摘要　孔類陶瓷零件在工業(yè)中正得到廣泛的應(yīng)用，珩磨技術(shù)是孔類陶瓷零件加工中的重要環(huán)節(jié)之一。從陶瓷材料種類和珩磨工具兩方面對陶瓷珩磨加工質(zhì)量進行了研究，并從應(yīng)用角度，分析了陶瓷材料的平頂珩磨表面。
　　關(guān)鍵詞　工程陶瓷　珩磨　表面質(zhì)量　平頂珩磨
　　中國圖書資料分類法分類號　TH145.11　TH161.1

　　工程陶瓷材料因其優(yōu)良的機械性能在工程中有廣闊的應(yīng)用前景。孔類陶瓷零件正應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，無冷卻系統(tǒng)陶瓷發(fā)動機采用陶瓷缸體，可提高燃料利用率和行駛效率，并降低油耗。石油鉆探設(shè)備中，采用ZTM(氧化鋯增韌莫來石)陶瓷材料制作的泥漿泵缸套，其壽命是硬質(zhì)合金缸套的3倍以上，大幅度提高了泥漿泵的工作壽命和可靠性。此外，陶瓷軸承套以及紡織用陶瓷柱塞套等均在工業(yè)中得到應(yīng)用。
　　珩磨常用于內(nèi)孔表面的精加工，同時又是一種高效加工方法，可去除較大余量，適合加工相對運動精度高的精密偶件。隨著金剛石等超硬磨料的應(yīng)用，今后，對高性能陶瓷材料的珩磨加工將占有很大比重［1］。珩磨加工是陶瓷發(fā)動機氣缸(Mg-PSZ，TZP)、陶瓷泥沙泵缸體(ZTM，Al2O3) 以及陶瓷軸承套(HPSN，RBSN)等孔類零件機械加工的最佳選擇。工程陶瓷材料珩磨面臨的主要研究課題之一是如何提高加工質(zhì)量，發(fā)揮材料的優(yōu)異性能。本文從陶瓷材料和珩磨工具兩方面研究了工程陶瓷材料的珩磨表面質(zhì)量，分析珩磨表面粗糙度及表面耐磨性能，主要實驗條件如下：
　　機床：M4215型立式珩磨機
　　試件直徑：65 mm
珩磨速度：12.44 m/min
　　油石往復(fù)速度：4.8 m/min
　　油石工作壓力：0.24 MPa
　　油石越程量：20 mm
　　珩磨時間：3 min
　　冷卻條件：煤油+機油
　　磨床：MG1432A型高精度萬能外圓磨床
　　工件主軸轉(zhuǎn)速：140 r/min
　　砂輪主軸轉(zhuǎn)速：10 000 r/min
　　砂輪型號：1A1/T2 30×10×10×3RVD 140/170 B 100
　　測試儀器：Taylor-Hobson-6型表面粗糙度儀，UBM微焦距表面粗糙度儀

1　不同陶瓷材料珩磨加工表面質(zhì)量分析

　　陶瓷材料的種類不同，其磨削加工表面粗糙度值存在差異，加工后陶瓷材料表面粗糙度值在一定程度上反映了材料的磨削加工性［2］。陶瓷材料的珩磨加工具有同樣的規(guī)律。在相同實驗條件下，珩磨加工4種陶瓷材料：95Al2O3，ZTM，ZTM/SiCp和HPSN。其中，油石型號為SFH 72×6×6×2 RVD 230/270 B 75。實驗結(jié)果見圖1。

