99氧化鋁陶瓷是指氧化鋁含量高于99%的工程陶瓷，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5593-1999的規(guī)定，99氧化鋁陶瓷材料硬度、強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)低、并且絕緣、耐磨、耐腐蝕，在機(jī)械制造、航空航天、精密儀表、石油化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。氧化鋁陶瓷零件通常采用熱壓燒結(jié)成型，由于燒結(jié)常常會(huì)帶來變形和收縮，一般都需要進(jìn)一步精加工來保證零件的尺寸精度和形狀精度。但氧化鋁陶瓷材料一般彈性模量相當(dāng)大、硬度高、脆性大，裂紋敏感性強(qiáng)，因此，其機(jī)械加工難度主要表現(xiàn)在加工硬度和加工脆性上。
1氧化鋁陶瓷加工難點(diǎn)分析
1.1氧化鋁陶瓷的加工硬度：AL203主要有α、β、γ三種結(jié)晶形態(tài)，其中α-AL203結(jié)晶形態(tài)中較穩(wěn)定，1300℃時(shí)I3和γ結(jié)晶幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;結(jié)晶。在α-AL203結(jié)晶形態(tài)中鋁離子與氧離子形成的原子鍵多為共價(jià)鍵、離子鍵或是它們的混合鍵，因此原子間的結(jié)合能很高且具有很強(qiáng)的方向性，其具體表現(xiàn)為材料脆性大、塑性變形小、易產(chǎn)生裂紋；其硬度相當(dāng)于碳化物硬質(zhì)合金的硬度，比鋼高好幾倍，通常高純度氧化鋁陶瓷密度可達(dá)3980（Kg-m4），抗拉強(qiáng)度達(dá)260（MPa)，彈性模量在350-400（GPa）之間，抗壓強(qiáng)度為2930（MPa），特別是其硬度可達(dá)99HRA。99氧化鋁陶瓷強(qiáng)度、硬度有所降低，根據(jù)我們對(duì)實(shí)驗(yàn)樣件的測(cè)定，其常溫下硬度也達(dá)到70HRA。
1.2氧化鋁陶瓷的加工脆性：通常情況下氧化鋁陶瓷的顯微組織為等軸晶粒，是由離子鍵或共價(jià)鍵所組成的多晶結(jié)構(gòu)，因此斷裂韌性較低，在外部載荷的作用下，應(yīng)力就會(huì)使陶瓷表面產(chǎn)生細(xì)微的裂紋，而裂紋則會(huì)快速擴(kuò)展而出現(xiàn)脆性斷裂，因此在氧化鋁陶瓷切削過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)崩豁現(xiàn)象，即在陶瓷表面出現(xiàn)崩裂的小豁口。出現(xiàn)崩豁現(xiàn)象的原因是：(1)材料被切除部分和已加工表面較終分離是通過拉伸破壞引起，這不是正常切削的結(jié)果。（2）崩碎切削變形帶來的龜裂一般是順著工件表面一直往下開裂的，此時(shí)，由于切削拉應(yīng)力將切削和相粘結(jié)的工件基體一起剝落而形成崩豁現(xiàn)象。需注意的是拉應(yīng)力越大，造成的崩豁現(xiàn)象就越嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工件的浪費(fèi)。
2常見氧化鋁陶瓷加工方法
氧化鋁陶瓷材料屬難加工材料，具有高硬度、脆性大的特點(diǎn)，常見的有磨削加工、切削加工、激光加熱加工、高壓磨料水射流加工以及很聲波加工等加工方法。
2.1磨削加工：目前大部分的陶瓷加工主要是采用磨削加工的方法。由于氧化鋁陶瓷材料硬度高，磨削砂輪的磨具磨料一般采用金剛石（天然、人造）材料，而研磨時(shí)大多采用B4C材料作為研磨的磨料。研究表明，氧化鋁陶瓷在磨削過程中陶瓷材料主要有晶粒去除、脆性斷裂、材料剝落、晶界微破碎等脆性去除方式。陶瓷表面空隙和裂紋通過成形、延展、剝落、碎裂，整個(gè)晶粒從工件表面上脫落，完成材料的脆性去除過程。在實(shí)際磨削過程中，機(jī)床的特性，磨削參數(shù)以及的磨粒形狀對(duì)磨削加工都有影響。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)是如何利用材料的塑性去除機(jī)理實(shí)現(xiàn)陶瓷磨削的延展性磨削，目前，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)合了陶瓷表面微破碎面和塑性變形的半延展性磨削，由此減少了工件表面的微裂紋，提高了工件的強(qiáng)度。
