碳化硅陶瓷的切削加工

碳化硅是最坚硬的材料之一。烧结碳化硅的加工难度大,加工过程通常既耗时又昂贵。因此,大多数碳化硅都用于相对低公差或几何形状简单的零件。但如果选择合适的加工方法和切削工具,完全可以加工出尺寸精密的碳化硅零件。

综述

碳化硅是最坚硬的材料之一,非常适合用作切削和研磨的磨料。碳化硅陶瓷部件在最终烧结阶段之前,无论是在“绿色”(未烧结粉末)的紧实状态下还是在预烧结的“素坯”状态下,都容易切削加工。在此阶段,可以采用常规的加工方法(铣削、钻孔、车削)和切削工具、刀具。

与氧化物和氮化物一样,碳化硅是一种非常耐磨的材料,一旦烧结就需要用金刚石磨具研磨技术来加工。这个过程通常既耗时又昂贵。

由于其成本相对较高且加工难度大,大多数情况下,碳化硅用来制造公差要求相对低或几何形状简单的零件,但如果选择合适的加工方法和切削工具,完全可以加工出尺寸精密的碳化硅零件。

碳化硅陶瓷用途

碳化硅陶瓷是一种优质材料,具有诸多优异特性,密度小、硬度高、极耐磨、导热性强、抗酸性、热膨胀率小、抗腐蚀性好,因此用途广泛:

  • 耐磨件 •机械密封 •喷嘴  •活塞  •轴承  •燃烧器  •热交换器  •窑具  •阀件

 

碳化硅陶瓷的制造

陶瓷制品的生产过程,把粉料模压成粗坯,然后初步加工成型,再进行烧结,最后进行精加工到最终尺寸、形状:

  • 粉料制备 •混炼 •模压成型  •数控加工  •烧结  •研磨或抛光

在此过程中,从未烧结、半烧结、烧结状态,碳化硅加工难度逐步增大。

在未烧结或半烧结状态下,硅碳化物容易加工成所需形状。常规加工方法及即可。半烧结碳化硅加工推荐适用金刚石涂层或PCD刀具。具体刀具需求,可咨询拓岭的切削技术工程师

烧结之后,硅碳化物体积大约收缩20%。为了使最终尺寸满足所需公差,必须对完全烧结的材料进行进一步加工。

与氧化物陶瓷和氮化物陶瓷一样,碳化硅是一种高硬度和非常耐磨的材料,一旦烧结后,就需要使用金刚石研磨方法进行加工。普通刀具无法加工烧结后的碳化硅材料。这是一个耗时且成本高昂的过程。

未烧结也叫绿色陶瓷,刀具磨损主要由陶瓷颗粒的磨蚀性质引起,而非材料温度或切削速度。

烧结后的碳化硅陶瓷有硬度高,非常耐磨,普通刀具无法加工,需要使用金刚石工具,以研磨的方法进行切削加工

绿色陶瓷(未烧结陶瓷)和烧结陶瓷的区别

  1. 绿色陶瓷:
    • 未烧结状态: 绿色陶瓷指的是未经烧结或部分加工的陶瓷材料。这意味着它们已经成型,但尚未经过最终的烧结(烧结)过程。
    • 特性: 绿色陶瓷通常表现出较低的机械强度和硬度,与完全烧结的对应物相比较脆,并且更容易加工和成型。
    • 加工: 加工绿色陶瓷需要适合其较软和不密集状态的刀具和技术。
  2. 普通陶瓷(完全烧结陶瓷):
    • 烧结状态: 普通陶瓷,也称为完全烧结陶瓷,经历了完全的烧结过程,在高温下陶瓷粉末颗粒被结合在一起。这导致了密实、硬化的结构。
    • 特性: 完全烧结陶瓷具有较高的机械强度、硬度和耐久性,比绿色陶瓷更能抵抗热、磨损和化学腐蚀。
    • 加工: 加工完全烧结陶瓷需要专门的刀具,如涂覆有金刚石的刀具,因其极高的硬度和耐磨性。

关键点:

