陶瓷加工基础知识
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瓷器茶具制作知识点总结一、瓷器茶具的原材料1. 瓷土:瓷土是制作瓷器的原材料之一,它是一种特殊的黏土,在含有矿物质的基础上添加砂岩、粘土和长石等材料,经过精细加工和研磨而成。
瓷土具有细腻、坚硬、白净的特点,是制作优质瓷器的基础。
2. 釉料:釉料是用来包裹瓷器表面的一种涂料,它可以保护瓷器不受外界侵蚀,同时也能增加瓷器的美观度。
釉料的主要成分是石英、长石和氧化铝等矿物质,经过研磨、配比和熔化而成。
3. 柴烧木料:在瓷器的制作过程中,需要用柴烧木料作为燃料,以支持窑炉的燃烧。
优质的柴烧木料燃烧出的火焰温度高,热量均匀,能够确保瓷器在高温下烧制均匀。
二、瓷器茶具的制作工艺1. 瓷器的成型:瓷器茶具的成型通常有手工成型和机器成型两种方式。
手工成型是将瓷土放在轮盘上,由工匠用手将其搓成各种形状,这种方式需要工匠熟练的手工技艺和精湛的艺术修养;而机器成型则是通过模具将瓷土压制成各种形状,这种方式具有成型快、成品一致的优点。
2. 瓷器的修胚:修胚是指对瓷器成型后的外形进行修剪和修整。
修胚的目的是使瓷器的外形更加光滑、匀称,同时可以对口沿、握把等部位进行造型处理。
3. 瓷器的饰花:饰花是为了美观和装饰所进行的一种工艺。
通常可以通过雕、刻、切、贴、浇注等方法来进行瓷器的饰花,在饰花过程中可以运用各种不同的纹样和图案。
4. 瓷器的上釉:上釉是瓷器制作过程中的一个重要环节,釉料可以保护瓷器表面,增加光泽和美观度。
在上釉的过程中,需要将瓷器放入窑中进行烧制。
5. 瓷器的烧制:烧制是整个制作过程中最为关键的一步。
瓷器的烧制分为干燥、初烧和釉烧三个阶段。
干燥是为了去除瓷器内外的水分,初烧是为了烧结瓷器的胚体,而釉烧则是为了烧结釉料。
瓷器的烧制需要精准的温度控制和合适的燃料。
6. 瓷器的装饰:装饰是指对瓷器成品进行修饰和点缀。
通常可以通过画、镶嵌、绘花、贴花等方式来进行瓷器的装饰。
装饰可以使瓷器更加富有艺术感和个性化。
三、瓷器茶具的特点和分类1. 瓷器的特点:瓷器是一种优质的陶瓷制品,具有质地细腻、色泽洁净、质轻透亮、强度高耐用等特点。
绪论一、陶瓷的概念和分类传统概念——指所有以黏土为主要原料与其他天然矿物原料经过适当的配比,粉碎、成型并在高温焙烧情况下进过一系列的物理化学反应后,形成的坚硬物质。
广义概念——用陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的统称。
德国——陶瓷是化学工业或化学生产工艺的一个分支,包括陶瓷材料和器物的制造或进一步加工成陶瓷制品或元件。
陶瓷材料属于无机非金属材料,最少含30%晶体。
一般是在室温下将原料成型,通过800℃以上的高温处理,以获得这种材料的典型性质。
有时也在高温下成型,甚至可经过熔化及析晶等过程。
美国日本——Ceramics,包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的统称,不仅指陶瓷、还包括水泥、玻璃、搪瓷等材料。
日用陶瓷——用铝硅酸盐矿物或某些氧化物等为主要原料,依照人类意愿,通过特定的化学工艺在高温下以一定的温度和气氛(氧化、炭化、氮化等)制成的工艺岩石,满足生活上、生产上和工程技术上的使用要求,绝大多数基本上不吸水。
(一)按陶瓷概念和用途分类普通陶瓷(传统陶瓷):包括日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、化工陶瓷、化学瓷、电瓷及其他工业用陶瓷。
特种陶瓷(精密陶瓷):Fine Ceramics.(二)按坯体的物理性能分类陶器:坯体结构疏松,未玻化或玻化程度差,致密性较差的陶瓷制品。