2.2切削加工：考慮到刀具的磨損和加工效率，氧化鋁陶瓷的切削加工，通常采用金剛石或立方氮化硼作為刀具材料。日本學(xué)者杉田忠彰，根據(jù)線性斷裂力學(xué)原理，提出了陶瓷材料去除的三種模型：(1)不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展型（2）裂紋殘留型（3）塑性變形型。研究表明，氧化鋁陶瓷的臨界切削深度apmax=2μm，ap>apmax時(shí)，材料為脆性去除方式，切削時(shí)將會(huì)在陶瓷件表面殘留脆性龜裂，從而對(duì)陶瓷零件的強(qiáng)度和工作可靠性產(chǎn)生影響。當(dāng)ap<apmax時(shí)，陶瓷材料可以像金屬材料一樣產(chǎn)生剪切滑移變形，實(shí)現(xiàn)塑性流動(dòng)式切削。也可以通過加熱輔助加工法來實(shí)現(xiàn)塑性切削，即將陶瓷材料局部區(qū)域加熱到一定溫度，使其硬度降低，此時(shí)加工，可實(shí)現(xiàn)材料變形從脆性向塑性轉(zhuǎn)變，常用的加熱熱源有氧乙炔火焰、高頻、等離子和激光。陶瓷切削加工時(shí)，影響切削力的主要因素有材料的硬度和斷裂韌性，由于硬度高，刃口難于切入，故徑向力遠(yuǎn)大于其他分力達(dá)5-10倍。刀具的磨損包括機(jī)械磨損，化學(xué)磨損以及在熱應(yīng)力作用下，因?yàn)榫Ы鐡p傷和破裂所致的刃口剝落。切削速度高，切削深度和進(jìn)給量大都會(huì)增加刀具磨損，可適當(dāng)加大刀尖圓弧半徑，以增加刀尖強(qiáng)度和散熱性。
2.3激光加工：激光加工是以激光作為加工能源的非接觸式加工，因此避免了材料脆性去除時(shí)產(chǎn)生的表面裂紋。當(dāng)高能量的激光作用在被加工零件的加工面上時(shí)，陶瓷局部區(qū)域的能量可達(dá)108JCM2以上，因?yàn)樘沾刹牧蠈?duì)長(zhǎng)波激光的吸收效率很高，所以零件加工面上經(jīng)過光能轉(zhuǎn)變成的熱能會(huì)讓工件的表面小范圍內(nèi)的溫度快速升高，并使工件材料融化、汽化，從而達(dá)到去除工件表面的材料的效果。由于聚焦光斑小，其熱影響區(qū)小，因此可以實(shí)現(xiàn)精密加工。
常用于陶瓷加工的有激光和激光兩類激光，二氧化碳激光有效功率比較高，脈沖時(shí)間比較長(zhǎng)，一般用于高速加工。但是，因?yàn)樘沾晌斩趸技す獾男瘦^高，且在陶瓷表面的光斑范圍較大，使得陶瓷工件受熱區(qū)域大，這樣就使得陶瓷表面容易產(chǎn)生脆性破壞；激光的有效功率低且脈沖時(shí)間短，但是其激光束的能量密度高，因此常用于加工陶瓷零件。
2.4很聲波加工：很聲波加工實(shí)質(zhì)上是在工具和被加工零件的空隙之間投入液態(tài)或者糊狀的磨料，利用很聲波的振動(dòng)作用，使得磨粒高速地連續(xù)撞擊、打壓并拋磨被加工材料的表面，使得被撞擊磨削的材料流出，從而實(shí)現(xiàn)切削的目的。需注意的是：很聲波施加在加工工具與被加工工件表面上；在工具和被加工零件的空隙之間存在液態(tài)或者糊狀的磨料；需要給加工工具施加微小的壓力，使其壓住被加工零件，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)加工零件的采用很聲波加工。
很聲波振動(dòng)很早就應(yīng)用于陶瓷加工，當(dāng)前已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用。很聲波在加工不同的孔或者槽時(shí)，所需要的工具也是不一樣的，更換工具會(huì)降低加工效率；如果設(shè)計(jì)專用夾具則會(huì)增加制造成本；同時(shí)如果工具使用過于頻繁會(huì)使得工具磨損加劇，質(zhì)量精度不高，從而影響很聲波磨料的共振頻率，較終影響加工質(zhì)量。目前很聲波加工的研究方向是采用多種加工方法實(shí)現(xiàn)很聲波復(fù)合加工，以此來提高工件表面的加工質(zhì)量及其制造效率和成本。如很聲波的車削、磨削，細(xì)分有很聲鉆孔、很聲波加工螺紋、很聲振動(dòng)打磨拋光等。
2.5高壓磨料水射流加工：水射流加工是將經(jīng)過特殊處理的水注入高壓系統(tǒng)，使水迅速增壓到幾百乃至幾千巴的很高壓，然后再將這種高壓水通過一個(gè)直徑僅為的噴嘴噴出，高壓水流速度為音速的2-3倍，磨料與流經(jīng)噴嘴的水混合，沖擊被加工陶瓷材料。高壓磨料水切割時(shí)所使用的磨料為天然石榴石磨料，磨料帶有很多棱角呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，在高壓水的帶動(dòng)下對(duì)陶瓷工件進(jìn)行沖擊時(shí)，磨料本身起到一個(gè)沖擊壓頭的作用，由于氧化鋁陶瓷是脆性材料，當(dāng)其表面受到強(qiáng)大沖擊力時(shí)，將產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的裂紋，隨著沖擊力的增大，裂紋不斷擴(kuò)展，形成切屑，切屑從陶瓷表面脫落實(shí)現(xiàn)加工。只是，高壓磨料水射流加工需要大功率的增壓器，工作噪音會(huì)達(dá)到85個(gè)
此外，用于加工氧化鋁陶瓷工件的方法還有離子束加工、等離子加熱切削、化學(xué)加工等。目前的實(shí)際應(yīng)用中仍以磨削加工為主。從研究動(dòng)態(tài)看，把兩種或幾種加工方法復(fù)合在一起形成一種新的加工方法是一種趨勢(shì)，如很聲振動(dòng)復(fù)合磨削、很聲放電復(fù)合加工、電解放電復(fù)合加工等。同時(shí)，將陶瓷加熱使之硬度下降后再進(jìn)行切削的新加工方法也是研究熱點(diǎn)，這種方法不僅可以提高陶瓷件的加工質(zhì)量，而且可大大提高加工效率。