陶瓷微细结构的生坯加工方法研究

论文摘要

陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等许多优异性能,微机电系统的发展使具有微细结构的陶瓷制品在航天、化工、微电子、生物工程等领域有着广阔的应用前景。但由于烧结后陶瓷材料的硬脆性,传统加工方法如钻削、铣削、车削等很难加工出具有微细结构的陶瓷制品,激光、超声等特种加工方法在陶瓷材料的微细加工中又存在着加工效率低、加工成本高和残留内应力等问题,这使得陶瓷微小件的应用受到极大的限制。本文介绍了一种陶瓷微细结构的生坯加工工艺方法,采用模压成型方式制备了不含粘结剂的氧化铝陶瓷生坯薄片,并在生坯表面开展了以微孔、微型腔为代表的陶瓷微细结构加工方法研究。微细刀具的制备是实现微细加工的前提条件,利用线电极电火花磨削方法制作了具有菱形截面和D型截面的微细刀具,并基于现有高精度卧式电火花实验装置开发了刀具制备数控系统,该系统具有手动、探测、伺服控制以及三维加工等模块,能够实现微细刀具的在线制备以及陶瓷微孔、微型腔的加工。使用微细刀具在陶瓷生坯表面加工微孔、微型腔的过程中,由于生坯中的粉料颗粒结合不紧密易剥离,从而造成刀具和所加工微结构侧壁之间有一定的加工间隙,且陶瓷生坯在烧结后尺寸会产生收缩。为获得加工及烧成尺寸满足要求的微孔、微型腔,本文研究了加工间隙形成以及坯体烧结尺寸收缩规律,通过在加工过程中放大微孔、微型腔加工尺寸的方法对加工间隙、坯体的收缩进行了补偿,实验结果表明通过该法得到的微孔、微型腔加工及烧成尺寸与设计目标尺寸符合情况十分良好。由于不含粘结剂的陶瓷生坯主要依靠颗粒间的内摩擦力、机械互锁等作用来获得一定的强度。在生坯表面加工微孔、微型腔的过程中加工件边缘容易发生材料的崩边破损,导致加工质量不能够满足设计要求。为了增加生坯的强度,本文在不同的温度下对生坯进行了预烧结,在此基础上以微方形型腔为研究对象分析了边缘破损、刀具磨损与预烧温度的关系,同时采用三点弯曲法测量了生坯强度随温度的变化情况。实验结果表明生坯预烧结后其强度明显得到了提高,微方形型腔边缘破损随坯体预烧温度的提高逐渐减小,但同时所对应的刀具磨损逐渐增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 陶瓷微细加工技术及其研究进展
• 1.3 微细切削技术及刀具制备方法概述
• 1.4 陶瓷生坯加工技术国内外研究现状
• 1.5 论文的主要研究内容
• 2 陶瓷生坯制备与测试分析方法
• 2.1 陶瓷粉料的选择
• 2.2 生坯制备及过程分析
• 2.3 抗弯强度测试
• 3 微细刀具在线制备方法研究
• 3.1 微细刀具制备
• 3.1.1 刀具制备原理
• 3.1.2 刀具制备方法
• 3.2 微细刀具加工平台
• 3.3 加工控制软件设计
• 3.3.1 状态检测方法及控制策略
• 3.3.2 控制软件设计
• 3.4 本章小结
• 4 陶瓷生坯直接加工方法研究
• 4.1 陶瓷材料去除机理
• 4.2 实验加工方法
• 4.3 烧结收缩及加工间隙的测定
• 4.3.1 收缩率
• 4.3.2 加工间隙
• 4.4 烧结收缩与加工间隙补偿方法
• 4.5 加工样例与结果分析
• 4.5.1 微孔加工
• 4.5.2 微型腔三维铣削加工
• 4.5.3 刀具磨损情况分析
• 4.5.4 表面加工质量分析
• 4.6 本章小结
• 5 陶瓷微细结构的生坯预烧结加工方法研究
• 5.1 陶瓷生坯预烧结强度增强机理
• 5.2 陶瓷生坯预烧结及坯体结构分析
• 5.3 陶瓷生坯预烧结及完全烧结收缩规律研究
• 5.4 预烧结温度对坯体抗弯强度的影响
• 5.5 预烧结温度对边缘加工质量的影响
• 5.6 预烧结温度对刀具磨损的影响
• 5.7 预烧结温度的选择确定
• 5.8 加工样例
• 5.8.1 微通孔加工
• 5.8.2 微复杂型腔加工
• 5.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