Керамиката отдавна е призната за своите изключителни свойства като висока твърдост, устойчивост на износване и химическа стабилност. Тези характеристики ги правят изключително желани в широк спектър от индустрии, от космическата до електрониката. През последните години развитието на подсилената с влакна керамика допълнително разшири обхвата на приложение на керамичните материали. Като доставчик наОбработка на керамични материали, бях свидетел от първа ръка на уникалните предизвикателства и възможности, предоставени от обработката както на подсилена с влакна, така и на неподсилена керамика. В този блог ще разгледам разликите в обработката на тези два вида керамика.
Свойства на материала
Неподсилена керамика
Неармираната керамика обикновено е хомогенен материал с добре дефинирана кристална структура. Те са известни със своята висока твърдост, която може да варира от умерени до изключително високи стойности в зависимост от конкретния вид керамика. Например алуминиевата керамика има твърдост по скалата на Моос около 9, което я прави много устойчива на надраскване и износване. Тяхната висока твърдост също им дава отлична стабилност на размерите, което е от решаващо значение при приложения, където се изискват точни допуски.
Въпреки това, неармираната керамика също е крехка. Тази крехкост означава, че те са склонни към напукване и начупване по време на машинна обработка. Когато режещ инструмент прилага сила върху керамиката, напрежението може да причини образуване на микропукнатини по повърхността. След това тези микропукнатини могат да се разпространят, което води до по-големи пукнатини и потенциално повреда на детайла.
Влакна - подсилена керамика
Усилената с влакна керамика е композитен материал, който се състои от керамична матрица, подсилена с влакна. Влакната могат да бъдат направени от различни материали като въглерод, силициев карбид или алуминиев оксид. Добавянето на влакна значително подобрява здравината на керамиката. Влакната действат като бариера за разпространението на пукнатини, абсорбират енергията от пукнатината и предотвратяват нейното разпространение.
Тази повишена здравина прави подсилената с влакна керамика по-устойчива на повреди по време на машинна обработка в сравнение с неподсилената керамика. Наличието на фибри обаче поставя и нови предизвикателства. Влакната могат да бъдат по-твърди или по-меки от керамичната матрица и тяхната ориентация в матрицата може да варира. Тази нехомогенност прави по-трудно постигането на гладка и последователна повърхност.
Обработващи сили
Обработка на неподсилена керамика
При обработката на неармирана керамика, силите на рязане се определят главно от твърдостта и чупливостта на материала. Тъй като неармираната керамика е твърда, е необходима относително голяма сила на рязане за отстраняване на материала. Въпреки това, поради тяхната крехкост, прекомерните сили на рязане могат да причинят катастрофална повреда на детайла. Поради това е изключително важно внимателно да се контролират параметрите на рязане, като скорост на рязане, скорост на подаване и дълбочина на рязане.
Като цяло, по-ниските скорости на рязане и скорости на подаване се предпочитат при обработка на неармирана керамика. Това помага за намаляване на силите на рязане и минимизиране на риска от напукване. Например, когато се използва диамантен режещ инструмент за обработка на алуминиева керамика, често се използват скорост на рязане от около 20 - 30 m/min и скорост на подаване от 0,01 - 0,05 mm/r.
Обработващи влакна - подсилена керамика
Обработващите сили в усилената с влакна керамика са по-сложни. Наличието на влакна може да причини колебания в силите на рязане, тъй като инструментът се натъква на различни фази (влакна и матрица) по време на процеса на рязане. Когато режещият инструмент удари влакно, силата на рязане може да се увеличи внезапно, особено ако влакното е по-твърдо от матрицата.
За да се справим с тези променливи сили, е необходимо да използваме по-гъвкава стратегия за обработка. Адаптивните системи за управление могат да се използват за регулиране на параметрите на рязане в реално време въз основа на измерените сили на рязане. Това помага да се поддържа стабилен процес на рязане и намалява риска от повреда на детайла.
Износване на инструменти
Износване на инструменти в неподсилена керамика
Високата твърдост на неармираната керамика причинява значително износване на инструмента по време на обработката. Диамантените инструменти обикновено се използват за обработка на керамика поради тяхната превъзходна твърдост. Въпреки това дори диамантените инструменти могат да се износят при обработка на неподсилена керамика. Механизмът на износване е главно абразивно износване, при което твърдият керамичен материал се трие в повърхността на инструмента, премахвайки малки частици от материала на инструмента.
Скоростта на износване на инструмента зависи от няколко фактора, включително параметрите на рязане, вида на керамиката и материала на инструмента. Например обработката на много твърда керамика като силициев карбид ще доведе до по-бързо износване на инструмента в сравнение с обработката на алуминиев оксид. За да се намали износването на инструмента, е важно да се използват остри режещи инструменти и да се оптимизират параметрите на рязане.
