断材料的可加工性。有向图模型 可以综合考虑多种属性及属性问的相互关系，可对陶瓷材料的可加工性作出正 确、完整的评价。 制备出六种不同c e p 0 4 含量的c e z r o 。c e p 0 4 复合陶瓷材料，测试了材料 的性能，并对制备的陶瓷材料进行了钻削、车削和磨削加工试验。通过材料的 钻削率、磨削力以及s e m 照片，研究了稀土氧化物可m t 陶瓷材料的可加工性。 本论文所提出的评价方法将陶瓷材料的可加工性的评价建立在材料性能 参数分析的基础上，在加工之前确定材料的可加工性，可以替代加工实验。所 提出的陶瓷材料的可加工性评价方法，易于运用计算枫来处理，是一种简单、 方便的评价方法。 关键词：可加工陶瓷可加工性综合评判模糊有向图 a b s t r a c t t h em a c h i n a b i l i t yo fc e r a m i cm a t e r i a l s ，s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n td u r i n g t h ep r o d u c td e s i g n ，t h em a t e r i a l sa r eo f t e ns e l e c t e do nt h eb a s i so f m a c h i n a b i l i t y m a c h i n a b i l i t yc a nb ea p p l i e dt op r o v i d et h eb a s i sf o rd e t e r m i n i n gt h eo p t i m u m m a c h i n i n gp a r a m e t e r s ，a n d t od e s i g nc e r a m i c sw i t hb e t t e rm a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c s b yc h o o s i n gt h ed e s i r e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h i sp a p e rc o m p l e t e l yc o n s i d e r e d v a r i o u si n f l u e n c ef a c t o r so f m a c h i n a b i l i t y ，b a s e d o n f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nt h e o r ya n dd i g r a p ht h e o r y , t h em a c h i n a b i l i t yo fc e r a m i cm a t e r i a l sw e r e e v a l u a t e dw i 协t w om e t h o d s t h em a c h i n a b i l i t ye v a l u a t i o nw i l lb ea l l i m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rd e t e r m i n a t i o no ft o o l sa n dm a c h i n i n gp a r a m e t e r s d u r i n gc e r a m i c m a c h i n i n gp r o c e s s e s b a s e do i lt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc e r a m i cm a t e r i a l s ，f u z z y c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n p r i n c i p a l i nt h e f u z z y m a t h e m a t i c sw a s a p p l i e d t o e s t a b l i s ham o d e lo f m a c h i n a b i l i t ye v a l u a t i o no fc e r a m i cm a t e r i a l s t h eb o r d e r l i n e o f m a c h i n a b i l i t yw a sf u z z yb y r e a s o no f t h e m e m b e r s t f i pf u n c t i o na n dt h ew e i g h t e d a v e r a g e i nt h ee v a l u a t i o n v a r i a