通常有一定的吸水率,断面粗糙无光,没有半透明性,敲之声音暗哑。
✧粗陶器:吸水率大于15%,不施釉,制作粗糙。
✧普通陶器:吸水率不大于12%,断面颗粒较粗,气孔较大,表面施釉,制作不够精细。
✧细陶器:吸水不大于15%,断面粒细,气孔较小,结构均匀,施釉或不施釉,制作精细。
瓷器:玻化程度高,坯体致密,细腻,基本上不吸水,有一定的半透明性,断面呈石状或贝壳状。
✧炻瓷类:吸水率一般大于3%,透光性差,通常胎体较厚,呈色,断面呈石状,制作较精细。
✧普通瓷器:吸水率一般不大于1%,有一定的透光性,断面呈石状或贝壳状,制作较精细。
✧细瓷器:吸水率一般不大于0.5%,透光性好,断面细腻,呈贝壳状,制作精细。
陶瓷加工的原理与机制陶瓷是由天然矿物经过加工和烧制而成的一种无机非金属材料。
它具有优良的耐热、耐腐蚀、绝缘性等物理和化学性能,因此被广泛用于机械、电子、化工、生物医药等领域。
而要制造出优质的陶瓷制品,其中最关键的就是陶瓷加工。
一、陶瓷加工的原理陶瓷加工是指对陶瓷原材料进行粉碎、成型、干燥、烧结等工序,最终获得符合要求的陶瓷制品。
陶瓷加工的主要原理是固体的物理化学原理,包括流变学、热力学、传质、化学反应等方面。
其中,流变学是研究物质流动状态的学科。
陶瓷原材料中的矿物粉体在受到误差干扰的时候会显示出非牛顿流动特性。
这种特性的表现就是在剪切速率逐渐提高时,流动阻力会逐渐上升,最终趋于稳定。
这种特性对于陶瓷材料的成型至关重要,因为对流变学不了解的人很难准确地控制陶瓷材料的成型过程。
陶瓷加工的另一个重要原理就是热力学,它是研究物质在热力条件下的转化和变化的学科。
陶瓷在加工过程中必须经过烧结工序,而这个工序的实质就是让陶瓷材料在高温条件下发生热化学反应,形成致密、坚固的实体结构。
在这个过程中,要控制好温度和时间,以确保最终制品的质量。
同时,传质和化学反应也是决定陶瓷加工效果的重要原理。
传质是指物质在不同区域之间发生的扩散、对流和传导现象。
在陶瓷的烧结过程中,密度高的材料分子之间的距离更短,因此传质作用更强。
而化学反应则会影响组分在热化学反应过程中的转变和组成变化,直接影响烧结后的材料性能。
二、陶瓷加工的机制陶瓷加工的机制可以分为粉体的制备和成型两个方面。
粉体的制备是陶瓷加工的第一步,它对制品的后续性能造成直接影响。
一般来说,陶瓷粉体分散剂和稳定剂会分别在粉体和溶液体系中起到调节颗粒分散状态和稳定颗粒的作用。
通常会用到物理和化学两种方法来实现粉体的制备。
物理方法一般包括球磨、高能球磨、低温分解等,这些方法可以获得较为均匀、纯净的粉末;而化学方法则主要包括溶胶凝胶、水解、共沉淀等,这些方法可以获得纯度较高且粉末颗粒分散状态良好的粉末。
陶瓷加工的基础知识陶瓷是一种由粘土、石英、长石等天然物质或人工合成材料制成的无机非金属材料。
陶瓷由于其独特的物理和化学性质,在现代工业和日常生活中发挥着重要的作用。
而陶瓷加工是陶瓷产业的基础和核心,下面我们就来谈谈陶瓷加工的基础知识。
一、陶瓷成型1.手工成型:手工成型是陶瓷成型的传统方法,即将泥土按照需要逐层叠加、整形和打磨,最后通过烧制而成。
手工陶瓷的优点是可以制作出形态各异、具有文化和艺术价值的产品;缺点是过程复杂,成本高,生产率低。
2.机械成型:机械成型是指使用陶瓷成型机将陶土原料进行成型。
成型机可以分为压制成型和注塑成型两种。
压制成型使用砖机或者平板机,通过机械力使陶土原料在模具中得到合适的成型;而注塑成型则是将陶土原料推入成型机中,根据需要进行不同的形状和尺寸的成型。
二、陶瓷烧制陶瓷的烧制是将成型后的陶土制品置于炉膛中进行高温烧制的过程。
烧制温度通常在800-1600℃之间。
烧制温度对于陶瓷品的质量、色泽等方面,都具有重要的影响。
常见的陶瓷烧制工艺有以下几种:1.高温烧制:高温烧制温度一般在1300℃以上,烧制过程中要求密闭,烧制时间长。
