[发明专利]一种陶瓷素坯数字化无模成型方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷素坯加工技术领域，特别地涉及一种陶瓷素坯烧结前进行数字化无模成型方法。

背景技术

陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的由无机化合物构成的多相固体材料。因陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化、抗热振等优点 ，广泛应用于航空航天、电力电子、机械工业、石油化工、光伏行业等许多领域，特别是碳化硅陶瓷，烧结后具有优良的高温力学性能、较小的热膨胀系数、高导热率、比重轻、高弹性模量等特点，已经用做各类轴承、滚珠、密封件、切削工具、燃气轮机叶片、涡轮增压器转子等，也可用作飞机、航天器发动机的燃烧器部件、火箭喷嘴、核燃料的包封材料、大型反射镜等。

陶瓷粉末烧结后硬度相当高，仅次于几种超硬材料，加工难度很大，国内基本是烧结后再加工。常见的烧结后加工方法有：

精密磨床磨削：由于烧结后陶瓷材质硬度大，难加工，用普通工艺难以加工，只能选择金刚石砂轮磨削，同时配置冷却液；这种加工方法切削量不能太大，太大会导致砂轮突然停止磨削，使工件局部去除量过大，表面出现凹陷从而使工件报废，最大切削量一般为0.1mm；当加工余量少于0.5mm时，磨削过程中边缘处出现细微崩边，砂轮切削力明显下降。

数控磨削加工：数控加工及机械加工与数字控制于一体，主要靠编程控制刀具加工曲线或不规则曲面，但现在的数控磨床还做不到像数控铣床那样可以加工复杂曲面；由于陶瓷材质硬度高，砂轮磨损很严重，同时陶瓷颗粒与机床导轨互研，对机床破坏性极大，加工后的颗粒进入切削液对机床、环境污染较大。

线切割加工：电火花线切割加工时通过工具电极与工件电极的相对运动，对工件进行脉冲放电加工，电极丝在其轴向以一定速度相对工件移动并在电极丝与工件切缝之间喷射工作液，结合陶瓷粉末烧结方式不同，高纯陶瓷材料具有高电阻率(绝缘体)不能用线切割加工。只有铁离子等杂质存在时，电阻率减少到1欧姆左右，特别是游离态硅(部分材料存在8%-10%的游离金属硅)的存在，提高陶瓷材质的导电率，可以采用慢走丝线切割(走丝平稳无振动、损耗小、加工精度高、表面粗糙度低等优点)；因不同烧结工艺游离硅含量不同，必须加大电流、在陶瓷工件与工作台接触面及压板底面防止银箔，加强导电并且在冷却液放置银粉强制导电，加工效率低，成本高，并且只能加工规则形状。

超声波加工：超声波可以加工各种导体、半导体、非导体材料，金属材料和非金属材料等，对于一些绝缘体碳化硅材料可以采用超声波加工。超声波是利用工具面做超声波振动，工具与工件之间的磨料悬浮液的作用而进行的加工。装卡时工具轻压在工件上，在工件与工具之间加入磨料和水或煤油灯液态的悬浮液，当超声波换能器产生频率为16000HZ以上的超声频做轴向振动时，通过变幅杆将振幅放大到0.05-0.0mm，驱动工具端面做轴向超声振动，将撞击工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工面，使其材料产生裂纹、破碎，被粉碎成很细的微粒分离出来，同时工作液受工具端面超声振动，产生高频、交变的液压正负冲击波，促使工作液渗入被加工材料的微细裂缝中，加剧破坏作用。影响加工精度的原因有加工尺寸及零件形状、加工深度、被加工材料、工具精度及振动大小、磨粒力度及机床、加剧的精度等；超声波加工成本昂贵，加工时间长，对刀困难，局部崩边，有待于进一步研究。

激光加工：激光加工是新发展的陶瓷加工技术，以功率密度为107～108W/cm2的激光，作用时间为10-3～10-5s，可以打出精确的孔；提高陶瓷激光加工的主要途径有增大光束、降低扫描速度或提高加工温度；激光加工技术先进新颖，相对磨削等效率提高，但由于激光设备昂贵和大功率激光器的安全性欠妥，因此限制了激光加工技术的应用。

以上加工方法都是涉及烧结后加工，目前尚无对未烧结素坯加工方法的报道。

发明内容

为了克服传统的烧结后陶瓷素坯加工方法所带来的各种缺陷，本发明提供了一种陶瓷素坯数字化无模成型方法，在烧结前对素坯进行加工。通过该方法可以降低烧结陶瓷的加工难度，提高加工精度及表面质量，并且可以大幅度提高加工效率，降低能源消耗，节约原材料。另外，通过该方法加工陶瓷素坯，可以得到结构复杂的零件。

本发明提供的陶瓷素坯数字化无模成型方法，其主要步骤包括：

a) 利用三维CAD造型软件建立零件实体模型；

b) 按照工艺要求（可以为模压成型、等静压成型以及挤压成型等工艺）将不同颗粒目数陶瓷粉末与一定量的烧结助剂混合均匀、磨成细粉；

c) 将粉末装入模具加压并保持一段时间制成块体素坯；