陶瓷材料微波辅助塑性切削技术综述

    国内也有从事陶瓷材料加热切削研究的报道，例如：哈尔滨工业大学王扬教授对si3n4、zro2陶瓷的激光加热辅助车削做了非常有意义的工作，他运用材料学中的位错理论阐释了激光加热辅助车削的作用机理，利用有限元分析方法建立了陶瓷材料加热后表面温度场的物理、数学模型。华中科技大学在陶瓷和复合材料的激光加热辅助切削方面作了初步工作。上海交通大学的阮雪榆教授、华南理工大学的叶邦彦教授、南京航空航天大学、广西工学院、沈阳航空学院等对工件的激光或等离子弧加热辅助切削进行了相关研究。

    对以上国内外陶瓷加热切削实验进行分析后可知，由于等离子弧、激光、氧乙炔焰加热时热量的传递是由表及里，热量要通过陶瓷导热才能到达陶瓷材料内部，但大部分陶瓷的导热系数很低，从而在材料的被加工区会形成很大的温度梯度，易产生大的热应力，导致亚表层损伤，材料强度降低。在加工过程中产生的切屑也会妨碍陶瓷表面吸收热量。此外，等离子弧、激光、氧乙炔焰加热设备昂贵、技术复杂，这也是近年来陶瓷等离子弧、激光、氧乙炔焰加热塑性切削技术仅局限于实验室研究而难以在生产实践中推广应用的原因。因此，寻求低成本的均匀加热技术就成为陶瓷加热塑性切削技术实用化的关键。

    微波是一种频率范围300mhz～3000ghz的电磁波。作为一种新型能源，微波电磁能量能穿透介质材料，传送到有耗物质的内部，并与物体的原子、分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热。由于微波加热具有内外同热、热应力小、效率高、加热速度快、成本低、具有选择性等特点，因此被日益广泛地应用于农作物干燥与烘烤、陶瓷烧结与焊接、化学合成与消解、刻蚀镀膜、手术杀菌、材料改性等方面。例如：微波手术刀、微波手术钳是将微波能量应用于外科手术的一种新型医疗器械，即将微波功率源通过传输线与手术刀具相连，使微波能量经传输线沿刀具进入人体手术部位，切开人体组织和止血微波手术刀具是将微波同轴天线的内导体适当延长，根据手术需要制成一定形状的刀具，微波手术刀、手术钳具有止血效果好、刀口不碳化、灭菌、防止手术感染等特点，且刀具体积小，操作灵活，特别适合肿瘤切除、器官修补、各部位止血等外科手术。

    特别需要强调的是，以色列的e.jerby等在著名的《science》杂志（18october2002，vol.298）上发表文章，提出采用微波钻（microwavedrill）对陶瓷、玻璃等非导电材料进行钻孔加工，其原理是利用微波天线定向加热陶瓷，使陶瓷材料被加工区局部熔融，然后将微波天线插入熔融区成型形成孔洞。受该思想的启发，本研究项目将微波钻方法扩展到车、铣、刨等其它机加工方式，用车刀、铣刀或刨刀代替微波天线，在陶瓷材料加工过程中，刀具与工件接触准备切削的同时微波电磁能量通过刀具天线定向到被加工区实施加热，并将温度控制在陶瓷熔点之下，只要陶瓷被加工区局部能发生从脆性断裂到塑性变形的转变而不是熔融，就能用传统的剪切切削原理进行切削。该方法将加热与切削装置合为一体。此外，即使在加工中产生了微裂纹或应力，也会因微波对陶瓷材料的退火作用而消除，即微波切削与微波退火能同时发生作用。

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