高温烧制可以提高陶瓷制品的机械强度和稳定性,适用于生产高档陶瓷产品。
2.中温烧制:中温烧制温度一般在1000-1300℃之间,可以根据需要进行砧板烧成、氧化或还原烧成等不同的工艺。
中温烧制的陶瓷制品品质较高,适用于餐具、厨具、花瓶等制品。
3.低温烧制:低温烧制温度一般在800-1000℃之间,烧制时间短,适用于生产瓷砖、马赛克、装饰品等产业。
三、陶瓷釉料釉料是陶瓷制品表面的一层覆盖物,可以美化和保护制品表面,提高陶瓷品的质量和价值。
釉料分为透明釉和白釉两种。
透明釉是指不含有针状水晶的釉料。
透明釉的熔点较低,容易掌控,产生的气泡也较少。
透明釉可以保持原料的颜色,较适于制作白瓷和粉瓷。
白釉是指含有针状水晶的釉料。
白釉主要由白桦石、石英和长石等原料组成,适用于制作彩瓷、胎釉等。
陶瓷工艺学名词解释:一次烧成——是指陶瓷工艺过程中将素烧与釉烧合成一次的烧制工艺。
二次烧成——是指陶瓷坯体在施釉前后各进行一次高温处理的烧成方法。
一次黏土——原生黏土,又称一次黏土、残留黏土,是母岩风化崩解后在原地残留下来的黏土。
其质地较纯,耐火度高,但颗粒大小不一,可塑性差。
二次黏土-----次生黏土,又称二次黏土、沉积黏土,是由风化生成的黏土,经雨水、河流、风力作用而搬运至盆地或湖泊水流缓慢的地方沉积下来而形成的黏土层。
素烧------是指未施釉的生坯经一定温度热处理,使坯体具有一定机械强度的过程。
釉烧-------经过素烧的坯体施釉后,再入窑焙烧的过程。
可塑性-----物质在外力或高温等条件下,发生形变而不破裂的性质。
触变性-----触变性亦称摇变,是分散体系流变学研究的重要内容之一,是指一些体系在搅动或其它机械作用下,体系的粘度或切力随时间变化的一种流变现象。
耐火度-------是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能滚压成型-------用旋转的滚头,对同方向旋转的模型中的可塑坯料进行滚压,坯料受压延力的作用均匀展开而形成坯体的方法。
注浆成型------注浆成型是利用多孔模型的吸水性,将泥浆注入其中而成形的方法真空炼泥-----泥料经过真空练泥,可以排除泥饼中的残留空气,提高泥料的致密度和可塑性,并使泥料组织均匀,改善成形性能,提高干燥强度和成瓷后的机械强度。
胎釉的适应性------釉层与胎具有相匹配的膨胀系数,不致于使釉出现龟裂或剥落的性能。
陈腐——陈腐可以促使泥料中水分的均匀分布,同时在陈腐过程中还有细菌作用,促便有机物的腐烂,并产生有机酸使泥料的可塑性进一步提高。
生料釉——以生料配方经混合磨细后施釉烧成的。
熔块釉——毒性原料和其他原料预先溶质成不溶于水或微溶于水无毒的硅酸盐溶块。
简答题;1.坯体(料)可塑性怎么提高?①将粘土矿物进行陶洗、除去所夹杂的非可塑物料或进行长期风化。
瓷器制造知识点总结瓷器是一种历史悠久的陶瓷制品,其制作工艺精湛,品质优良,具有独特的美学特征,因此在中国乃至全球都有着广泛的影响。
瓷器的制作过程繁复,需要经过许多工艺步骤,涉及到原料选取、制胎、施釉、烧制等方面的技术。
下面,我将系统地总结瓷器制造的知识点,希望能给读者们带来一些启发和帮助。
一、瓷器的原料1. 瓷石瓷器的主要原料之一是瓷石,其是一种含有高岭土的岩石。
瓷石的主要成分是硅酸铝和硅酸镁,含有较高的硅和铝含量。
瓷石的质地硬,不易磨损,适合用来制作瓷器的胎体。
2. 高岭土高岭土是一种含铝的粘土矿石,其主要成分是蒙脱石和伊利石。
高岭土具有较高的黏结性和耐火性,可以使瓷胎的成型更加稳固和耐高温。
3. 瓷土瓷土是一种质地松软的粘土,含有丰富的硅、铝等元素。
瓷土主要用于制作瓷器的釉料,可以使釉料具有较好的涂覆性和光泽度。
二、瓷器的制胎1. 淘料在制胎前,首先要对瓷石和高岭土等原料进行淘料处理,除去其中的杂质和杂物。
