0 前 言

氧化锆陶瓷材料是近年来发展迅速的一种新型工程材料，它具有重量轻、硬度高、强度高、膨胀系数低、耐磨、耐高温、耐腐蚀和化学稳定性好等优点，在能源、航天、计算机、机械制造等领域逐渐显示出其广阔的应用前景。在1 170 ℃时单斜晶型氧化锆转化为四方晶型，2 370 ℃时四方晶型氧化锆转化为立方晶型，并且这个过程是可逆的，这种结构和性能的转变是氧化锆作为新型工程材料发展和应用的依据。四方晶型的稳定氧化锆具备良好的力学性能， 是氧化锆陶瓷工程应用的最好形态， 主要用于制造发动机和燃气轮机的零部件、涡轮叶片、轴承零部件、砂磨机配件、航天器喷嘴、人工牙床、人工关节、医用工具、涡轮增压器转子、印刷机配件、阀门、活塞、刀具、密封件以及军事应用等。 但是氧化锆材料的优良特性也给加工带来了很大的不便， 给加工带来一些难度特点：较高的硬度和脆性、断裂韧性差、弹性极限和材料强度接近。 所以，选择合适的加工工具、探究合适的加工方法， 以此得到形态良好的氧化锆加工成型面， 对于氧化锆陶瓷的运用和进一步发展有重要意义。

1 氧化锆陶瓷加工用磨具

由于氧化锆陶瓷在高温烧成时存在12%～20%的烧结收缩和一定程度的烧结变形， 烧结后的氧化锆产品尺寸和表面光洁度很难达到要求的精度，现在一般采用金刚石磨具磨削的方法将烧结后的氧化锆材料加工成尺寸精度和表面光洁度都达标的零件。 氧化锆陶瓷材料的部分性能参数如表1。

金刚石磨具最外层是金刚石层， 下面依次是过渡层和基体。 其中磨具的工作部分就是由金刚石磨料和结合剂共同组成的金刚石层， 结合剂对金刚石磨具的性能和使用寿命起决定性作用。 在氧化锆陶瓷实际加工中用到的金刚石磨具， 根据结合剂分类主要有青铜、陶瓷、树脂和电镀四种。 青铜结合剂以锡粉和铜粉为原料，强度高、耐磨性好、经济性高，但是加工表面较粗糙，刀痕明显，只用于粗磨；陶瓷结合剂制造的磨具磨削效率高， 受温度影响的形变量小，排屑性能好，一般用于氧化锆陶瓷的粗磨和半精磨，加工金属治具时也会使用此种磨具；树脂结合剂磨具具有自锐性好，加工后表面粗糙度低，磨削温度低和易于修整等特点，主要用于半精磨和精磨，以达到较高的零件表面要求； 电镀结合剂磨具是将100#～800# 的金刚砂颗粒单层或多层电镀在基体上，一般用于锥度磨具、异形磨具、成形磨具等特殊磨具，主要用于外圆磨床、数控加工中心来加工包含特殊特征的工件，由于镀层比较薄的原因，电镀磨具使用寿命较短。

此外， 金刚石磨具粒度的选择与待加工表面要求相关，待加工表面粗糙度要求越高，选择使用的磨具的目数也就越高。 一般粗磨时径向切削量大，选择100#～120#； 半精磨选择 120#～200#， 径向切削量0.05～0.18 mm；精磨选择 200#～1 600#，径向切削量不大于0.05 mm。

表1 氧化锆陶瓷的主要性能密度g/cm3线性膨胀系数(10-6 ℃)6.02 210 0.31 6～7 1 250 10.0杨氏模量GPa 泊松比 断裂韧性MPa·m1/2抗弯强度MPa

表2 三种不同结合剂的金刚石磨具对比试验的磨削条件机床 结合剂种类 磨具粒度 磨具转速（r/min） 工作台横向进给（m/min） 径向切削量（mm）JGS-616AS青铜 100 1 450 22 0.05陶瓷 120 1 450 22 0.05树脂 200 1 450 22 0.05

2 磨具对氧化锆零件表面粗糙度的影响

表面粗糙度是评估加工零件表面质量的重要指标之一，也是众多氧化锆零件的技术要求之一。 本次实验采用30×30×15 mm 的氧化锆陶瓷片为磨削样片，实验中切削液、机床加工参数、加工方式等参数保持不变的情况下， 探究不同结合剂的磨具对氧化锆陶瓷磨削表面粗糙度的影响。 表2 为平面磨削时青铜结合剂、陶瓷结合剂、树脂结合剂三种不同结合剂的金刚石磨具对比试验的磨削条件。 表3 为试验结果。

表3 试验结果结合剂种类 磨削比 表面粗糙度(Raμm)青铜 41 1.3陶瓷 86 0.8树脂 190 0.5

由表3 可知，在其它磨削条件均相同的条件下，青铜结合剂金刚石磨具磨削比最高、经济性最好，但被加工表面粗糙度最差。 树脂结合剂有一定弹性且软， 这使得磨削过程中磨具对被加工零件表面有弹性抛光作用且磨具不易堵塞， 这样可以得到最好的加工表面。 陶瓷结合剂制成的磨具在实际加工中的性能表现介于二者之间。

3 氧化锆陶瓷加工过程中与磨具相关的缺陷

氧化锆陶瓷在具备高机械强度的同时， 韧性较差，因此在加工过程中很容易出现崩边、缺口等破坏工件外观和结构的问题。 由于陶瓷零部件对尺寸精度和表面光洁度很多情况下都有较高的要求， 下面就氧化锆陶瓷零件加工过程中可能会产生的与磨具相关的问题及其原因进行一些分析：