b l e w e i g h t s w a ss e l e c t e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tt h em a c h i n a b i l i t yo f c e r a m i c sc a nb ee v a l u a t e da c c u r a t e l y b a s e do n d i g r a p ht h e o r yi nt h eg r a p h ，m a c h i n a b i l i t ya t t r i b u t e so f t h em a t e r i a l s w e r et a k e na st h en o d e sa n dt h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e na t t r i b u t e sw e r et a k e na st h e e d g e s ，t h ed i g r a p hm o d e lf o rm a c h i n a b i l i t ye v a l u a t i o no fc e r a m i c sw a ss e tu d a c c o r d i n g t ot h e d i a g r a p hm o d e l ，t h em a c h i n a b i l i t y a t t r i b u t em a t r i xw a s c o n s t i t u t e d t h e nm a c h i n a b i l i t yi n d e x e so fc e r a m i cm a t e r i a l sw e r ec a l c u l a t e dw i t h p e r m a n e n t f u n c t i o na n dm a c h i n a b i l i t i e so ft h ec e r a m i c sw e r e e v a l u a t e d m a c h i n a b i l i t y a t t r i b u t e sa n dt h e i rc o r r e l a t i o n sc a nb et a k e n i n t oa c c o u n t s i m u l t a n e o u s l yb yd i g r a p hm o d e l s o ，t h em a e h i n a b i l i t yo fc e r a m i c s c a nb e e v a l u a t e dc o r r e c t l ya n d c o m p l e t e l yb y t h i sm e t h o d i nt h i sp a p e r , s i xc o m p o s i t e s c o n s i s t i n go fc e p 0 4 a n dz i r c o n i aw e r ef a b r i c a t e d a n dm e a s u r e d t h e nt h ec e r a m i cm a t e r i a l sw e r ed r i l l e d ，c u ta n d g r o u n d t h e m a c h i n a b i l i t y f o rm a c h i n a b l ec e r a m i c s c o n t a i n i n g r a r e e a r t h p h o s p h a t e s w a s a n a l y s e dw i t h t h em a t e r i a lr e m o v a l r a t e s ，g r i n d i n gf o m e sa n ds e m t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o de v a l u a t e sm a c h i n a b i l i t y o fc e r a m i cm a t e r i a l sa c c o r d i n gt op r o p e r t yp a r a m e t e r sa n a l y s i s ，m a c h i n a b i l i t yc a d b ee v a l u a t e di na d v a n c eo fc e r a m i c s m a c h i n i n gp r o c e s s e s a n d r e p l a c e t h e m a c h i n i n gt e s t s m o r e o v e r , t h em e t h o di se a s i l ya n dc o n v e n i e n t l yc a l c u l a t e dw i t h c o m p u t e r k e y w o r d s ：m a c h i n a b l e c e r a m i c s m a c h i n a b i l i t yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n f u z z yd i g r a p h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砧甜鲁签字日期：扣，年。