陶瓷材料机加工工艺参数的优选

黄爱华，王强

(1.江西工业工程职业技术学院，江西萍乡337055;2.井冈山大学，江西吉安343009;3.吉安市仿生包装工程技术研究中心，江西吉安343009)

近年来，随着陶瓷材料的迅猛发展，它在工业上得到了越来越广泛的应用，同时也对其性能和加工质量提出了更高的要求。陶瓷材料的硬脆性及良好的耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等特性，导致机械加工难度大、成本高，而且会导致陶瓷零件的强度下降，从而限制了陶瓷材料的使用［1］。研究质量好、效率高、成本低的机加工技术，将促进陶瓷材料在各领域应用的深入［2］。陶瓷材料是典型的硬脆难加工材料，改善陶瓷零件机加工质量的方法，主要是合理选择加工工艺参数、改善材料加工性能、优化设计材料显微结构。其中，机加工工艺参数的优化选择最为重要，也是效果好、成本低的方法。

1 实验设计

应用表面响应法［3］，拟合响应面模型，确定影响陶瓷材料机加工性能的主要因素，优化机加工工艺参数。采用回归方程拟合实验因素和响应面之间的函数关系，将多元回归分析、最小二乘法和实验设计相结合，进行实验工艺参数和过程设计，对回归方程进行分析即可得到最佳的加工工艺参数组合［1，4］。

1.1 一阶响应面模型

在实验设计基础上，建立设计变量与产品响应量的函数关系，即为响应面模型。一阶响应面模型就是线性响应面模型，也就是响应量(即输出特性)Y 和实验因素X 间的函数关系与线性函数近似。

设有n 个独立的实验因素Xi(i = 1，2，…，n)，它与响应量Y 之间呈线性函数关系:

Y=β0+β1X1+…+βnXn+ε

式中:β0，β2，…，βn为待定系数，根据实验数据采用最小二乘法来估算;

ε 为拟合误差，是一个随机噪声因素，服从正态分布。

1.2 二阶响应面模型

在许多情况下，响应量与影响因素之间的关系并不是线性函数关系，而是复杂的非线性关系如二阶模型，这就要用响应曲面法来进行参数优化。

假设Xi∈R，其中R 是实验因素Xi所允许的范围，则二阶响应曲面的模型为:

式中:β0，β1，…，βn，β11，β12，…，βnn通过最小二乘法估算得到，再通过方差分析和F 检验确定模型的可行性。

通过优化理论找出响应面输出最大值，即为最优的工艺参数值。

2 刀具

硬质合金刀具允许的切削速度是高速钢刀具的3倍。在同等条件下加工陶瓷材料，硬质合金钢刀具的磨损量比高速钢刀具的磨损量要少得多［5］，其磨损量的比较见图1所示。加工陶瓷材料时，应优先选用硬质合金刀具［6］。

几何角度是刀具切削部分几何形状的重要参数，直接影响陶瓷机加工的质量以及切削的稳定性［7］。

图1 硬质合金与高速钢刀具的磨损量比较

2.1 前角

在刀具的几何参数中，前角对切削力的影响最大。前角增大，切削变形与摩擦力减小，切削力相应减小，即切削力随着刀具前角的增大而减小。陶瓷是典型的脆性材料，塑性变形小，形成的切屑属于崩碎状，前角的作用不显著。为了保护刀刃，提高刀头强度，应取较小的刀具前角。

2.2 后角

后角的主要作用是减小刀具后刀面与加工表面的摩擦，刀具前角确定后，后角的大小和刀刃的锋利程度成正比，也影响刀刃的散热，从而影响刀具的耐用度。后角的大小，关系到后刀面与工件间的摩擦、切削刃的锐利程度等，但后角太大将使刀刃强度和传热能力减小。

加工陶瓷材料时，通常根据背吃刀量来选择后角。粗加工时，背吃刀量大、进给量大，后角取小值;精加工时，背吃刀量小、进给量大，后角取大值。陶瓷材料的强度、硬度高，为加强切削刃，一般采用较小后角。

2.3 主偏角

采用大的主偏角，能够有效减小切削力，但会降低刀具耐用度，也使得加工表面粗糙度变差。加工陶瓷材料时，为改善刀头散热条件及强度，降低切削温度、提高刀具耐用度，获得较好的零件表面粗糙度，应选用较小的主偏角、较大的刀尖圆弧半径，在靠近刀尖处设置一个过渡刃。

