1、特殊材料加工技術,陶瓷和復合材料難加工的原因： 1)高硬度；2)高強度；3)高塑性和高韌性；4)低塑性和高脆性；5)低導熱性；6)有微觀的硬質點或硬夾雜物；7)化學性能過于活潑。,我們對航天領域中難加工特殊材料陶瓷和復合材料的加工技術進行了追蹤。,陶瓷材料的切削加工性,一、與切削加工相關的陶瓷材料的特性,1具有高硬度 在各類工程結構材料中，陶瓷材料的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼 2具有高剛性,3具有高的抗壓強度和低的抗拉強度,4塑件極差 陶瓷材料常溫下幾乎無塑性。 5.韌性極低,6陶瓷的熱特性 陶瓷的線脹系數比金屬低得多 導熱系數(Sic、AlN除外)也比金屬小,二、陶瓷切削加工的特點,陶瓷制

2、品尺寸精度低，不能直接作為機械零件使用，必須經過機械加工才行。 陶瓷尺寸收縮率約為10以上，而金屬僅為0.2以下 傳統的加工方法是用金剛石砂輪磨削，還有研磨和拋光。 磨削效率低，加工成本高。 燒結金剛石、易切陶瓷、高剛度機床開發(fā)，使切削加工成為可能。,1、只可能使用金剛石或立方氮化硼刀具 CBN切削陶瓷試驗結果尚不理想 ； 金剛石的耐磨性約為A12O3陶瓷的10倍，切削陶瓷時金剛石的熱磨損很小 ； 金剛石在空氣中切削高溫下氧化引起碳化而磨損 。,天然單晶金剛石切削刀鋒利，硬度高，但遇沖擊和振動易破損,2陶瓷材料的去除機理是刀具刃口附近的被切材料產生脆性破壞，而金屬則是產生剪切滑移變形。,3從機

3、械加工角度看，斷裂韌度低的陶瓷材料應該容易被切削加工。 不燒結陶瓷和預燒結陶瓷材料內部存在大量龜裂。比完全燒結陶瓷材料容易切削。 燒結溫度和壓力越高、材料越致密、硬度越高，切削加工性越差,刀具而用度越低,4從剪切滑移變形的角度看，某些陶瓷材料只有在高溫區(qū)會軟化呈塑性，切削時刀具刀口附近的陶瓷材料產生剪切滑移變形才有可能。,5陶瓷材料切削時的脆性龜裂會殘留在加工表面上。,復合材料的切削加工性 復合材料是指由兩種以上在物理和化學性質不同的物質，人工制成的一種多相固體材料。 金屬與金屬、非金屬與非金屬、金屬與非金屬均可復合。 幾種不同材料復合之后，既保持了各自的優(yōu)點，又獲得了更優(yōu)越的綜合力學性能和物

4、理性能。,一、復合材料的特點 （1）比強度及比模量高于其他材料。其中以纖維復合材料比強度和比模量最高。 （2）具有良好的抗疲勞性能。如多數金屬疲勞極限是拉伸強度的4050，而碳纖維增強復合材料可高達7080。 （3）復合材料吸振能力強。這是由于復合材料自振頻率高，不易產生共振，同時纖維與基體之間有界面存在，對振動有反射和吸收作用。 （4）復合材料高溫性能好。 具有良好的減磨、耐磨、自潤滑性能、隔音性、化學穩(wěn)定性及電、光、磁等特殊性能。,二、復合材料的分類 其全部相可分為兩類：一為基體相，另一為增強相。基體相起粘結作用；增強相起提高強度和剛度的作用。 復合材料可以分為結構復合材料和功能復合材料兩

5、大類。結構復合材料的分類方法有三種： （1）以基體類型分類：金屬基復合材料、樹脂基復合材料、無機非金屬基復合材料等。 （2) 以增強纖維類型分類：碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、有機纖維復合材料、復合纖維（SiC、B）復合材料、混雜纖維復合材料等。 （3) 以增強相外形分類：細粒復合材料、短纖維復合材料、連續(xù)纖維復合材料和疊層復合材料等。,三、 常用纖維增強復合材料,1玻璃纖維樹脂基復合材料(Grass Fiber reinforced Plastics，簡稱GFRP) 以塑料為基體與玻璃纖維復合，俗稱玻璃鋼。 按所用塑料基體不同，玻璃鋼分為熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼兩種。 前者以熱塑性塑料