月龈同 j 子1 旦记义厥仪1 殳用= | 芟权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 刷磁轹孑鸦 签字日期：力年上月2 2 日 辱邛 一= j j 辱 目 毡肛 昏 年 签 ； 储 抄 文 期 论 日 位 字 学 签 第一章绪论 第一奉绪 论 材料是人类物质生活和文明进步的基础。作为三大基础材料之 一的陶瓷材料，因其高强度、高硬度、耐高温、耐磨损及耐腐蚀等 一系列独特的优良性能，在航空航天、军工、核能、机械、电子、 医学、化工、冶金等领域日益显示出广阔的发展前景。科学家们曾 预言，2 0 世纪是塑料的世纪，而2 1 世纪将是陶瓷的世纪。 作为典型的硬脆难加工材料，陶瓷材料的机械加工通常需选择 金刚石工具，而无法应用普通的高速钢或硬质舍金工具，致使机加 工费用占产品成本的较大比例，特别是某些具有复杂的结构，在应 用时需具备严格的尺寸公差和形状精度的陶瓷制品，更增加了陶瓷 材料的加工难度和加工成本。而且机加工会导致材料的强度下降， 影响材料的使用性能，限制了陶瓷材料的使用。因此，陶瓷的高效、 精密、低成本机械加工技术将促进陶瓷材料在各领域更广泛的实际 应用。一般可通过三种途径改善陶瓷材料的加工状况：提高工具性 能，如纤维增强铸铁基金刚石砂轮，以增加工具寿命和加工效率： 应用各种新加工工艺，以实现陶瓷的高精度、高效率、低成本加工， 如加热切削技术；以及选用可加工陶瓷材料。显然，研制具备司加 工性的陶瓷材料，从根本上满足了陶瓷材料的加工要求，降低了机 加工成本。对于可加工陶瓷材料的研究，近年来有了长足的发展， 己成为材料学科的一个热点研究领域。 可加工陶瓷材料，通常是指在常温状态下，可由普通切削刀具 如高速钢、硬质合金及普通砂轮等，加工出具有一定尺寸要求、形 状精度及表面质量的陶瓷材料。可加工陶瓷材料的共同特点在于通 过控制和调整陶瓷的显微结构及晶界应力，在陶瓷基体中引入层状、 片状或孔形结构等特殊的显微结构，在陶瓷内部产生弱结合面，实 现陶瓷材料的可加工性。广泛应用的机理为“桥联”效应( b r i d g i n 9 1 ， 相互交错的晶粒或第二相粒子的拔出效应阻碍裂纹的进一步扩展， 材料的韧性变成裂纹尺寸的增函数，即所谓t - 曲线特性或r 一曲线特 性。增强桥联效应的重要因素在于控制引入微结构量级的弱界面， 使主裂纹偏转和生成有效的相互交错结构，激发r 一曲线【i “】。 第一章绪论 近年来，随着高性能陶瓷应用领域的不断扩展，现代高科投产 业的发展对陶瓷材料性能提出了各种需求和更为苛刻的要求。因此， 研制与开发具有较高力学性能的可加工陶瓷便显得日益迫切了。 1 1 可加工陶瓷材料 可加工陶瓷材料可分为三大类型：云母玻璃陶瓷、氧化物可加 工陶瓷和非氧化物可加工陶瓷材料。 1 1 1 可加工玻璃陶瓷 玻璃陶瓷材料是研制最早也是目前应用较广的可加工陶瓷材 料。玻璃陶瓷是通过玻璃晶化而制得的微晶体和玻璃相均匀分布的 多晶材料。19 7 0 年b e a l lg h 首次由s i 0 2 - b 2 0 3 a 1 2 0 3 一m g o k 2 0 f 系玻璃制备出含云母晶体的玻璃陶瓷【7j 。因为碱金属离子问不能建立 紧密的结合，致使碱金属离子层( 0 0 1 ) 面的离子键结合强度较弱，在 外力作用下，裂纹容易沿云母晶体内薄弱面传播，也易在弱的玻璃一 云母界面形成，耗散裂纹扩展能量，因此，这种材料具有可加工性。 通过组分和工艺控制，在玻璃机体中，随机析出具有大长径比的针 状或层状云母晶体，形成交错的云母晶体框架结构，晶体的这种框 架结构控制着裂纹的扩展方向，抑制裂纹的自由扩展，从而提高玻 璃陶瓷材料的可加工性和材料的强度及韧性【8 。如通过改变组分，以 b a ”替代k + ，增加层间离子键的结合强度；引入z r 0 2 相变增韧机 制，提高材料的韧性；通过特殊的热处理方案，获得显微结构为“卷 心菜”形状的聚合云母晶体1 9 1 。 可加工玻璃陶瓷的成分组成通常为r z o m g o a l2 0 3 一s i 0 2 一f 体系 其中r 表示碱金属，常见的云母相结构有：氟金云母( 理论分子式为 k m 9 3 a i s i 3 0 lo f 2 ) ，锂云母 ( n a 2 0 ，k 2 0 ) l i ( m g ，f e ) a 1 s i 3 0 l l f 2 和四 硅酸氟金云母( k m 9 25 a 1 s i 4 0 lo f 2 ) 。