3 背吃刀量

根据机加工条件和陶瓷零件的加工要求，选择合理的切削用量(背吃刀量、进给量、切削速度)，对于提高机加工生产率和刀具耐用度、保证加工质量、防止陶瓷零件脆性断裂极其重要。在刀具材料相同的条件下，背吃刀量、进给量和切削速度的取值不是由某一个因素决定的，应综合考虑陶瓷零件的加工方式、加工工艺要求和零件材料特性等因素，优化得到最佳值。

背吃刀量对加工质量及刀具耐用度影响较小，如果刀具耐用度为定值，要保证最高的生产率即金属切除率最大，显然应该首先尽量选择大的背吃刀量。粗加工的背吃刀量根据工序余量而定，除留下后续工序余量外，粗加工余量尽量一次加工完成，以使走刀次数最少。

通过正交试验，得到加工陶瓷材料背吃刀量的优化值为:粗车外圆1.5 ～4 mm，精车外圆0.02 ～0.1 mm;钻削深度9.5 mm。

4 进给量

确定背吃刀量后，根据机床动力和工艺系统的刚性或零件加工表面粗糙度的要求，尽量选择大的进给量。进给量是影响加工零件表面粗糙度的主要因素，太大会造成零件加工表面质量下降，要提高表面质量必须采用较小的进给量［8］。粗加工时，进给量的选择受切削力的限制，在工艺系统强度和刚度允许的情况下选择较大的进给量;半精加工和精加工时，进给量的值比粗加工时小，产生的切削力不大，故进给量主要受到零件表面粗糙度要求的限制，一般选较小值。进给量和表面粗糙度的关见图2。

切削陶瓷材料时，若进给量大于0.228 6 mm/r，零件加工表面会出现严重破裂。通过正交试验，得到加工陶瓷材料进给量优化值为:粗车外圆时0.15 m/r，精车外圆时0.06 mm/r;钻削时0.3 mm/r。

图2 进给量和表面粗糙度的关系

5 切削速度

根据选择切削用量的基本原则，应该在背吃刀量和进给量确定后，再根据刀具耐用度选择切削速度。切削速度是影响机加工性能的主要因素，切削速度对切削力的影响呈马鞍形变化，切削速度与刀具磨损的关系见图3所示。

图3 切削速度对刀具磨损的影响

切削陶瓷时，应采用低的切削速度。一般仅为铸铁切削速度的一半，这样零件及刀具的温度较低，可避免加工表面裂纹［9］。正交试验得到的切削速度优化值为:粗车外圆15 m/min，精车外圆10 m/min;钻削速度10 m/min。

6 结束语

陶瓷材料的切削加工过程和金属材料有着明显的不同［10］，但只要合理选择加工方法、刀具、切削用量、冷却方法，优化工艺参数，采用普通刀具和传统机械加工方法进行陶瓷材料的切削加工，完全有可能达到工艺简单、效率高的加工效果。

【1】陈垚.可加工陶瓷机械加工技术研究［D］.天津:天津大学，2007:10－39.

【2】黄春峰.工程陶瓷加工技术的发展与应用［J］.工具技术，2000(12):3－6.

【3】陈品，吴兆华，黄红艳，等.表面响应法在埋置型大功率多芯片微波组件热布局中的应用研究［J］.电子质量，2001(1):40－43.

【4】石振鹏.45Cr 淬硬钢薄壁件车削工艺优化研究［D］.天津:天津大学，2008:5－36.

【5】马廉洁.可加工陶瓷切削加工的实验研究［D］.天津:天津大学，2004:24－26.

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

【7】郭春丽.陶瓷零件的加工方法［J］.陶瓷，2006(3):21－24.

【8】贾志新，艾冬梅，张勤河，等.工程陶瓷材料加工技术现状［J］.机械工程材料，2000(2):2－4.

【9】白雪清，于爱兵，贾大为，等.可加工陶瓷材料机械加工技术的研究进展［J］.硅酸盐通报，2006(8):130－136.

【10】钟利军，于爱兵，刘家臣，等.可加工陶瓷材料的机械加工技术［J］.现代技术陶瓷，2003(2):41－45.