6、(如尼龍、聚苯乙烯等)為基體；后者以熱固性塑料(如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)為基體。,玻璃鋼的性能特點 強度較高，接近或超過銅合金和鋁合金，由于相對密度小(1.52)，所以比強度高于銅、鋁合金，甚至超過高級合金鋼。 耐蝕性、介電性優(yōu)良，加工成形性良好。 缺點是剛度差、易變形、耐熱性差(不超過200)、導熱性差、易蠕變等。 要求自重輕的受力結構件 。,2碳纖維樹脂復合材料(Carbon Fiber reinforce plastics，簡稱CFRP) 是以人造纖維或天然纖維為原料，在隔絕空氣條件下經高溫碳化而成。 抗拉強度比玻璃纖維略高，而彈性模量是玻璃纖維的46倍。碳纖維還具有較好的高溫性能。 密

7、度比玻璃鋼還要小，它是目前比強度和比模量最高的復合材料之一。 在抗沖擊性能、抗疲勞性能、減磨性能、耐磨性能、自潤滑性、耐腐蝕性及耐熱性等方面都有顯著優(yōu)點。,碳纖維在機械工業(yè)中主要用于一些承載零件(如連桿、齒輪)、耐磨零件(如軸承、密封圈、活塞)、耐腐蝕零件(如化工泵、高壓泵、管道、容器)等。 此外，它還可用于航空、航天器的構件材料，如飛機翼尖、尾翼、起落架、人造衛(wèi)星支架、火箭噴嘴等。 3.硼纖維與樹脂復合材料(BFRP)。 抗拉強度與玻璃纖維相近，而彈性模量卻高5倍。但由于成本高或技術上的原因，目前應用不如前兩種普遍。 4.芳綸纖維增強復合材料（KFRP）,四、樹脂基纖維增強材料切削加工的特點

8、,1.切削溫度高 纖維增強材料的切削層是在剪切與彎曲的聯合作用下切除的，切削功率大； 由于纖維增強材料的彈性模量低，切削時將產生較大的彈性變形，增大了與刀具間的摩擦，所以產生的熱量多。 另外，纖維增強材料的導熱系數低，切削時產生的熱量難以很快散出。,2刀具磨損嚴重、耐用度低 切削纖維材料時，因切削熱集中在刀具切削刃附近很小區(qū)域內，纖維的彈性恢復和粉末狀的切屑劇烈擦傷刀具表面; 切削強度較高的纖維增強材料時，在刀具后刀面垂直于切削刃的方向上，會產生線隙形溝條狀磨損，所以刀具磨損快，刀具耐用度低。,3. 表面粗糙度大 由于纖維方向與軸線間的夾角不同，以及增強纖維和基體樹脂的線脹系數不同，使切削加工

9、后的表面易產生應力集中，且“起毛”，表面粗糙度大，加工精度低。 4. 控制切削溫度 切削溫度高會使基體樹脂軟化變質 不能隨意使用切削液 5.鉆孔時 鉆削力產生周期性變化 同時沿孔的軸線方向上，纖維增強材料幾何邊界層有局部應力集中，從而產生分層現象。,五、 切削實例說明,(1)增強纖維的纖維角影響加工表面質量、切削力和刀具磨損,(2)刀具的磨損形態(tài) 切削CFRP時，不論用哪種刀具材料(表138中的k10、P20、M10、TiC、TiN、TaN、CW、CB)，在不同切削速度范圍內，均可觀察到有邊界磨損； 當磨損量較小時呈帶狀，磨損量較大時呈三角狀。 在TiN和Tic等金屬陶瓷刀具后面上還可觀察到一

10、種特殊的磨損溝(圖1310)，溝的間距與纖維層間隔有關。,(3)切削速度對刀具磨損率的影響 切削GFRP時，切削速度達到臨界值后，磨損值急劇增大，即刀具磨損率大。切削CFRP時，切削速度對刀具磨損率幾乎無影響 (Tic、TiN、TaN基硬質合金除外 ) (4)刀具材料性能對刀具磨損率的影響 刀具材料的抗壓強度越高、熱脹系數越小，刀具磨損率越小 ; 刀具材料的導熱系數影響不同。切削GFRP時，刀具材料的導熱系數對磨損率幾乎無影響，切削CFRP影響甚大，試驗點很分散，原因在于強度高.,(5)切削FRP的切削力 切削力總的來說比切削金屬小得多，且各向分力大小也有不同。 切削CFRP時，主切削力Fc遠小于背向力FP； 切削GFRP時，FcFP; 切削速度相同時，切削CFRP的FP約為GFRP的56倍，Fc僅是切削GFRP的1倍左右。原因在于CFRP的抗拉強度大。,(6)不同刀具材料的切削性能不同 在試驗的三種硬質合金(K10、P20、M10)、兩種陶瓷(cw和CB)、三種金屬陶瓷(Tic、TiN、T