其中以氟金云母最为常见。云母 玻璃陶瓷主要制备方法有烧结法，熔融法和s 0 1 g e l 。熔融法是常用 制备方法之一。其主要制作工艺过程为：配料哼研磨一混料斗煅烧斗 浇注斗晶化热处理，其中化学成分配比对玻化过程和晶化过程有明 显影响，是云母玻璃陶瓷材料可加工性的主要影响因素【l 。 可加工玻璃陶瓷材料的弯曲强度一般在10 0 m p a 左右，断裂韧性 第一章绪论 lm p a m 】2 ，硬度在4 g p a 左右，通过工艺改进和相变增韧，弯曲强 度达5 0 0 m p a ，断裂韧性达3 2m p a r n 2 【1 “。玻璃陶瓷材料以其独 有的电性能和良好的生物活性广泛应用于航空航天、电子以及生物 医学领域。但由于玻璃陶瓷内部存在玻璃相，在高温状态下( 尤其 温度高于8 0 0 。c ) 出现玻璃相软化或晶粒的粗大现象，使得可加工玻 璃陶瓷不适合作为高温工程材料。 1 1 2 可加工氧化物陶瓷 在氧化物陶瓷材料如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、3 a 1 2 0 3 2 s i 0 2 中添加稀土 磷酸盐如l a p 0 4 、c e p 0 4 ，形成稀土氧化物可加工陶瓷材料。稀土磷 酸盐本身具有良好的可加工性，且与氧化物陶瓷具有良好的化学相 容性，并可形成氧化物与磷酸盐晶粒之间的弱界面，弱界面处微裂 纹的形成与连接是稀土氧化物复合陶瓷材料具有可加工性的主要因 素【l2 l 。氧化物之间的结合较弱，材料的加工去除通过两相间弱联接 界面处裂纹的形成而完成。这种材料具有良好的高温稳定性，可胜 任10 0 0 。c 以上的高温。采用烧结法制各材料的一般工艺过程为：配 料斗混料_ 注浆斗烧结。通过组分设计和结构剪裁，可获得细粒度的 复相陶瓷材料3 - 16 1 。另外，作为生物陶瓷的p c a 3 ( p 0 4 ) 2 本身不具备 可加工性，通过添加稀土磷酸盐d y p 0 4 ，用普通刀具便可实现材料 的钻削和切削加工，材料具有可加工性 17 1 。主要特性如下，弯曲强 度3 0 5 0 m p a ，硬度2 3 g p a 。 1 1 3 可加工非氧化物陶瓷 目前，研制开发了多种非氧化物可加工陶瓷材料，如复相陶瓷、 m 。l a x 。类化合物及多孔陶瓷等。其中原位增韧s i c a 1 2 0 3 y 2 0 3 体 系被认为是最有吸引力的s i c 基陶瓷体系之一。通过原位法制备的 含钇铝石榴石( y a g ) 的复相y a g s i c 陶瓷，其剪裁的显微结构包含 长晶粒、弱界面和因热膨胀失配引起的高内应力。其中，钇铝石榴 石分子式为y 3 a l5 0 1 2 ，属立方晶系，是目前所知的抗蠕变性能最好 的氧化物材料。第二相y a g 添加量的体积比为2 0 ，复相y a g s i c 陶瓷中s i c 晶粒呈长柱状，长2 5 - t m ，厚3 l a m 。y a g s i c 陶瓷具有松 散连接的层片状结构，在弱界面裂纹易沿主应力迹线偏转，有效减 第一章绪论 少宏观裂纹的生成，材料的断裂模式为沿晶界断裂。y a g s i c 陶瓷 与普通脆性材料h e r t z i a n 压痕接触圆外的锥形宏观裂纹不同，复相 y a g s i c 陶瓷在接触圆下呈现分散的微裂纹分布区域，如果施加重 复载荷，则产生晶粒尺寸范围的材料去除i l “。s i c c 体系的层状复 合陶瓷，由于界面层对裂纹的钝化与偏转，其断裂韧性与基体材料 相比，发生了很大变化。如s i c c 复合陶瓷材料断裂韧性从基体的 3 6m p a m 2 提高到1 jm p a m 2 f 19 1 ，抗弯强度亦有所提高。s i 3 n 4 b n 是在s i 3 n 4 基体中引入具有层状结构的纳米级六方氮化硼( h - b n ) 作 为弥散相而得到的复合陶瓷。该材料具有高的抗热振性，较高的强 度。由于弱界面的存在，使材料的断裂机制出现类似金属材料的塑 性变形，从而具有良好的可加工性能。 其中，m a x 。体系是一种综合了金属与陶瓷多种优良性能的层 状化合物 2 0 1 。其中m 为过渡金属元素，a 为i i i 。或a 族元素，x 为 c 或n 原子。如t i 3 s i c 、t i 3 g e c 2 、t i 2 a 1 n 、t i 2 a l c 、t i 2 g e c 以及 t i 4 a 1 n 3 等。该类化合物具良好的导电、导热性能，高温下呈塑性， 良好的可加工性，同时具有抗热氧化能力，高熔点和优良的抗热振 性。 t i 3 s i c 2 由八面体的t i c 联结平面s i 层构成，属六方晶体结构。 t i 3 s i c 2 陶瓷具备金属和陶瓷的多种特性，是良好的电、热导体，高 温下呈塑性，具有与石墨一样的可加工性，与陶瓷一样的抗热氧化 能力，高熔点，并具有优良的抗热振性，在1 4 0 0 。