摘要：由于工程陶瓷具有极高的硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性以及脆性高等特点，成为难加工材料，特别是加工高精度、形状复杂的构件非常困难，因此，陶瓷材料作为工程结构材料的大规模推广使用，在很大程度上取决于陶瓷零件加工技术的发展。本文综述了国内外陶瓷材料加工技术的研究现状。
关键词：工程陶瓷材料；加工技术
引言
陶瓷材料的原子通过共价键、离子键结合，而金属材料通过金属键相结合，所以陶瓷材料与金属材料有完全不同的性质。陶瓷材料在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子及它们之间的化学键组成的，化学键具有方向性、原子堆积密度低、原子间距大，使陶瓷显示出很大的脆性，加工产生的缺陷多，所以是典型的难加工材料。发展高效低成本的加工技术十分重要。
一、工程陶瓷加工技术现状
由于陶瓷材料种类繁多，制品形状各异，其制造工艺也多种多样，一般是将粉末原料进行冷压成型高温烧结或热压烧结后再加工成制品。可以概括为四个阶段：配料-粉末成型-烧结-加工。其中每一过程均影响制品的最终性能，即使陶瓷坯料是由微米级超细粉料组成，其质量也难以控制。由于粉料完全无可塑性，为了成型，除粘合剂外必需添加各种成型添加剂。未烧结的成型材料在烧结过程中通常会收缩约20%，引起制品的尺寸偏差和变形。在烧结后进行精加工，其加工性能又很差。由于这种种原因，以往陶瓷制品的形状大多较简单，制品的使用功能也较单一。近年来工程陶瓷材料的应用日益活跃，在改进制造工艺方面也展开了激烈竞争。
虽然陶瓷成型、烧结技术的进步不断提高了制品的精度，但将陶瓷作为结构材料特别是机械结构互相配合使用时，仍必须对陶瓷进行加工，以提高烧结制品的尺寸和形状精度及加工表面的完整性。
二、工程陶瓷材料的机械加工
2.1工程陶瓷的钻削加
目前广泛采用金刚石空心钻加工直径数毫米以上的圆孔。据报道该方法在钻削常压烧结氮化硅时，材料去除率可达1600mm³/min以上。由于陶瓷硬度极高，在钻削过程中金刚石钻头磨损严重，此外，由于陶瓷的脆性很大，在孔的入口和出口处崩刃现象严重，影响孔的加工质量。目前在这种空心钻上附加超声波振动进行陶瓷钻削，明显改善了加工效果。也有利用金刚石砂轮磨削内孔及金刚石刀具刮孔，但只适用于陶瓷工件上已有预置孔的情况。目前机械加工方法仅限于数毫米左右直径的孔加工，尚难获得理想的经济效果和表面加工质量，现正不断努力开发新的钻孔加工方法。
2.2工程陶瓷的车削加工
工程陶瓷的车削加工主要采用金刚石刀具（或涂层刀具）进行。多晶金刚石刀具难以产生光滑锋利的切削刃，一般只用于粗加工。而工程陶瓷的精密车削须使用天然单晶金刚石刀具，采用微切削方式。但由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大，车削加工仍难以保证加工精度和加工质量的要求，当前主要集中于工程陶瓷车削机理及车削方法实用化的研究上。尽管对工程陶瓷的车削机理还未形成统一认识，但较10年前已获得很大发展。
2.3工程陶瓷的磨削加工
陶瓷磨削中磨屑的处理一般采用冷却液冲洗，不仅可以冲走磨屑，还可以降低磨削温度，提高加工质量，降低砂轮耗损。一般选用清洗性能好、粘度低的磨削液。另外，砂轮的选择对陶瓷加工影响极大。铸铁结合剂是国外80年代末开发的高强度砂轮结合剂，具有强度高、不易堵塞、磨刃锋利和加工效率高等特点。目前铸铁结合剂砂轮已被国内用来磨削陶瓷。金刚石磨粒的大小也是影响陶瓷加工表面质量的重要因素。通常磨粒越小，加工表面粗糙度越低，但砂轮的磨削比降低。为了能获得较好的综合指标，国外正研究对陶瓷的缓进给磨削。
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2.4工程陶瓷的研磨和抛光加工
