陶瓷材料微波辅助塑性切削技术综述

陶瓷材料的特种加工方法包括超声加工、电火花加工、化学辅助加工、激光加工、水喷射加工、等离子弧加工、声发射微粒加工以及上述方法的组合加工等。这些特种加工手段极大地丰富了陶瓷材料的加工方法，促进了陶瓷材料在工程中的应用。但是，这些特种加工方法仍然存在材料去除效率低、加工成本高等问题。

尽管目前已经开发出多种陶瓷加工方法，但低效率、高成本这一具有共性的缺点已经严重阻碍了陶瓷材料的广泛应用。因此，开发高效率、低成本的陶瓷加工新技术有着十分重要的意义。

采用较大切深（相对于以前的微小切深而言）的陶瓷切削技术是实现高效率、低成本加工的一条有效途径。陶瓷材料的较大切深切削加工具有加工效率高、成本低的优点，如果能实现该技术的实用化，必将大大加快陶瓷材料在工业领域推广应用的步伐。但是，以延性金属为加工对象的传统金属切削理论已不适用于硬脆材料的加工，必须研究硬脆材料的切削机理及规律，寻求新的合适的较大切深切削方法。

从切削理论可知，一个典型的完整切屑的形成必须经过弹性变形、滑移和切离等几个阶段。滑移是塑性变形的基本形式，说明完整的切屑是在塑性状态下形成的。形成完整的切屑时，工件的表面较完整、光洁，无明显裂纹。而对于硬脆性材料（如工程陶瓷、光学玻璃等），采用传统加工技术及金属加工的工艺参数进行加工时，只会导致脆性去除而没有显著的塑性变形，在超过强度极限的切削力作用下，材料会发生脆性断裂。可见，只要能实现在塑性状态下切削，就能减少或消除工件表面裂纹，切制出完整的表面，采用金刚石微小切深的车削或磨削可获得良好的表面质量就是一个好的例证。使脆性材料形成塑性变形，这正是解决陶瓷材料切削问题的切入点。塑性与脆性并非是绝对的，在一定的条件下（如微小切深）是可以相互转化的。因此，切削陶瓷材料的关键是寻找脆性向塑性转化的条件并促使其转化，使脆性材料在塑性状态下完成切削。

温度对材料的塑性影响很大，一般情况下，陶瓷材料原子的活动能力随着温度的上升而增强，易于产生滑移，塑性提高。因此可通过对陶瓷材料加热，使其在塑性状态下切削。

早在1950年左右，schmit、armstrong和krabacher就进行了加温切削的研究，并报道了随着材料温度的升高，材料剪切强度会降低，从而在切削时使切削力减小，刀具寿命增加。1966年barrow利用电流加热技术（electriccurrentheatingtechnique）在加工变形区域产生高温，并观察到材料强度降低会延长刀具寿命，而刀具与切屑界面温度升高则会缩短刀具寿命，因此应对温度和切削工艺参数进行优化以提高刀具寿命。1986年uehara和takeshita通过氧乙炔焰加热si3n4陶瓷材料，在高温状态下实施切削，产生了连续切屑，但表面质量较差。随后，为了提高加热效益，等离子弧和激光加热被引入陶瓷材料加热切削中。1990年kitagawa和mackawa采用等离子弧加热切削玻璃和莫来石、si3n4、氧化铝、氧化锆等工程陶瓷，在si3n4陶瓷车削实验中，当温度达到1050℃时，切削力降低，形成连续切屑，刀具磨损减小，但表面存在缺陷。1995年，westkamper等利用激光加热对si3n4陶瓷进行磨削实验，获得了高于常温磨削的材料去除率。1998年rozzi等对激光加热si3n4陶瓷时加工区的温度场分布进行了仿真和实验论证。2000年rozzi等利用激光加热对si3n4陶瓷进行车削实验，将si3n4陶瓷加热至1151～1330℃范围内进行切削试验在1151℃以下温度范围内切削时为脆性断裂切削当温度升高到1151℃以上时，切屑逐渐变为半连续形态当温度达到1330℃时，切屑成为连续形态，呈现出塑性变形切削状态但高的温度梯度影响了表面质量和强度。2004年rebro等利用激光加热对莫来石进行车削实验，通过渐进升温方法来消除温度梯度，从而消除热应力，但效果不明显。

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