c 温度淬火冷却， 并未影响其弯曲强度。可通过热压烧结、自蔓延高温反应烧结以及 微波烧结等方法制备t i 3 s i c 2 材料，其中利用t i 、石墨和s i c 粉通过 反应热压法，在4 0 m p a ，1 6 0 0 0 c 保温4 小时，制备出的t i s i c 2 陶 瓷材料，其室温断裂强度为6 0 0 m p a ，硬度为4 g p a ，弹性模量为 3 2 0 g p a 。这种集多种优良性能于一体的陶瓷材料是不多见的，预示 着其广泛的应用前景【2 1 “j 。 多孔陶瓷具有低的弹性模量，赋予陶瓷材料良好的可加工性。 如可加工多孔s i c 材料 2 ，抗弯强度和弹性模量分别为2 0 0 m p a 和 1 2 0 g p a 。以柱状b s i 3 n 4 晶粒在三维方向随机连接为特征的多孔 s i 3 n 4 陶瓷 2 4 1 ，可用硬质合金刀具加工。选择合理的孔隙率，使陶瓷 材料既具有较高的强度，又具备优良的可加工性至关重要。 第一章绪论 1 2 可加工陶瓷材料的机械加工特性 1 ，需选择适宜的加工工艺参数。对于可加工陶瓷而言，可以采 用普通的刀具和传统的机械加工方法进行切削加工，工艺简单，加 工效率高，但在加工时要特别注意合理选择加工方法、夹具、刀具 材料、刀具角度、切削用量以及冷却方法等。可加工陶瓷材料与金 属材料的切削加工过程存在显著差异，硬脆特性仍然是可加工陶瓷 材料难加工的主要因素之一，刀具磨损较快。图卜1 示出硬质合金 刀具切削m a c o r 可加工云母玻璃陶瓷材料切削过程的刀具磨损曲线。 其切削条件如下：切削速度3 0 4 8 m r a i n 、切肖0 深度2 5 4 m m 、进给量 o 2 2 8 6 m m s 、无冷却液。可以看出，在加工初期硬质合金刀具迅速 磨钝，刀具磨损较快。为避免过高的切削热和工件表面产生宏观裂 纹及崩边现象，云母玻璃陶瓷的切削速度一般选择铸铁切削速度的 一半，并采用水基冷却液1 2 5 。针对不同的可加工陶瓷材料，如伺选 择合理的切削用量、刀具角度、冷却等加工参数，关系到材料的加 工质量。 ol o2 03 04 05 0 时间( m i n ) 图1 1 硬质合金刀具的磨损 2 朝 为了比较不同刀具材料对可加工玻璃陶瓷材料的切削性能，选 择三种刀具材料：普通高速钢、硬质合金、和电镀金刚石工具，在 车床上进行无冷却钻削加工试验，材料去除率如图卜2 所示。固定 轴向钻削力6 0 n ，钻削速度5 2 0 r p m ，孔径5 m m 。本组试验中高速钢 刀具的切削能力最弱，进给深度达到0 15 m m 后，刀具已经变钝，后 3 2 l o o o o 一星一：喜骚逝喊r 第一章绪论 刀面磨损量v b 为o 3 0 r a m ，失去切削能力。硬质合会刀具的进给深 度达到o 3 t u r n 后，刀具也已变钝，后刀面磨损量v b 为0 1 0 m m ，但 刀具仍具有少量的切削能力。金刚石刀具的切削能力最强，在进给 深度达到1 0 0 m m 后，仍无明显的磨损。 量2 5 0 j2 0 0 重 曩 稍5 0 萎 o ； 豳 。 嘲1 l 高速钢硬质合金金刚冶 图1 2 三种刀具材料的切削性能比较 2 低材料加工损伤。非氧化物陶瓷如s i c 、s i 3 n 4 难于加工并且 机加工后常导致陶瓷材料的强度下降，影响材料的使用性能。复相 陶瓷的研制成功，使非氧化物陶瓷变得易加工，而且不影响其性能。 图1 3 示出普通s i c 陶瓷材料( 粒径4 “m ，强晶界结合，穿晶断裂 模式) 与复相y a g s i c 陶瓷的表面磨削前后的弯曲强度变化情况。 磨削条件：磨削速度4 0 m m s ，法向磨削压力4 0 0 p a ，金属基金刚石 砂轮、磨粒粒径1 2 5 p m ，矿物油冷却。普通陶瓷材料与复相y a g s i c 陶瓷的材料去除率( 单位时间内的磨削深度) 分别为0 0 8 t m s 和 o 2 0 t m s 。普通s i c 陶瓷磨削后的表面中位裂纹深度为15 9 i n ，弯曲 强度从磨削前的4 5 2 + 5 2 m p a 降为磨削后的2 8 l - 4 - l3 m p a ，而y a g s i c 陶瓷材料的加工损伤较小，磨削前后的弯曲强度分别为3 5 3 + 4 5 m p a 和3 8 2 1 2 m p a 。力学性能几乎没有变化。y a g ，s i c 陶瓷的显微结构 设计可成为一种提高材料可加工性，而不牺牲强度和韧性的有效途 径f 14 1 。 第一章绪论 n 一一口 口加丁前 加1 = 后 一一s i 旦一一 ! 堕y h g 一 图】3 材料的强度变化f 2 0 1 3 材料沿晶断裂去除。可加工陶瓷材料的共同特点在于在陶瓷 基体中引入特殊的显微结构，如层状、片状或孔形结构等，在陶瓷 内部产生弱结合面偏转主裂纹，加工时裂纹沿弱界面形成和连接。 