Износване на инструменти във влакна - подсилена керамика
При керамиката, подсилена с влакна, износването на инструмента е по-сложно. В допълнение към абразивното износване, влакната могат да причинят и други видове износване, като адхезивно износване и износване от умора. Влакната могат да залепнат за повърхността на инструмента, причинявайки адхезивно износване. А повтарящото се въздействие на влакната върху инструмента може да доведе до износване от умора, при което се образуват микропукнатини по повърхността на инструмента и в крайна сметка да причинят повреда на инструмента.
Ориентацията на влакната също влияе върху износването на инструмента. Ако влакната са ориентирани успоредно на посоката на рязане, инструментът може да претърпи по-малко износване в сравнение с когато влакната са ориентирани перпендикулярно на посоката на рязане. За да се сведе до минимум износването на инструмента в керамиката, подсилена с влакна, е необходимо да се избере подходящата геометрия и покритие на инструмента.
Повърхностно покритие
Повърхностно покритие на неармирана керамика
Постигането на добро покритие на неармирана керамика е предизвикателство поради тяхната крехкост. По време на машинната обработка микропукнатините и отчупванията могат да доведат до грапава повърхност. За да се подобри покритието на повърхността, често се изисква довършителна операция като шлайфане или полиране.
Шлифоването използва абразивни частици за отстраняване на тънък слой материал от повърхността, намалявайки грапавостта. Полирането допълнително усъвършенства повърхността, което води до гладко и огледално покритие. Въпреки това, тези довършителни операции могат да отнемат много време и да бъдат скъпи.
Повърхностно покритие на керамика, подсилена с влакна
Както бе споменато по-рано, нехомогенността на подсилената с влакна керамика затруднява постигането на гладка повърхност. Влакната могат да стърчат от повърхността или да причинят неравномерно отстраняване на материала. За да се получи добро покритие на повърхността, може да е необходима комбинация от процеси на обработка. Например груба механична обработка може да бъде последвана от довършителна операция с помощта на шлифовъчен диск с фино зърно.
Изборът на режещ инструмент и параметрите на рязане също играят решаваща роля за постигане на добро покритие на повърхността. Остър режещ инструмент с малък радиус на носа може да помогне за намаляване на грапавостта на повърхността. Освен това използването на охлаждаща течност може да подобри покритието на повърхността чрез намаляване на топлината, генерирана по време на обработката и отмиване на стружките.
Приложения
Приложения на неармирана керамика
Неармираната керамика се използва широко в приложения, където се изисква висока твърдост и устойчивост на износване. Например, те се използват в режещи инструменти, устойчиви на износване части в машини и електрически изолатори. Тяхното високоМашинна обработка, устойчива на висока температураги прави подходящи за използване в среда с висока температура, като например в пещи и двигатели.
Тяхната крехкост обаче ограничава използването им в приложения, където материалът може да бъде подложен на удар или условия на висок стрес.
Приложения на подсилена с влакна керамика
Подсилената с влакна керамика се използва в приложения, където се изисква както висока якост, така и издръжливост. Те обикновено се използват в аерокосмически компоненти като турбинни лопатки и топлинни щитове. Повишената издръжливост на подсилената с влакна керамика им позволява да издържат на високо напрежение и високи температури в тези приложения.
Те се използват и в автомобилната индустрия за спирачни дискове и компоненти на двигатели. TheОбработка с ниско термично разширениеот подсилена с влакна керамика ги прави подходящи за приложения, където стабилността на размерите е от решаващо значение.
Заключение
В заключение, има значителни разлики в машинната обработка между подсилената с влакна и неподсилената керамика. Неармираната керамика е твърда, но крехка, което изисква внимателен контрол на параметрите на обработка, за да се избегне напукване и начупване. Керамиката, подсилена с влакна, от друга страна, е по-здрава, но по-нехомогенна, представляваща предизвикателства, свързани с колебанията на силите на рязане, износването на инструмента и покритието на повърхността.
Като доставчик наОбработка на керамични материали, имаме експертизата и опита да обработваме и двата вида керамика. Независимо дали имате нужда от прецизна обработка на неподсилена керамика за приложения с висока твърдост или по-сложна обработка на подсилена с влакна керамика за компоненти с висока производителност, ние можем да предоставим решенията, от които се нуждаете. Ако се интересувате от нашите услуги, моля свържете се с нас, за да обсъдим вашите специфични изисквания и да започнем преговори за поръчка.
Референции
- RK Singh, „Обработка на керамика: Преглед“, Международен журнал за металорежещи машини и производство, 2008 г.
- MJ Jackson, „Подсилени с влакна керамични композити: свойства и приложения“, Journal of Composite Materials, 2010 г.
- PK Mallick, "Composites Engineering Handbook", CRC Press, 2007.