圖1　陶瓷材料表面Ra值

　　上述幾種材料中，95Al2O3材料的強度最低、脆性最大，易于加工，材料以脆性方式去除，加工表面存在脆性崩除留下的凹坑。加上材料自身氣孔率較高，所以加工后的表面粗糙度值最大。95Al2O3的Ra值為0.85 μm，遠遠高于其它幾種陶瓷材料。ZTM陶瓷材料，因在莫來石基體中加入氧化鋯粒子，受應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌機制和微裂紋增韌機制的作用，其強度和韌性得到了提高，可以獲得比95Al2O3小的表面粗糙度值。ZTM/SiCp陶瓷材料，在ZTM的基礎(chǔ)上，添加SiC顆粒彌散相，具有以裂紋偏轉(zhuǎn)為主的強韌化增韌機制，使顆粒補強ZTM/SiCp陶瓷材料的強度和韌性進一步提高，在相同加工條件下，材料脆性斷裂去除的概率減小，加上熱壓燒結(jié)陶瓷制品的密度高，因此，ZTM/SiCp陶瓷材料的珩磨加工表面粗糙度值較低，在數(shù)值上與HPSN陶瓷材料基本接近。可見，選擇工程陶瓷材料珩磨加工工藝參數(shù)時，還應(yīng)考慮被加工件材質(zhì)因素的影響。

2　珩磨工具對陶瓷珩磨表面粗糙度的影響

　　工程陶瓷材料珩磨加工表面質(zhì)量的影響因素可分為兩類：珩磨工藝參數(shù)和珩磨工具參數(shù)。其中，工具參數(shù)的影響最為顯著。本文以ZTM陶瓷材料為例，主要考察金剛石油石粒度、濃度以及結(jié)合劑3個工具參數(shù)對工程陶瓷珩磨加工表面粗糙度的影響規(guī)律。
2.1　金剛石油石粒度
　　金剛石油石粒度對珩磨后陶瓷材料表面粗糙度有重要影響。選用3種粒度的油石磨料，對ZTM陶瓷材料進行珩磨加工，其中，樹脂結(jié)合劑油石濃度為50%，結(jié)果見圖2中的粒度對比部分。隨著金剛石油石磨料粒度的降低，陶瓷材料的加工表面質(zhì)量得到明顯改善。油石磨料的粒度

圖2　ZTM陶瓷材料表面Ra值

細，磨粒與陶瓷材料的相互作用區(qū)域范圍小，磨粒的切削能力弱，材料去除量少，在陶瓷材料表面產(chǎn)生的磨削痕跡淺。于是，粗糙度參數(shù)Ra值較低。工程陶瓷材料精加工時，應(yīng)選擇細粒度的金剛石油石工具，避免劃痕的產(chǎn)生，以獲得合格的表面質(zhì)量。

2.2　金剛石油石濃度
　　選用3種濃度的金剛石油石磨料，對ZTM陶瓷材料進行珩磨加工，其中，樹脂結(jié)合劑油石粒度為230/270，結(jié)果見圖2中的濃度對比部分。金剛石油石的濃度低，油石表面單位面積上的磨粒數(shù)減少，導(dǎo)致陶瓷材料珩磨表面加工的不均勻性。并且，單個磨粒上的作用力大，陶瓷材料更容易以脆性破壞形式去除，加工表面留下較深的劃痕。因此，低濃度油石珩磨陶瓷材料表面的Ra要高一些。從圖2可以看出，金剛石油石濃度對陶瓷材料珩磨加工表面粗糙度的影響，并不像油石粒度那樣顯著。為獲得較好的工程陶瓷珩磨表面質(zhì)量，金剛石油石的濃度不宜選得過低。
2.3　金剛石油石結(jié)合劑
　　工程陶瓷零件實際加工中，一般采用樹脂結(jié)合劑金剛石工具制品作為切削工具，為了獲得較高的磨削比和加工效率，通常選用金屬結(jié)合劑金剛石工具。選擇油石磨料粒度230/270，濃度為75%。從圖2中的結(jié)合劑對比部分可以看出，樹脂、青銅、鑄鐵結(jié)合劑金剛石油石加工后的陶瓷表面粗糙度值差別不大。而電鍍金剛石油石珩磨后的陶瓷材料表面粗糙度值迅速升高，對陶瓷材料表面質(zhì)量的影響最大。電鍍油石表面磨粒充分暴露，在陶瓷材料表面加工出極深的劃痕。