如稀土氧化物复合陶瓷材料，稀土磷酸盐与氧化物陶瓷具有良好的 化学相容性，并可形成氧化物与磷酸盐晶粒之间的弱界面，随着稀 土磷酸盐比例的增加，稀土氧化物复合陶瓷材料内包含有更多的弱 界面，弱界面处微裂纹的形成与连接使稀土氧化物复合陶瓷材料具 有可加工性【12 1 。随着稀土磷酸盐含量的增加，复台陶瓷材料的可加 工性提高。去除材料表面薄层，可以发现材料内部存在晶间断裂现 象，在粒度范围( 2 5 p m ) 内存在位错，但无明显的深裂纹。 1 3 评价材料可加工性的指标体系 材料的可加工性与材料性能、加工条件、评价指标之间的关系 可用图1 4 表示： 蜘删姗湖卿黜瑚o 盘弓巡疆粗舯 第一章绪论 材料性能： 化学成分 显微结构 物理机械性能 加l 条件： 一艺要求 加r 方式 切削用量等 评价标准： 生产效率方面 加r 质量方面 加工稳定性方面 图卜4 材料可加工性指标体系i 2 6 材料可加一i ：性 评价 材料性能是影响材料可加工性的决定因素。在一定加工条件下， 材料的可加工性与材料自身的各项性能有关，诸如材料的化学成分、 微观组织结构、各项物理机械性能等，都影响可加工性。材料的各 项性能构成材料可加工性的影响因素集合。 同一工件材料，加工条件的改变也会引起可加工性的变化。加 工条件包括：加工的工艺要求( 加工精度、表面质量等1 ；加工方法( 车、 铣、磨等) ；工艺系统的具体情况( 机床、夹县、刀具的选用，刀具 的材料和几何参数、切削用量、切削液的选择等) 。这些加工条件构 成影响可加工性的外部因素。 上述影响因素决定了材料可加工性在各方面的表现特性。如果 评价标准不同，即评价角度或立足点不同，可加工性评价的结论也 不相同。这些不同的评价标准构成材料可加工性评价的指标体系。 若主要考虑生产效率，则要求在一定切削条件下刀具耐用度要高， 或在一定的刀具刚用度要求下，允许切削速度要高；若主要考虑加 工质量，则要求材料被加工时易于达到加工表面质量及加工精度要 求；对于自动化加工，则必须着重考虑加工过程的稳定性、可靠性 和安全性。 材料的可加工性试验规范已纳入标准，其目的是尽量保证可加 第一章绪论 工性试验按标准条件实施执行，以便把从多种来源获得的信息整理 成通用的、综合性的切削加工性资料。但由于切削过程的复杂性， 材料性能、加工条件和评价标准之间的非连续，非单调关系，常常 需要在特定的加工条件下进行可加工性试验。由于使用的机床特性 不同，工件材料的成分和技术性能虽然都符合一般技术规范，但有 时各实验室的试验结果相差甚远，相关性极差。人们积累的大量可 加工性数据都是零散的，这些零散的数据之间难以联系起来形成一 个有机的整体，很难从材料性能与加工条件的综合分析中得出材料 可加工性的准确评价。 上述指标体系中的每一个评价指标，都可以度量材料可加工性 的某一个或某一方面的属性，但是对于材料可加工性的优劣，仍然 没有给出一个综合的确定性结论。由于材料的可加工性受多种因素 影响，各种因素在某种具体条件下对可加工性影响的程度不同，而 且各种因素之间又相互联系。要想准确地评价材料的可加工性，必 须全面考虑各种因素以及因素间可能存在的相互关系，因此，用指 标体系来描述、评价材料的可加工性，是解决材料可加工性评价的 有效手段。 1 4 材料可加工性的评价方法 材料的切削加工性一直是切削领域的一个热门研究课题，所渭 材料的切削加工性，是指对某种材料进行切削加工的难易程度，这 是一个相对的概念，因而它的评价方法也是多种多样的。 1 利用加工参数评价材料的切削加工性。在金属切削加工中， 传统的材料切削加工性评价主要采用以下指标：刀具寿命t 或一 定寿命下的切削速度坼：切削力或切削温度：已加工表面质量； 切屑控制或断屑的难易。如常用的相对切削加工性b ，即以币火 4 5 钢的( 刀具寿命为6 0 m i n 时所允许的切削速度) 为基准，其它 材料的与其相比【2 7 ，2 舭，凡k ，大于1 的材料，其可加工性比4 5 钢 好。除了上述单因素评价方法，对于确定的机加工方式，可以应用 有向图及其关联矩阵，同时考虑多个加工参数及各参数间可能存在 的相互关系，对材料的可加工性进行完整的评价【2 。 2 ，利用材料性能参数评价其切削加工性。硬度、抗拉强度、延 第一章绪论 伸率、冲击值和导热系数是影响金属材料切削加工性的五个主要性 能指标。根据其对切削加工性的影响，将上述性能指标分级，以表 示切削加工的难易1 3 0 ，并应用模糊数学中的模糊综合评判方法，可 以对材料的切削加工性进行综合评价【”，”j 。 3 同时考虑材料参数与加工过程参数。一个确定的加工过程取 决于全体加工变量及其相互关系。用肖表示输入变量( 如材料类型、 材料特性、刀具材料和刀具几何特性、加工过程参数等) ，y 表示输 出变量( 如刀具磨损、切削力、切削能、表面粗糙度、切屑特性等) ， 加工变量相互依赖的关系构成可加工性函数y _ f ( 舶。并且可以用绝 对可加工性指标- - f ( x ) 和相对可加工性指标，尸r e _ ，= 来评价材料的 可加工性 3 3 。 1 5 陶瓷材料可加工性的评价 对于陶瓷材料，到目前为止，还没有一种能够比较全面地考虑 各种影响因素的切削加工性评价方法，一般借鉴金属材料的评价方 法来评价。