  • 绿色陶瓷处于较软、未烧结的状态,适合在烧结前进行成型和加工。
  • 普通陶瓷(完全烧结)具有更高的硬度和强度,适合需要高机械和热性能的应用。

选择加工绿色陶瓷或普通陶瓷取决于所需的性能和制造阶段(烧结前或烧结后)。

烧结陶瓷(左)比未烧结陶瓷(右)体积缩小20%

 

绿色陶瓷加工方法及要点:

 

铣削:

切割深度不应超过刀具直径的三分之一。将切割深度增加到刀具直径的一半会导致切割出口处崩缺。

刀具配置:尽可能使用带有R角的铣刀。

粗加工应使用2刃铣刀,排屑更好。精加工和半精加工可使用4刃铣刀,提高表面光洁度和更长的刀具寿命。

防止碎裂:在开始切割前,在零件出口端先铣一小段,可以避免碎裂、崩缺,就像车削圆柱体端部倒角一样。降低进给率也可以减少碎裂、崩缺,但直接影响生产效率。对于平面加工,采用螺旋插补方式比圆弧插补方式铣削效果更好。

进给速率:如果进给速率过低小于0.002mm/转),刀具可能会打磨零件而非切割,会导致快速的刀具磨损。

半烧结陶瓷铣削加工的起步参数

铣刀刃径

英寸 (mm)

主轴转速

RPM

切削速度

SFM (m/min)

加工类型

进给率

FPT英寸 (mm)

1/64

6,000 to

10,000

25 to 40

(8 to 12)

精加工

.0002-.0005 (.005-.013)

1/32

(1.0)

6,000 to

10,000

50 to 80

(15 to 25)

精加工

.0005-.001 (.013-.025)

1/16

(2.0)

6,000 to

10,000

100 to 160

(30 to 50)

一般加工

精加工

.001-.002 (.025-.050)

.0005-.001 (.015-.025)

1/8

(3.0)

6,000 to

10,000

200 to 325

(60 to 100)

一般加工

精加工

.001-.002 (.025-.050)

.0005-.001 (.015-.025)

3/16

(5.0)

4,000 to

10,000

200 to 500

(60 to 150)

一般加工

精加工

.001-.002 (.025-.050)

.0005-.001 (.015-.025)

1/4

(6.0)

3,000 to

10,000

200 to 650

(60 to 200)

一般加工

精加工

.002-.004 (.050-.100)

.001-.002 (.025-.050)

5/16

(8.0)

2,500 to

10,000

200 to 800

(60 to 245)

一般加工

精加工

.002-.004 (.050-.100)

.001-.002 (.025-.050)

3/8

(10.0)

2,000 to

10,000

200 to 1000

(60 to 300)

一般加工

精加工

.003-.005 (.075-.130)

.001-.003 (.025-.075)

1/2

(12.0)

1,500 to

10,000

200 to 1300

(60 to 400)

一般加工

精加工

.003-.005 (.075-.130)

.001-.003 (.025-.075)

钻孔:

最佳方法是通过分步“啄”钻孔,每步深度不超过钻头直径的四分之一。

除尘:在钻孔过程中,应特别注意清除孔内的加工粉尘。正确清除可允许使用更高的主轴转速,同时减少钻头磨损。

加工参数:下表显示了加工绿色陶瓷的起始加工参数。如同所有应用一样,这些条件将根据加工的陶瓷等级、设置和除尘实践而变化。

半烧结陶瓷钻孔加工的起步参数

钻头直径
英寸( 毫米)

啄孔尺寸
 英寸( 毫米)

切削速度 SFM
(米/分钟)

进给率 IPR
(毫米/转)

1/32-3/16 (1.0-5.0)

1/128-3/64 (.25-1.25)

200 to 1,000 (60 to 300)

.001-.003 (.025-.075)

3/16-1/4 (5.0-6.0)

3/64-1/16 (1.25-1.5)

.002-.004 (.050-.100)

1/4-5/16 (6.0-8.0)

1/16-5/64 (1.5-2.0)