2. 配料淘洗干净的原料按一定的配方进行混合,使各种原料的成分能够达到最佳的配比,从而保证瓷胎的质地均匀和致密。
3. 混料经过配料后的原料经过研磨和混合处理,使所含水分均匀分布,以便后续的成型操作。
4. 成型成型是制作瓷器胎体的一个关键环节,常见的成型方法包括手工成型、模压成型和注浆成型等。
其中,手工成型最具有传统的工艺特点,而注浆成型则是近年来新发展起来的技术。
三、瓷器的施釉1. 釉料的研磨釉料是一种涂覆在瓷器表面的陶瓷颜料,其主要原料是瓷土、石英、硅酸钠和金属氧化物等。
釉料的研磨是将以上原料混合研磨,制成细腻的釉料。
2. 釉料的涂覆经过釉料研磨后,将釉料涂覆在瓷器表面,以形成一层均匀的釉面,保护瓷器的胎体并增加表面的光泽和美观度。
3. 釉料的烧制将经过釉料涂覆的瓷器进行烧制,使瓷器的表面釉层与底胎能够良好地结合,从而形成坚硬、光滑、具有装饰效果的瓷器表面。
四、瓷器的烧制1. 窑炉瓷器的烧制是在窑炉中进行的,常见的窑炉类型包括龙窑、斗窑、罐窑、层状窑等多种形式。
强;减少坯体入窑水分,提高坯体入窑温度;控制坯体厚度、形状和大小;选用温差小和保温良好的窑炉;选用抗热震性好的窑具。
3.某厂快速烧成陶瓷板状制品,已知烧成温度为1150℃,出窑温度为180℃。
吸水率允许在3~10%之间,生产时出窑制品外观质量和吸水率抽检均为良好,码堆于仓库待次日检选,可是检选中有20~30%的制品破裂,试分析造成制品破裂的原因?并提出解决方案?答:成品破裂的原因可能是陶瓷板的热稳定性差和吸湿膨胀导致的,由于陶瓷板状制品吸水率允许在3~10%之间,其吸水率处于炻器吸水率范围,加上烧成温度较低,出窑温度相对较高,易使其陶瓷制品的热稳定性差,出现破裂。
4.制定烧成制度的依据?答:(1)坯料组分在加热中的性状变化。
1.瓷器的烧成分为哪几个阶段?各阶段的范围如何?烧成工艺上应如何控制?答:主要分为预热阶段(常温~300℃),氧化分解阶段(300~950℃),高温阶段(950℃~最高烧成温度),高火保温阶段,冷却阶段。
由于影响陶瓷烧成的因素很多,所以在操作中,要根据具体情况来确定不同的烧成制度,通过窑炉的设备来控制窑内各部分气体压力呈一定分布,来保证温度制度和气氛制度。
2.低温快烧的作用和条件?答:(1)低温快烧的作用:节约能源和成本,充分利用原料资源,提高窑炉和窑具的使用寿命,缩短生产周期,提高生产效率。
(2)低温快烧的条件:坯釉的干燥收缩和烧成收缩均小,坯料热膨胀系数小,随温度的变化接近线性关系。
希望坯料的导热性能好,希望坯料中含少量晶型转变的成分,快烧的釉料要求化学活性(2)制品的尺寸和形状。
(3)釉烧方法,包括烧成时坯釉反应的相互影响问题,高火保温结束后进入冷却阶段。
(4)窑炉。
5.为了缩短普通日用瓷的烧成周期,计划在烧成后期600~400℃采用快速冷却,是否可行?为什么?答:不可以,因为在573℃是石英晶型发生低温型的快速转化,又无液相缓冲,破坏性强,易发生变形,如果该阶段快速冷却,会发生制品破裂。
陶瓷的生产工艺原理与加工技术陶瓷是一种使用矿物质和非金属材料制成的工艺品和装饰品,具有耐磨、耐化学性能和高温稳定性。
它的生产工艺原理和加工技术主要包括原料准备、成型、干燥、烧结和表面处理等环节。
首先,原料准备是制作陶瓷的首要步骤。
陶瓷的原料通常包括黏土、瓷石和助熔剂等。
黏土是主要成分,提供了陶瓷的粘结性和可塑性。
瓷石是陶瓷的骨料,提供了陶瓷的强度和稳定性。
助熔剂用于降低烧结温度和增加陶瓷的致密性。
这些原料需要经过粉碎、混合均匀等处理,以获得质量稳定、颗粒均匀的陶瓷原料。
其次,成型是陶瓷加工的关键步骤。
成型方式有多种,包括手工造型、注塑成型、压力成型等。
手工造型是传统的方式,需要高度的技巧和经验。