研磨和抛光是工程陶瓷零件的重要加工方法，早已用于球面、圆柱面等简单成型表面的加工。研磨通常采用铸铁等较硬的研具有数微米以上的磨粒。抛光采用软质抛光器和细粉磨粒在较低的压力下加工。近年来研磨抛光技术取得了许多新进展，如超声抛光、电加工复合抛光等。
三、工程陶瓷材料的电加工
3.1导电工程陶瓷材料的电加工
电火花加工通过电极间放电产生高温熔化和汽化蚀除材料，材料的可加工性主要取决于材料的热学性质，而材料的力学性能影响较小。电火花加工适合于超硬导电材料的加工。由于大多数陶瓷材料是电的绝缘体，以往很少用电火花加工法加工。但近年来许多高性能工程陶瓷中都含有TiC等导电材料，使得电火花加工成为可能。研究结果表明，当工程陶瓷材料包括单相均质的工程陶瓷和陶瓷/陶瓷，金属/陶瓷复合材料的电阻率低于 •m时，可以有效地利用电火花技术对陶瓷材料进行加工。
3.2非导电工程陶瓷材料的电加工
有一种高压电火花加工方法可以加工非导电陶瓷材料。其加工原理是：在尖电极与平电极间放入绝缘的陶瓷材料工件，两电极间加以直流或交流高电压，使尖电极附近的介质被击穿，发生辉光放电蚀除。但辉光电流小，加工效果差。由于两电极间存在寄生电容，把电源变为高频或脉冲性电源，可以使极间流过相当多的辉光电流，通常使用高压高频电源。这种方法加工表面较粗糙，需用机械加工修研。日本提出了另一种新的非导电陶瓷材料电火花加工方法，其原理是：在薄片工件上压放一块薄金属网作为辅助电极，辅助电极和工具电极分别与脉冲电源的正、负极相连，并放在油类工作液中，当脉冲电压施加到两极间，便在工具与辅助电极间产生火花放电；当电火花穿过工件上的辅助电极时，由于金属材料的气化、喷射或溅射等作用使陶瓷零件表面导电，加工得以持续。但该方法加工深度较浅。
四、大规格板瓷砖的加工技术点
为符合大规格瓷砖对加工设备制造商所提出的新要求，意大利陶瓷原料精加工设备制造商安可拉集团设计生产了新型水刀切割系统、校准与抛光一体化系统，及新型磨边系统用于相关产品的后期加工。
安可拉的新型水刀切割系统能在规格为3.6 m×1.6 m的瓷砖上连续完成7次纵向与7次横向切割。厚度为 6 mm的瓷砖，切割速度大约是3 m/min，生产率可达到4.5m2 /min。而厚度为3mm的瓷砖，切割速度会更快。
当工作压力超过400 MPa 时，掺有研磨料的水流从喷嘴高速喷射而出，形成“水箭”。随着瓷砖的运动方向，水流在横向切割时达到高度精准一致，将瓷砖切割成多种规格的条形状。除非特殊需要，切割后的瓷砖无需作进一步加工。
含有研磨料用于切割的水流存放于喷嘴下方特制的不锈钢箱里，并通过溢流管使不锈钢箱中的水量保持在恒定水平。通过一个不断旋转的螺杆收集、提取位于箱底的研磨料沉淀物，使其与水分开。
在使用7个喷嘴完成首次切割后，移动的条形砖被旋转90°，再使用另外7个喷嘴进行横向切割。其中，由数控机床控制的滑动托架与推动瓷砖后边缘的操纵杆形成上推杆的作用，保证成品尺寸精准的垂直角度。
工作人员只需在触摸屏控制器上设定成品的规格，系统便能根据设定值生产出薄板、条形瓷砖或最小规格为 50cm×20 cm 的瓷砖。切割参数的快速设置与稳定性确保选择规格的高度自由，即使是小批量多规格的产品也能生产。针对某些特殊种类的瓷砖，该设备另设磨边系统，通过磨轮抛光产品侧面。
结束语：陶瓷材料具有良好的耐高温耐腐蚀性能、强度高、硬度高，是优良的高性能材料。随着陶瓷材料学的发展，其制备技术也越来越多，陶瓷材料的性能也逐步得到提高，工程陶瓷的应用将不断扩大。
参考文献：
[1]刘永红.非导电超硬材料电加工新技术及其机理探讨研究（博士学位论文）.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.
[2]雷卡林等.材料的激光加工.北京：科学出版社，2011
论文作者:原焕强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/2/2
标签：加工论文; 陶瓷论文; 工程论文; 陶瓷材料论文; 电极论文; 瓷砖论文; 磨削论文; 《基层建设》2017年第31期论文;