材料去除率、刀具磨损率、表面粗糙度、磨削力、比磨 削能等参数常用来评价陶瓷材料的可加工性。如在相同材料去除率 条件下，磨削力值越小，材料的可加工性能越好 3 4 l 。在铣削加工多 孔s i 3 n 4 陶瓷时，r 。随进给速度增大而增大，但与切削速度无确定 关系，只要进给速度小于0 1 m m r e v 时，都可得到r m a x 1 0 b t m 的结 果，说明多孑ls i 3 n 4 具有良好的可加工性【3 5 1 。 近藤祥人对a 12 0 3 - z r 0 2 复合陶瓷材料的磨削性进行试验研究， 结果认为硬度和断裂韧性决定着可磨削性1 3 “。a r b o c c a c c i n i 提出 用脆性指数( b ) 来评价材料的可加工性，b = 硬度( h 。) 断裂韧性 ( k l c ) 【”j ，材料脆性指数越高，可加工性越差。玻璃陶瓷的脆性指数 b 4 3 h m 。1 ”时才可加工。a g e v a n s 提出在相同材料去除率条件下， 根据磨削力( p ) 、切削能来评价材料的可加工性【3 ”。p o c k 【c 17 2 h 5 8 ( e h ) 4 7 5 】8 闪。上田隆司对s i 0 2 、a l2 0 3 、s i c 、s i 3 n 4 、z r 0 2 进行磨削、珩磨、超精加工试验，得出结论：材料的可加工性不仅 与其物理特性有关，而且与加工方法有关1 38 。比如a 12 0 3 和s i 0 2 的 磨削和超精加工用能量消耗率来评价加工性，而珩磨则用硬度来评 价。图卜5 是a l2 0 ”s i c 、s i 3 n 4 、z r 0 2 等陶瓷材料在三种加工方式 第一章绪论 下的可加工性比较( g 表示磨削、h 表示珩磨、s 表示超精加工) 。 对于云母玻璃陶瓷，在低切削速度，忽略弹性冲击影响的条件下， 可以用切削能与切削速度双对数曲线斜率n 来描述其可加工性【3 9 j 。 从不同材料的双对数曲线可以很方便地比较出各种材料的n 值。图 16 示出几种云母玻璃陶瓷材料的最大表面粗糙度与n 值的关系。n 值越高，已加工表面粗糙度越低，材料的可加工性好。 图1 5 几种陶瓷材料可加工性比较3 8 o 令 i i 0 2 0 3 图1 6 最大表面粗糙度与n 值关系” 1 6 论文研究内容及意义 陶瓷材料因具有独特的优良性能而被广泛应用于各类工程领 域。陶瓷材料及其可加工性的研究正成为国际上倍受重视的前沿课 6 4 2 o 2 4 o o o o 0 c 第一章绪论 题。可加： 性反映对材料迸行切削加工的难易程度。可加工性是产 品设计必须考虑的内在因素，材料的选择往往也都是基于材料的可 加工性进行的。如果有多种材料满足产品的设计和使用要求，那么， 在选择材料时的重要指标就是材料在加工过程中的可操作性，即可 加工性。通过陶瓷材料可加工性的难易程度，可以选择合理的工具 参数、加工参数以及其它机加工条件，实现陶瓷材料的有效加工， 同时也是评价刀具和切削液性能的基础。相应的则需要建立适宜的 材料可加工性评价方法与体系。 一个确定的加工过程取决于全体加工变量及其相互关系。材料 的可加工性并不是一种单一的基本属性，而是若干基本属性的综合 反映，材料可加工性与其组分、显微结构、性能、刀具、切削用量、 冷却条件、加工参数、加工方式等一系列因素相关，诸因素相互联 系组成复杂的结构和系统。无法用单一的指标去衡量它，而应该( 或 需要) 用一个指标体系去描述和评价它。用单一指标评价陶瓷材料的 可加工性，难免会过分地强调某一参数的作用，而忽视其它参数的 作用。作为材料可加工性的评价体系，应全面考虑上述因素或部分 主要因素。另外，在材料切削加工性的评定中，还存在着许多模糊 性因素，如通常所蜕的某种材料“易切削”，“较易切削”，“难切削” 等是没有绝对界限的，是人们用语言表达的主观信息，都是相对的 概念。可见用普通方法评价某种材料的切削加工性，必然会丢失一 些有用的信息，很难准确地反映材料的可加工性。 有鉴于此，本文全面考虑影响材料可加工性的多种因素，从材 料的性能及加工因素入手，应用模糊数学理论和图论，用两种方法 对陶瓷材料的可加工性进行综合评价，以期寻求适合陶瓷材料可加 工性评价的方法，使评价结果能准确地反映陶瓷材料的可加工性。 应用模糊综合评判原理，以陶瓷材料的物理、力学性能为依据， 建立了陶瓷材料可加工性评价的模糊综合评判模型。选择陶瓷材料 的力学性能指标如硬度，断裂韧性，弹性模量，强度，韦伯模数， 泊松比等，组成因素集合，对陶瓷材料的可加工性进行综合评判。 应用模糊综合评判的方法对陶瓷材料的可加工性进行评价，考虑所 选择因素和因素间的相互关系，不会丢失任何信息。通过引入隶属 函数和特征加权，使可加工性边界模糊化，采用可变权重，突出主 要因素的影响，可以较全面地反映陶瓷材料的可加工性，判断材料 第一章绪论 所在的可加工性等级，并可对所评判材料按可加工性进行排序。 