注塑成型是一种现代化的方式,将糊状原料注入模具中,通过挤压得到所需形状。
压力成型是利用机械力量对原料施加压力,使其变形成所需形状。
成型后的陶瓷需要进行形态修整和表面处理,以确保其外观和质量的一致性。
然后,成型后的陶瓷制品需要经过干燥。
干燥的目的是去除陶瓷中的水分,防止在烧结过程中发生开裂和爆炸。
干燥的方式有自然干燥和强制干燥两种。
自然干燥是将陶瓷制品放置在通风良好的环境中,利用自然的空气和温度,使水分逐渐蒸发。
强制干燥是利用热风或微波等方式,加速水分的挥发,缩短干燥时间。
接下来是烧结过程。
烧结是指将干燥后的陶瓷制品进行高温加热,使其颗粒间发生化学反应和晶粒生长,从而形成致密的陶瓷体。
烧结温度和时间的选择对于陶瓷的性能和质量至关重要。
一般来说,烧结温度越高,陶瓷的致密性和强度越高,烧结时间越长,陶瓷的晶粒尺寸越大。
最后是表面处理。
表面处理是为了改善陶瓷制品的外观和性能,常见的处理方式包括上釉、装饰、烧绘等。
上釉是在陶瓷制品表面涂覆一层液体玻璃,经过高温烧结,形成光滑、耐磨的表面。
装饰是利用绘画、雕刻等方式,在陶瓷表面进行艺术处理,增加其艺术价值和装饰效果。
烧绘是在陶瓷制品上施加特殊的颜料,经过烧结使其与基材相融合,形成持久的图案和花纹。
陶器成型的六种方法商·白陶刻饕餮纹双系壶陶器的成型方法有多种,它有一个不断进步的发展过程。
根据考古研究,已知的制陶方法有:1.捏制;2.泥片贴筑法手制;3.泥条盘筑法手制;4.轮制;5.模制;6.雕塑法手制等。
也许还有别的某种古代制陶方法,只是尚未考证出来,那就有待今后的发现。
1.捏制是最初的制陶方法,也是最简便容易的方法,也就是用手捏成形状,属于手制的一种。
捏制方法在小型陶塑中经常使用,捏制的器皿比较少见,往往是粗糙的、不规整的,也比较小型。
在其他进步方法大量使用的情况下,捏制也偶尔采用,只是用于不需要太讲究的陶器上,尤其是陶塑。
晚期陶塑如果仅仅只是捏制,没有采用雕塑方法,可以反映出制作的草率、随便,甚至可能缺乏工艺价值。
2.泥片贴筑法是一种较早使用的手制方法,它是用捏制的粘湿的泥片,在一个类似内模的物体外面,一块一块敷贴成陶器整体,一般是从下往上敷贴,至少以两层薄片贴合起来,有的多达数层。
有学者干脆认为它是一种模制法,但实际上同模制方法还是有明显区别的,所谓的内模,其实并不是模子,而应该是一种陶垫。
在外表加工上,也已使用了陶拍和抹子。
因而这已是初具成熟的方法,看来并不是最原始的。
从考古出土的陶器上观察,可以见到陶器上时有片块状剥落现象,在陶片上可看出成层挤压现象。
这种方法成型的陶器,常显厚重,形状不太规则,口沿也不很整齐。
考古发现和研究表明,在我国距今七八干年以前的新石器时代早期文化中,普遍都是采用这种泥片贴筑的制陶术。
这种制陶方法的发现和确认,也只是在七八十年代以来,大批早期新石器时代文化遗存被认识和发掘出土之后,才被考古学家考证的。
泥片贴筑法大约在距今六七千年左右的时候,逐渐为新起的泥条盘筑法制陶术所取代。
3.泥条盘筑法是继泥片贴筑方法之后,较为进步的一种陶器手制方法,它是较广泛持久使用的制陶术之一。
此法是将泥料做成泥条,然后从下至上盘绕成型,再用陶垫、陶拍、陶抹等工具抵压、抹拭、仔细加工。
陶瓷材料加工技术基础知识陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性,已成为广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材料。
但由于陶瓷材料同时具有高脆性、低断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点,因此陶瓷材料的加工难度很大,加工方法稍有不当便会引起工件表面层组织的破坏,很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工,从而限制了陶瓷材料应用范围的进一步扩展。