.002-.005 (.050-.130)

5/16-3/8 (8.0-10.0)

5/64-3/32 (2.0-2.5)

.002-.006 (.050-.150)

3/8-1/2 (10.0-12.0)

3/32-1/8 (2.5-3.0)

.002-.008 (.050-.200)

轮廓加工

下表提供球头铣刀、平底铣刀和倒锥铣刀的起始加工参数。

半烧结陶瓷轮廓加工的起步参数

切削直径

英寸(毫米)

机器速度

RPM

切削速度

SFM (米/分钟)

加工类型

进给率

FPT (毫米)

5/16 (7.94)

7,500 to

16,000

640 to 1,320

(195 to 400)

一般加工

精加工

.005-.008 (.130-.200)

.001-.004 (.025-.100)

3/8 (9.53)

6,500 to

13,500

一般加工

.005-.008 (.130-.200)

.001-.004 (.025-.100)

1/2 (15.9)

4,900 to

10,000

精加工

.009-.015 (.230-.400)

.002-.008 (.050-.200)

5/8 (15.9)

3,900 to

8,000

一般加工

.009-.015 (.230-.400)

.002-.008 (.050-.200)

3/4 (19.1)

3,200 to

6,700

精加工

.009-.015 (.230-.400)

.002-.008 (.050-.200)

1

(25.4)

2,400 to

5,000

一般加工

.013-.020 (.330-.500)

.004-.012 (.100-.300)

1-1/4 (31.8)

2,000 to

4,000

精加工

.013-.020 (.330-.500)

.004-.012 (.100-.300)

车削和铣削使用可更换刀片

刀具配置:用于车削和铣削石墨的易损刀片,R角1/64英寸-1/32英寸(0.5-1.0mm)效果最佳。优先使用带有精加工侧面的正前角刀片。

表面光洁度:通过选择合适的刀具几何形状和进给率可以改善表面光洁度。较大的R角半径会提高表面光洁度,但会增加切削阻力。较小的R角半径会减轻压力,但需要减少进给以达到相同的表面光洁度。刀具切削深度(DOC)不会影响表面光洁度,除非切削阻力引起振动。

出口崩缺:可以通过在零件出口端先加工倒角来避免这种情况。避免使用直角方头切断刀具。建议使用20度角度或R角刀具。

车削

加工参数:在加工长棒和圆柱体时,可以采用更高速度和更深的切削深度,特别是对于高强度石墨材料。

切削深度:尽可能最大化切削深度,以避免工件变形。当存在变形时,调整进给和切削深度。较低的进给率将允许保持更深的切削深度。对于粗加工,每转0.005英寸的进给率,对于精加工,可能需要在0.001英寸至0.003英寸之间的进给率。更深的切削深度总是会产生更高的切削阻力和更大的切屑,从而产生更粗糙的表面。下表显示了一般车削和精加工车削的起始加工参数。

半烧结陶瓷车削加工的起步参数

加工类型

切削速度

SFM (米/分钟)

进给率

ipr (mm/转)

一般加工

100-500

(30 to 150)

.002-.010

(.050-.250)

精加工

面铣加工

加工参数:在铣削大面积或大体积时,可以采用更高速度和更深的切削深度。当涉及到薄壁时,应使用高强度陶瓷材料。

切削深度:尽可能始终最大化切削深度。降低进给率允许更深的切削深度。粗加工0.004英寸/齿,而精加工则可设置0.0005英寸到0.002英寸/齿的进给率。

多齿可转位铣刀:多齿可转位铣刀铣削刀具,建议使用轴向对准所有刀片,使所有刀片位置误差控制在±0.0002英寸内。这将改善表面光洁度并减少刀片磨损,因为所有刀片将均匀切削。

下表显示了一般用途和精加工铣削绿色陶瓷的起始加工参数。

半烧结陶瓷面铣加工的起步参数

加工类型

切削速度

SFM (米/分钟)

进给率

ipr (mm/转)

一般加工

500-1,000

(150 to 300)

.002-.006

(.050-.150)

精加工

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