摘要：根据陶瓷零件双面研磨加工的要求，选择了一种双面研磨设备。从研磨加工出发，对加工工艺参数、磨抖粒度和研磨方式进行了分析，提出了适合陶瓷芯片双面研磨的加工方法。
关键词：陶瓷芯片 双面研磨 工艺参数 硅片 平面研磨
中图分类号：TG74:TB321 文献标识码：B 文章编号：1000-4998(2(X)7)05-0055-03
工程陶瓷材料由于具有密度小、耐磨损、化学稳定性好、耐腐蚀性优良等特点在工程领域中得到了广泛的应用，在工程设备中已有逐步取代部分金属零件之势，如陶瓷刀具、陶瓷轴承、发动机上的零件等。但陶瓷材料也有一个明显的缺点，就是脆性大不易切削加工。目前在工程陶瓷材料的应用上，大多是一些成型的零件，在陶瓷材料的机械加工中，以平面切削加工较为成熟。由工程陶瓷材料所制成的零件中，大都是通过压制烧结而成的，主要加工面大都为平面，平面的切削加工主要是以单面磨削为主，但有些陶瓷零件需要双面同时磨削加工，以保证零件的质量要求。
1 陶瓷零件的双面研磨加工
1.1 加工对象的选取
陶瓷材料的加工大多以单面的平面加工为主，通过磨削加工来达到零件质量要求，但有些陶瓷零件具有双面研磨加工的特性，如陶瓷阀芯、陶瓷垫片、陶瓷盘等。
可看出，该陶瓷芯片的孔可在成型过程中做出，其主要加工面为上下两平面和外圆面。两接触平面的表面粗糙度值为Ra0.8μm，两平面的平行度公差值为0.05mm。由以上技术要求可知，平面加工的难度在于要保证两平面的平行度要求，同时，两接触表面即工作表面需进行研磨才能保证较低的表面粗糙度值。
目前国内陶瓷零件的加工大都是单面磨削加工，即将上平面磨好后，再将零件翻过来磨削另一面，这样既难以保证陶瓷零件的上下两平面的平行度要求，又影响了磨削效率。
工程陶瓷在磨削加工过程中，加工条件对磨削特性有很大的影响，如：工件速度、砂轮速度和磨削深度。这些主要条件都直接决定了磨削力的大小，也影响着磨削效率。
从陶瓷材料的磨削加工特性来看，氧化物类陶瓷的磨削性能优于其他陶瓷，因此采用Al2O3陶瓷作为机械零件较为广泛，因其磨削性能好、价格便宜、综合性能好、生产工艺易于控制等优点而倍受欢迎。
根据陶瓷芯片的质量要求，我们采用一种双面研磨的办法。
该结构类似行星轮结构，设计该结构时其轮数和行星轮的选择也必须满足设计行星轮时的4个条件，方能装配起来并正常运转。
1.2 陶瓷零件双面研磨的实现
1.2.1 加工原理
此研磨机类似于行星轮系结构。内齿轮铸铁磨盘固定而中心齿轮按一定的速度转动，从而带动4个浮动齿板转动。每个工件浮动齿板可放4个陶瓷芯片，它们既可相对铸铁磨盘中心转动，又可绕浮动齿板中心转动，其运动轨迹是两个转动的合成。陶瓷零件可随浮动齿板一起作圆周运动而被磨削，即上下两平面同时被磨削，这样可使工件磨削得更均匀，能达到较理想的表面粗糙度和平行度的要求。同时工件上的平面安装了一外齿轮铸铁磨盘，铸铁磨盘可用球墨铸铁制造，并随内齿轮一起转动，这样既加大了工件的磨削力又能研磨工件的平面。在磨削过程中，中心齿轮的转速可控制在30r/min以内。这种研磨设备适合于两平行面需要平面研磨加工的陶瓷零件，其特点能保证平行度的要求，平面各处跳动量小于0.005mm，磨削效率高。
1.2.2 加工方法
因铸铁盘具有较高的平面精度，由于陶瓷零件采用Al2O3材料，可用SiC作研磨剂。将研磨剂置于陶瓷芯片和摩擦盘之间，中心齿轮上套一螺母，以便压紧外齿轮铸铁磨盘。由于浮动齿板在绕中心齿轮旋转过程中，又带动齿板中的4个陶瓷芯片绕它的中轴线旋转，可保证4个陶瓷芯片均匀线速度一致，使其均匀磨削。
又因该陶瓷芯片上、下两平面表面粗糙度要求不一样，即工作表面为Ra0.8μm，非工作表面为Ra3.2μm，在磨削过程中，将工作表面朝下，置于铸铁磨盘中。