为满足近年来科技发展对精细陶瓷、光学玻璃、晶体、石英、硅片和锗片等脆性材料制品日益增长的需要,在目前较为成熟的陶瓷材料加工技术的基础上,进一步研究开发高精度、高效率和具有高表面完整性的陶瓷材料加工技术显得尤为迫切。
二、陶瓷材料加工技术金属材料的加工可根据材料种类、工件形状、加工精度、加工成本、加工效率等因素选择不同的加工方法。
而对于陶瓷材料,由于其特殊的物理机械性能,最初只能采用磨削方法进行加工,随着机械加工技术的发展,目前已可采用类似金属加工的多种工艺来加工陶瓷材料。
目前较为成熟的陶瓷材料加工技术主要可分为力学加工、电加工、复合加工、化学加工、光学加工等五大类,见下表。
陶瓷材料主要加工方法1) 切削加工陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷,也适用于完全烧结体陶瓷。
半烧结体陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量,从而提高加工效率,降低加工成本。
日本的研究人员使用各种刀具在不同温度下对Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半烧结体进行了切削试验。
试验中根据不同的加工要求,采用了干式切削与湿式切削等方法,获得了有价值的研究成果。
国外一些研究者针对完全烧结体陶瓷的切削加工进行了试验研究。
日本的研究人员在使用聚晶金刚石刀具对Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷进行切削试验时发现,粗粒聚晶金刚石刀具在切削过程中磨损较小,加工效果较好;在使用金刚石刀具切削ZrO2陶瓷时,达到了类似于切削金属时的效果。
他们还探讨了陶瓷塑性切削极限问题,指出当Al2O3陶瓷的临界切削深度apmax=2µm时, SiC 陶瓷的apmax=1µm, Si3N4陶瓷的apmax=4µm( ap>apmax时,陶瓷材料会产生脆性破坏;ap< apmax时,则为塑性流动式切削)。
美国的研究人员对单晶锗进行了一系列金刚石车削试验,成功地实现了脆性材料的塑性超精密车削,并提出了临界切削厚度的计算公式。
用金刚石刀具切削脆性材料并获得高质量的加工表面是近十几年来发展起来的新技术,通常称为脆性材料的超精密车削加工。
2) 研磨、抛光加工研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。
在陶瓷材料的超精加工与光整加工中,特别是在用于陶瓷轴承的陶瓷球的精密加工中,研磨、抛光加工有着不可替代的位置。
光学玻璃、蓝宝石等光学材料,硅片、GaAs基片等半导体材料,Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷等陶瓷材料的镜面加工大多采用研磨、抛光加工方法。
从材料的去除机理上看,研磨加工是介于脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法,而抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围内进行。
研磨、抛光加工由于材料去除量小,加工效率低,一般只用于超精加工的最终工序。
研磨、抛光加工的材料去除率与被加工材料的韧性有较大关系,韧性越高,加工效率越低。
