高精度陶瓷球材料结构概念的理论与应用研究*

汪文忠

(浙江省陶瓷工业协会 杭州 310004)

1 国内外研究现状

1.1 典型结构陶瓷材料的研究应用现状

目前陶瓷的应用前景广阔，主要分为功能陶瓷和结构陶瓷。功能陶瓷的主要用途是利用材料的磁、电、光、生物的耦合特性，实现特定功能。结构陶瓷材料是指具有耐高温抗磨的陶瓷，可作为高性能机械结构零件，本文提到的用于制造高精度陶瓷球的陶瓷材料属于此类。

合成陶瓷材料的商业研究开发始于20世纪60年代，我国起步较晚，始于20世纪70年代。在使用助烧剂的同时，材料中的气孔无法完全消除。针对这一特点的研究是个研究热点。当然相对的高价位，也是限制其快速发展的一个重要原因。

1.2 陶瓷球研磨成球原理与研磨条件

1.2.1 陶瓷球研磨成球原理

球面加工过程实际就是一个渐进的被加工成理想球面的过程。理想球体，它的每个截面都是一个正圆。首先给研磨器具一个绕Z轴自转的角速度∞，进而实现对球面区域的研磨加工。被加工球体也会在磨盘的带动下以一定的自转角速度自转，球体与研磨器具的接触区域就会实时变化。研磨器具的研磨迹线对被加工球体实现全包络和实现均匀包络是获得高形状精度的球体的前提条件。

陶瓷球研磨成球如下两种条件：

1.2.2 研磨条件

1.2.2.1 切削的等概率性

对于被加工的每个点在球面上都有相同的加工概率。

1.2.2.2 尺寸选择性

磨大球，或少磨小球；磨长轴方向，不磨或少磨短轴方向。

1.3 陶瓷球的研磨方式

各研磨加工方式在很大程度上，决定着加工成球的质量，所以研磨加工方式对陶瓷球的影响是十分重要的。研磨加工方式对切削等概率性和尺寸选择性的符合程度越高，球的合格率就越高。陶瓷球的研磨加工方式还是沿用了传统的钢球加工方式，分为V形槽研磨和自转角主动控制，磁流体研磨和四研具研磨加工方式。

1.4 陶瓷球材料性能与表面质量的研究现状

陶瓷球材料是高精度球体成球的首要保证。陶瓷材料性能的高低是生产原料、制备技术的共同作用结果，不同的原料和制备技术对陶瓷材料性能的结果会产生很大差异。物理性能是时下陶瓷球材料性能的主要研究热点。

2 考虑材料结构特性及其强度准则及模型

材料结构性在宏观上主要由3个因素决定：结构的临界强度、结构刚度和几何形态变化。但这3个因素又受制于材料的微观结构，所以材料的微观形态是最终决定材料结构性的因素。

2.1 宏观材料结构特性

该描述理论的材料全状态函数，是材料结构的临界强度，能较为全面地反映材料的基本性能的一种方法。结构临界强度的变化规律是其重要基础。这一关系反映出以下两方面含义：

1)经典理论意义上的材料强度曲面具有局部性和特定性。

2)材料各结构状态下的强度特性，就构成了材料全状态函数从整体上、结构变化，其他全部可能性上和结构变化的路径，反映了材料强度的宏观特性。

2.2 结构性材料模型的选用和强度准则

笔者选用颗粒结构材料模型进行分析以利于讨论上的方便。假设材料的颗粒之间均匀分布，各颗粒间强度分布的概率是均衡的，构成简单的结构关系。压强度和平行切平面的剪切强度在整个统计域中是随机均匀分布的。

3 陶瓷球材料结构性的描述理论及模型

3.1 宏观材料结构特性的描述理论

材料全状态函数理论是描述材料结构的临界强度、刚度和几何形态变化的规律。

3.2 结构性材料的模型

分析结构性材料的特征，以发现微观或细观层面上，材料具有很强的不均匀性。

4 结语

高精度陶瓷球作为陶瓷球轴承的重要组成元件，市场的需求每年增多，然而国内高精度陶瓷球的生产能力较弱，很难满足市场需求。笔者对陶瓷球材料性能和球体表面质量的研究与评价，意在促进陶瓷球加工和生产的技术推进，材料性能的研究方面以氮化硅陶瓷材料为主，通过对几种类型度准则的分析，可以发现其强度的形式与经典弹理论完全一致。结构简单的材料只是结构性复杂材料的特例。尤其是20世纪80年代美国、日本、瑞士等国家争先对其性能成分掺杂相结构和磁结构做了充分研究，并在此基础上开发了大量的实用器件。

1 黄传真,杨为清,艾兴.新型陶瓷轴承研究的现状与展望.中国陶瓷工业,1999,6(2):25～27

2 王国强,王玉金.高速数控机床主轴用陶瓷轴承的研究进展.轴承,2003(9):49～51

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

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7 卢启柱,刘丰, 芦鑫,等.有源型光纤电流互感器的研究.光通信技术, 2009(6):54～56