在陶瓷上打孔的关键-效率、精度、成本

陶瓷材料既硬又脆,加工起来很有难度。这篇文章介绍了陶瓷钻孔的几种方法,包括机械加工,超声波加工和激光加工。

1.机械打孔加工方法

这是目前使用最广泛的方法。该方法采用金刚石空心钻,利用空心钻的旋转进行地下断切入到陶瓷材料中,直到穿透为止。这种方法特别适合加工数毫米以上直径的圆孔洞。

 

如铃木弘茂(1980)所述,金刚石空心钻在对Si3N4陶瓷进行打孔加工时,材料的去除率可达1600mm³/min。这种方法的优点是操作方便、设备简单。然而,由于陶瓷硬度高,钻孔过程中金刚石钻头磨损严重。此外,陶瓷的脆性大,孔的人口和出口处容易产生崩刃现象,从而影响孔的加工质量。

 

2.超声波打孔加工方法

对于抗拉强度低的陶瓷材料,采用超声加工是适宜而有效的方法之一。超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动,使工具与工件之间的液体磨粒以很大的速度和加速度不断撞击和磨削被加工表面。因此,加工效率与超声波输出功率、磨粒种类、加工速度等有关。

 

该法的优点是由于加工工具无需旋转,所以能加工特殊轮廓的孔洞。但也存在如下缺点:加工工具的更替比较麻烦,由于加工而产生的工具质量变化或力的传导等因素会使加工质量受到微妙影响。

 

日本在陶瓷的微孔加工中大多采用20kHz的超声波。20kHz超声波加工是一边不断地供给碳化硼等磨粒和水的泥浆,一边进行加工。但由于是进行微孔加工,磨粒的粒度很小,导致加工速度慢。随后,日本在40kHz的超声波加工机主轴上装备电极沉积金刚石钻头,通过使主轴振动和旋转的超声波磨削来完成微孔加工,可以避免20kHz超声波加工的缺陷。主轴的旋转速度v=30000r/min,进给量a=0.55mm/r。

 

1996年,天津大学研制开发了一台陶瓷小孔超声波磨削加工机床,采用无冷压电陶瓷换能器,对各种先进陶瓷小孔加工进行了系统研究。与普通超声加工相比,效率可提高5~10倍。另外一种超声波加工方法是将金刚石空心钻加工与超声波结合起来,即在金刚石钻头上施加超声振动进行深孔加工,可大大提高孔内表面质量与孔的圆度。

 

3.激光打孔加工方法

激光用于陶瓷这样的超硬材料的小孔加工也是行之有效的。激光打孔一般采用脉冲激光器,激光束通过光学系统聚焦在陶瓷工件上,利用高能量密度(106~109W/cm2)的激光脉冲使被加工表面部位熔融、气化和蒸发,从而去除材料实现小孔加工。

 

激光打孔与材料不接触、操作简单、速度快、效率高,并且用计算机控制易于实现机械化、精化。通过优化激光加工工艺参数,可以加工出高质量的微孔。目前,用CO2激光器可在Al2O3陶瓷上打出精确的孔,加工成本大大降低。采用英国Frumpt公司生产的TLF750 CO2激光器打出的孔径为(0.762±0.013)mm,位置公差<0.0635mm。

 

日本安永畅男等采用Nd-YAG固体激光器对红宝石、Al2O3陶瓷进行打孔加工,加工孔径为0.05-0.2mm,厚度为0.33mm,脉冲2050次,加工效率非常高,加工时间仅为25s。

 

采用脉冲Nd-YAG激光加工机,张银江等人(2001)对厚度为0.65mm的Al2O3陶瓷基板打孔,分别在2mm、5mm厚的Al2O3基板上加工出直径<0.1mm的孔;孔锥度小于1:20,孔深径比>25:1;在0.6mm的基板上加工出1015μm的微孔。

 

对于氮化硅陶瓷激光打孔的研究表明,在厚度为6.6mm的Si3N4陶瓷工件上可以打出无损伤的、直径为0.5mm的孔,而且孔的圆形度较好,孔深径比约为12,最大深径比达18.5。

 

此外,天津激光研究所与天津大学合作,在YAG脉冲激光的数控加工机床上,对几种陶瓷材料进行了小孔加工的系统实验。实验发现,导热性能良好的Si3N4陶瓷小孔激光加工质量好;而导热系数小的ZrO2陶瓷需要采取相应的措施,防止由于热应力集中导致工件的断裂。

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