3) ELID磨削加工ELID磨削技术是由日本物理化学研究所的大森整等人于1987年提出的一种磨削新工艺,其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整,即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流,使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除,使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面,从而实现对砂轮的修整,并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。
ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的难题,同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保持锋锐性,为实现稳定的超精密磨削创造了有利条件。
日本的研究人员使用#8000(最大磨粒直径约为2µ m)铸铁基金刚石砂轮对硅片进行磨削,获得了最大表面粗糙度值为0.1µm的高精表面。
使用青铜基砂轮对陶瓷材料进行精密磨削也达到了相同的加工效果。
哈尔滨工业大学采用E LID磨削技术对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削,磨削表面质量与在相同机床条件下采用普通砂轮磨削相比大幅度提高,部分工件的表面粗糙度Ra值已达到纳米级,其中硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra0.012µm。
这表明ELID磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精加工,但加工过程中仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层的未电解物质被压入工件表面而造成表面层釉化及电解磨削液配比改变等问题,有待于进一步研究解决。
4) 塑性法加工传统的材料去除过程一般可分为脆性去除和塑性去除两种。
在脆性去除过程中,材料去除是通过裂纹的扩展和交叉来完成的;而塑性去除则是以剪切加工切屑的形式来产生材料的塑性流。
对于金属的加工,塑性切削机理很容易实现,而对于脆性材料如工程陶瓷和光学玻璃等,采用传统的加工技术及工艺参数只会导致脆性去除而没有显著的塑性流,在超过强度极限的切削力作用下,材料的大小粒子发生脆性断裂,这无疑将影响被加工表面的质量和完整性。
由加工实践可知,在加工陶瓷等脆性材料时,可采用极小的切深来实现塑性去除,即材料去除机理可在微小去除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。
超精加工技术的最新进展已可将加工进给量控制在几个纳米,从而使脆性材料加工的主要去除机理有可能由脆性破坏转变为塑性流。
塑性切屑变形过程可以显著降低次表面(表层)破坏,这种硬脆材料的新型加工技术称为塑性法加工。
近年来,许多学者应用金刚石磨削方法对脆性材料塑性方式磨削的理论和工艺、脆-塑性转变、材料特性、切削力和其它参数的关系进行了系统研究,研究重点是被加工零件的塑性方式表面形成机理和几何精度,其中包括相关机床和砂轮技术的研究与开发。
1991年,英国国家物理实验室的研究人员首先采用四面体(Tetraform)结构并应用具有良好工程性的减振机理来设计机床的主要结构,研制出世界上第一台Tetraform-1型超精密磨床。
用该磨床对陶瓷、硅片和单晶石英试件进行了大量塑性磨削试验,获得了高质量的样品,其特点是:(1)可采用相对较大的切深(大至10µm)进行加工;(2)表面几何形状精度高,试件周围几乎没有碾痕;(3)机床可在无环境隔离条件下磨削高质量试件;(4)次表面破坏深度仅为传统磨削的1%~2%,甚至小于抛光加工对光学元件的影响。