3　陶瓷材料平頂珩磨表面質(zhì)量分析

　　對于有配合精度要求的精密偶件，其最終加工表面質(zhì)量，在使用中顯得更為重要。以陶瓷材料在汽車、摩托車發(fā)動機缸體等應(yīng)用為例，如果材料表面質(zhì)量差，就會發(fā)生表面磨損現(xiàn)象(見圖3)：陶瓷材料表面輪廓鋒利的凸峰或者切削與之配合的金屬部件或者陶瓷材料之間表面輪廓尖峰相互撞擊，最終導(dǎo)致部件配合尺寸超過公差范圍，配合精度下降，從而增加燃料的消耗。

圖3　配合面的磨損

陶瓷平頂珩磨經(jīng)過粗珩和精珩兩道工序，即先用粒度140/170的樹脂結(jié)合劑金剛石油石進行粗珩，形成網(wǎng)紋；再用粒度270/325的SiC油石精珩，去掉粗加工表面網(wǎng)紋凸峰的尖頂部分。平頂珩磨加工方法，不僅可去除工程陶瓷材料表面輪廓中鋒利的凸鋒，避免發(fā)生圖3的磨損現(xiàn)象，而且增大加工孔表面的支承面積，縮短孔表面的“跑合”期，延長“穩(wěn)定”磨損期，進一步增加零件加工表面的耐磨性。
　　Mg-PSZ陶瓷材料經(jīng)過磨削和平頂珩磨加工的表面輪廓 (見圖4)。對比兩種加工方法的材料表面輪廓，可明顯看出，磨削加工后陶瓷材料表面輪廓峰、谷分布隨機，表面存在許多凸起的尖峰，不適合用做精密配合表面。平頂珩磨中的SiC油石對陶瓷材料的切削作用小，僅能去除陶瓷材料表面輪廓尖峰部分，獲得平坦表面輪廓。

圖4　Mg-PSZ材料表面輪廓
(a)磨削表面　(b)平頂珩磨表面

材料表面抗磨料磨損能力與材料表面輪廓微觀不平度形狀特性有關(guān)的輪廓支承長度率曲線(tp曲線)和幅度分布曲線有密切關(guān)系，兩條曲線形象說明材料表面的耐磨性能［3，4］。如果材料表面輪廓很平坦，則tp曲線形狀較平坦，表面輪廓高度幅度分布范圍窄，這說明材料表面的耐磨性好。反之，如果材料表面存在許多凸起尖峰，則tp曲線形狀較陡，表面輪廓高度幅度分布范圍寬，材料表面耐磨性不好。
　　研究表明，磨削加工的表面tp曲線形狀比較陡，表面輪廓高度幅度曲線的分布范圍比較寬。材料表面的耐磨性能較差。而經(jīng)過平頂珩磨加工的材料表面，tp曲線形狀比較平坦，表面輪廓高度幅度曲線分布范圍窄，材料表面具有良好的耐磨性能。
　　上述研究結(jié)果證明了工程陶瓷材料加工表面平頂特性的存在，在生產(chǎn)中可選擇合理的加工工藝，從機械加工角度，提高陶瓷材料的機械性能。

4　結(jié)論

　　(1)陶瓷材料種類不同，其珩磨加工表面粗糙度值存在一定的差異。陶瓷材料的強度越低、脆性越高，其加工表面粗糙度值越大。陶瓷材料的珩磨加工還應(yīng)考慮材料的影響因素。
　　(2)金剛石油石粒度、濃度以及結(jié)合劑三個珩磨工具參數(shù)中，油石粒度和油石結(jié)合劑對陶瓷材料珩磨加工表面粗糙度的影響作用較顯著。
　　(3)工程陶瓷材料采用平頂珩磨加工方法，可去除材料表面輪廓中鋒利的凸峰，形成具有平頂特性的陶瓷材料表面，在實際應(yīng)用中避免發(fā)生配合面材料的磨損。