氧化铝陶瓷的孔加工质量分析

吴文涛

摘 要 针对烧结金刚石钻头加工氧化铝陶瓷出现裂纹及崩豁现象，设计了预紧力工艺装置，通过加工测试和比较计算，发现施加预紧力有助于改善氧化铝陶瓷的孔加工质量。

关键词 烧结金刚石钻头；氧化铝陶瓷；预紧力；孔加工

0 前 言

氧化铝陶瓷具有硬度高、强度高和耐高温等优异性能，广泛运用于化工、矿业、航空航天、汽车和微电子等工业领域。在加工过程中，陶瓷材料常需要进行钻孔和开槽等工序，而氧化铝陶瓷具有较高的硬度及较低的断裂韧性，是典型的难加工材料。本文采用烧结金刚石钻头对氧化铝陶瓷进行磨削钻孔，通过施加预紧力的工艺装置较大程度地减小孔出口的崩豁和裂纹，从而改善孔加工质量，获得最优预紧力及其理想范围。

1 试验过程

1.1试验材料及设备

试验采用烧结金刚石钻头，其结构如图1所示，由工作层、过渡层和金属基体等三部分组成。工作层为金刚石磨粒与金属结合剂混合的压制层，金刚石磨粒包裹于结合剂中，从而实现对工件材料的磨削；过渡层由结合剂粉末组成，不包含金刚石，牢固连接基体与工作层；基体由45#钢经机械加工而制成，起支撑工作层的作用，同时便于装卡工具。烧结金刚石钻头工作层高度为6 mm，外径为20 mm，内径为16 mm，水口数为2个，金刚石粒度为50/60（直径为250 μm），金刚石磨粒的浓度为50%（0.44g/cm3，400%浓度制）。

试验采用的氧化铝陶瓷工件为正方形，质量分数为99.5wt%，断裂韧性为3.9 MPa·m1/2，维氏硬度为26GPa，工件厚度为10 mm。

在ZXL-20型钻铣床上进行试验，其额定功率为750 W，加工时采用水冷却，冷却液压力为0.3 MPa，冷却液流量为120 cc/s。

1.2预紧力工艺装置

针对钻头加工氧化铝陶瓷出现的裂纹及崩豁现象，设计了由上压板、上垫板、下垫板及夹具体组成的预紧力工艺装置，装置示意图见图2。

试验采用的垫板材料为PVC硬塑料板，其弹性模量为2 300～2 500 MPa，厚度为2 mm。采用M12粗牙普通螺纹螺栓实现预紧，通过测力矩扳手拧紧力矩来控制预紧力的大小，观察氧化铝陶瓷的孔加工质量，选择最优预紧力。

2 结果分析

氧化铝陶瓷在钻孔过程中，出口处容易发生崩豁现象，其形状类似圆锥体，因此选择圆锥体的扩口圆直径D与孔径D0的比值l（l=D/D0，崩豁比）和锥体高H（崩豁深度），作为不同预紧力条件下孔加工质量的评价参数见图3。相同轴向压力及主轴转速条件下，崩豁比及崩豁深度小，说明此预应力条件下孔加工质量好；崩豁比及崩豁深度大，则说明此预应力条件下孔加工质量差。为了减小试验误差，测量多点取平均值。试验前使用氧化铝砂轮对烧结金刚石钻头的唇面进行磨削开刃，确保钻头处于正常工作状态度。

在试验条件下，预紧力的大小设置为12 800～16 800N。轴向压力设置为750N，主軸转速设置为2 600 r/min。

图4a和图4b显示了不同预紧力对崩豁比和崩豁深度的影响。由图4可见，当预紧力不断增大时，氧化铝陶瓷的崩豁比和崩豁深度不断减小，孔加工质量越来越好，这是因为在加工过程中，烧结金刚石钻头对陶瓷工件底部未钻削的一层陶瓷材料具有挤压作用，使其发生拉伸破坏现象，当预紧力不断增大，将会不断平衡未钻削陶瓷材料受到的拉伸应力，孔出口的崩豁程度逐渐减小，从而降低了陶瓷孔口的崩豁比和崩豁深度，获得了较好的孔加工质量；但是当预紧力增大至15 200N时，崩豁比和崩豁深度降低幅度较小，这是由于钻头对陶瓷工件底部最后一层陶瓷材料不断地钻削深入，钻头对陶瓷工件最后一层陶瓷材料产生的拉伸应力逐渐增大，但是此时预紧力的增量幅度难以完全平衡最后一层陶瓷材料所受的拉伸应力，只能继续逐渐小幅降低陶瓷工件出口处的崩豁比和崩豁深度，孔出口的加工质量改善幅度不是特别明显。

为降低崩豁比和崩豁深度，分别施加18 400N及20 000N的预紧力，结果显示当预紧力为18 400N时，其崩豁比和崩豁深度的大小与预紧力为16 800N时的大小基本没有变化，即孔加工质量基本没有变化；而当预紧力为20 000N时，氧化铝陶瓷发生破碎现象，这主要是由于试验时预紧力装置的预紧采用普通螺纹螺栓来实现，螺纹螺栓与氧化铝陶瓷材料不能保持完全垂直的方向，所以在施加预紧力时容易对氧化铝陶瓷产生弯矩，当预紧力增大时，弯矩也会增大，当弯矩增大至一定范围时就会使氧化铝陶瓷产生破碎现象。因此，在试验条件下，考虑到试验的安全性以及施加预紧力的可操作性，预紧力为15 200～16 800N时，使用烧结金刚石钻头加工氧化铝陶瓷时产生的崩豁比和崩豁深度较小，获得的孔加工质量较好，且最优预紧力为16 000N。

3 结 语

施加预紧力有助于改善氧化铝陶瓷的孔加工质量，预紧力15 200～16 800N时，孔的崩豁程度较小，孔加工质量较好，最优预紧力为16 000N。

参 考 文 献

[1]宋月清，刘一波.人造金刚石工具手册[M].北京：冶金工业出版社.2014.

[2]北京第一通用机械厂编.机械工人切削手册[M].北京：机械工业出版社.1983.

[3]于爱武.机械加工工艺编制[M].北京：北京大学出版社.2010.