基于Tetraform原理,1995年英国Fra-zer-Nash咨询有限公司和Granfield精密工程有限公司联合研制了Tetraform-2型多功能磨床。
发展趋势表明,脆性材料塑性加工技术在超精加工领域有着巨大的应用潜力。
5) 超声加工超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动,在工具与工件之间加入液体磨料或糊状磨料,并以较小的压力使工具贴压在工件上。
加工时,由于工具与工件之间存在超声振动,迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面,加上加工区域内的空化、超压效应,从而产生材料去除效果。
超声加工与其它加工方法相结合,形成了各种超声复合加工工艺,如超声车削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声振动珩磨、超声研磨抛光等。
超声复合加工方式较适用于陶瓷材料的加工,其加工效率随着材料脆性的增大而提高。
日本的研究人员对陶瓷材料的超声磨削加工进行了研究,使陶瓷材料的加工效率提高近一倍;他们在对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行加工时,在工具与工件上同时施加超声振动,从而使加工效率提高了2~3倍;在钻头上施以超声振动进行深孔加工,大大提高了孔内表面质量与孔的圆度。
在国内,华北工学院辛志杰等人进行了超声振动珩磨技术研究,开发出了超声振动珩磨装置,其特点是研磨圆盘激发弯曲振动(圆盘振动频率为20kHz,振幅约为15µm),而珩磨杆和珩磨头体均不振动。
对710钢、铝、钛管等进行的超声振动珩磨初步实验表明,加工效率明显提高,并可获得高精度、高表面质量和具有高耐磨性的精密孔。
此项技术在高效率光整加工陶瓷、光学玻璃等硬脆材料中具有很大潜力。
本文作者在研究用于陶瓷轴承的精密陶瓷球高效加工方法时发现,采用超声振动研磨方法可提高加工效率和表面质量。
该方法是在传统的球研磨机上,用两个电致换能器通过放大杆(纵向振动)在上研盘水平切线方向激励不转动的上研盘,使上研盘产生扭转振动,接触研盘振动频率为21kHz,振幅为15µm。
加工时,由于研盘与陶瓷球之间存在超声振动,迫使磨粒急剧转动,并以很大的速度和加速度不断撞击加工表面,从而产生快速去除材料的加工效果。
此外,由于小直径磨粒的剧烈跳动,造成喷砂强化效果,对表面微细沟槽自成作用、粗糙表面的平滑以及产生残余压应力都有促进作用。
通过查阅大量国内外有关资料文献,作者提出的采用超声振动研磨方法加工陶瓷的技术尚未见公开报道。
三、结语由于陶瓷材料具有特殊的优良性能,可广泛应用于高速、高温、腐蚀性介质等金属材料无法满足要求的特殊场合,但由于其硬度高、脆性大、耐磨性好,很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工,从而限制了它的应用和发展。
上述各种陶瓷加工方法各有其优、缺点,但又不能互相取代。
加工陶瓷材料时应根据材料种类、工件形状及精度、成本、效率等因素,选择合适的加工方法。
为了实现陶瓷材料的精密及超精加工,工业发达国家正致力于塑性法加工技术(切削或磨削)的研究与开发。
如日本正在开发超微磨料砂轮技术,改造已有精密机床或设计新型精密机床;德国主要致力于塑性加工机理和先进陶瓷的实验研究;英国则侧重于开发结构新颖、经济实用的超精密塑性加工机床;美国是计算机工业和现代通讯业的发源地,非常重视半导体和光电子元器件如硅片、锗片、石英和光电子玻璃等的塑性加工。
新型陶瓷材料的研究开发不断推动和促进陶瓷加工技术的发展;另一方面,陶瓷加工技术的发展又为新型陶瓷材料的应用提供强有力的工艺支持。
目前,陶瓷材料加工中仍有许多课题需要解决,随着加工技术的不断完善和发展,陶瓷材料的应用前景将更加广阔。