应用图论中的有向图原理，以与材料加工去除相关的参数为可 加工属性，构成有向图的顶点，以各属性之问的相互关系为有向图 的边，建立了可加工陶瓷材料可加工性评价的有向图模型。确定可 加工属性间的相互影响系数，根据有向图模型，构造可加工属性矩 阵。应用积和式函数，计算出可加工陶瓷材料的可加工性指标，对 材料的可加工性进行排序。论文根据所提出的可加工性评价方法， 选择材料的硬度( h v ) 、断裂韧性( k i c ) 和弹性模量( e ) 作为可加工属 性，构成有向图模型，评判所制各的六种c e z r 0 2 c e p o 。材料的可加 工性。有向图模型综合考虑多种属性及属性间的相互关系，可对陶 瓷材料的可加工性作出f 确、完整的评价。 本论文制备出六种不同c e p 0 4 含量的c e z r 0 2 c e p 0 4 复合陶瓷 材料，测试了材料的性能，并对制备的陶瓷材料进行了钻削、车削 和磨削加工试验。实验结果表明，c e p o 一陶瓷材料钻削表面具有明显 的塑性变形加工痕迹，材料具有良好的可加工性。稀土磷酸赫与氧 化物陶瓷具有良好的化学相容性，并可形成氧化物与磷酸盐晶粒之 间的弱界面，弱界面处微裂纹的形成与连接使稀土氧化物复合陶瓷 材料具有可加工性。随着c e p 0 4 含量的增加，c e z r 0 2 c e p 0 4 内包含 有更多的弱界面，复合陶瓷材料越容易加工去除，c e z r 0 2 c e p o 。的 可加工性逐渐提高。通过材料的钻削率、磨削力以及s e m 照片，研 究了稀土氧化物可加工陶瓷材料的可加工性。 本论文所提出的评价方法，将陶瓷材料的可加工性评价建立在 材料性能参数分析的基础上，在加工之前确定材料的可加工性，可 以替代加工实验。所提出的陶瓷材料的可加工性评价方法，易于运 用计算机来处理，是一种简单、方便的评价方法。 第二章稀士氧化物陶瓷材料的加工实验 第二章稀土氧化物陶瓷材料的加工实验 2 1c e z r o 。c e p o 。材料的制备及性能测定 稀土氧化物陶瓷材料c e z r 0 2 c e p 0 4 是以c e z r 0 2 为基体材 料，加入第二相c e p 0 4 ，按一定比例进行配料，以水为介质球磨7 小时，经烘干、造粒、干压+ 等静压成型，常压烧结，控制烧结温 度，保温2 小时。试样的成分配比及烧结温度如表2 1 所示。 表2 1 试样的成分配比及烧结温度 l试样编号abcd ef l c e p 0 4 w t 1 0 05 05 02 52 5l5 l 烧结温度( ) 1 0 0 01 4 5 0l5 5 01 4 5 0l5 5 01 4 5 0 c e - z r 0 2 c e p 0 4 陶瓷材料的断裂韧性( k i c ) 采用单边切口粱 法( s e p b ) 测得；显微硬度( h v ) 应用维氏硬度计测定；弹性模量 ( e ) 用复相材料混合规律估算( e o = e 1 v 1 + e 2 v 2 ，式中的e l 、e 2 分 别为参与复合的两相的弹性模量，v 1 、v z 分别为两相的重量分数) 。 测得材料的主要性能参数如表2 2 所示。 表2 - 2 六种稀土氧化物陶瓷材料的性能 编号材料 h v ( g p a )k i c ( m p a m l 2 )e ( g p a ) ac e p o d1 0 0 0 5 1 4 31 3 3 b c z c p ( 5 0 w t ) 1 4 5 0 4 9 75 4 1 6 7 c c z c p ( 5 0 w t ) 1 5 5 0 6 9 37 8 1 6 7 d c z c p ( 2 5 w t ) 1 4 5 0 。c 7 2 77 8 18 3 e c z c p ( 2 5 w t ) 1 5 5 0 。c8 7 81 0 6l8 3 f c z c p ( 15 w t ) 1 4 5 0 8 ，1 28 ，31 9 0 第二章稀土氧化物陶瓷材料的加工实验 2 2 c e z r 0 2 c e p 0 4 陶瓷材料的加工实验 2 2 1c e p 0 。钻削实验 l 实验条件 钻床：z w 4 0 0 6 型钻床 主轴转速：n = 3 7 0 0 r p m 高速钢钻头( 牌 号w 18 c r 4 v )钻头直径：巾= 1 m r n 水冷却 2 实验结果 图2 1 是用p h l i p sx l 一3 0 t m pe s e m 扫描电子显微镜拍摄的 c e p 0 4 钴削断面s e m 照片，从s e m 照片可以看出，c e p 0 4 钻削表 面具有与金属一样的塑性变形加工痕迹，而且具有长的片状存在。 ( a )( 6 ) 图2 1 不同倍数下的c e p o t 钻削断面 图2 2 是加工去除6 2 8 3 m m 3 材料以后钻头表面的s e m 照片。 从s e m 照片可以看出，高速钢钻头的主切削刃有轻微磨损，其它 部位未见磨损。由此可以看出，c e p 0 4 具有良好的可加工性。 图2 - 2 钻削加工后的钻头表面 1 5 第二章稀土氧化物陶瓷材料