在陶瓷芯片中，外圆也需磨削加工，它可放在平面磨削之前进行，可采用普通外圆磨床将工件两面顶持住，利用金刚石砂轮进行磨削，由于陶瓷芯片已在成型制造过程中达到了一定的精度，可采用半精磨一精磨工艺。
由于陶瓷材料是由晶粒相和气相等组成，其凸起的晶粒先受滚碾破碎被磨削，磨去凸起的晶粒后新的晶粒又凸起，反复磨削，直至达到所要求的表面粗糙度。又由于是双面同时磨削，可保证工件的平行度要求，因此平面度也可保证。在磨削中，SiC砂粒粒度也变细，从实验中可看到粒度比较均匀，可进一步提高平面精度和表面粗糙度。如此反复，平面精度则会越来越高，不须细磨就可达到技术要求，两平面的平行度可达到0.05 mm此法操作简便可靠，生产效率高，还可根据生产批量将磨盘直径扩大，一次性放置更多的陶瓷芯片，大大提高生产效率。
2 双面研磨工艺分析
2.1 研磨工艺参数对研磨效果的影响
由实验可知，随着研磨时间的增大，研磨量直线上升，工件表面粗糙度值呈下降趋势，并逐渐趋于平坦，但不能完全靠延长研磨时间来提高表面质量。随着转速的增大，研磨量也有所增大，但对粗糙度的影响很小。转速过高会引起工件磨盘发热，会影响工件的尺寸及几何精度，故研磨转速不宜过高。
2.1.1 速度
由于工件上的平面安装了一个外齿轮铸铁磨盘，并随内齿轮一起转动，既加大了工件的磨削力又能研磨工件的平面。在磨削过程中，内齿轮的转速可控制在3or/min以内。这种研磨设备适合于两平行平面需要研磨加工的陶瓷零件，其特点能保证平行度的要求，磨削效率高。
2.1.2 导热
磨削温度高。磨削速度为一般切削加工的10~20倍，且磨粒多为负前角切削，积压和摩擦严重，加工表面层产生剧烈的塑性变形，产生磨削热多。此外，由于研磨剂本身传热性很差，磨削热在短时间内传散不出去，有70%~80％传到工件，使磨削区形成瞬间高温。虽然陶瓷工件的耐火性能较金属好，但是容易使研磨机的其他工作表面烧伤、退火、变形，产生张应力及微型裂纹，降低了其使用寿命，所以选择好润滑剂是使整个加工过程顺利完成的保证。
2.1.3 润滑
改善陶瓷摩擦副摩擦性能的一种方法，就是使材料滑动表面本身具有润滑性能，在陶瓷中加入固体润滑剂是实现自润滑的一条途径。现在对自润滑陶瓷的研究还刚刚起步，关于固体润滑剂与陶瓷基本的化学相容性及其对陶瓷基体的物理性能和微观结构的影响的综合研究还不多见。由于是双面研磨，因此选用固体做研磨剂。
2.2 磨料拉度对研磨效果的影响
磨粒越大，研磨后工件表面粗糙度值越大，磨料滚动嵌入工件并切削的能力越强，研磨量也越大，而过细的颗粒在研磨中不起作用，故在研磨中（尤其在精研磨中）选用的SiC颗粒，其3维尺寸要尽量均匀球形，这样研磨效果较好。用固体磨料研磨还能看出：粗糙度的改善是以降低研磨片的磨削比为代价，而且磨削比降低的幅度要比表面粗糙度改善的幅度大得多。因此，在表面粗糙度能满足的前提下，尽可能采取先粗研后精研，以解决磨料消耗和工件最终表面质量的矛盾。
2.3 研磨方式对研磨效果的影响
实验表明，在其他条件相同的情况下，离散研磨要比固结研磨好，工件的上、下表面平行度也较理想，而且随着时间的延长，这种差别更加明显。这是由于离散研磨中上、下两研磨盘是经相互研磨后才研磨工件的，而且其研磨轨迹是3种运动的合成，比较复杂，不易重合，故随着时间的延长，工件上、下两表面的平行度逐步提高，研磨量明显趋缓。因此应综合考虑研磨质量和研磨效果，笔者认为采用离散研磨方式为好。
结论
陶瓷零件的磨削加工大多为单面磨削，即使双面磨削也是双面分别磨削，但对陶瓷零件的加工质量特别是平行度的要求难以达到，因此采用双面同时磨削既可保证磨削质量又可提高生产效率。从双面磨削的工艺分析过程可看出，只要制定出选择好合理的工艺参数，选择好合适的工艺方法，采用符合要求的研磨设备，陶瓷芯片双面研磨加工是可以实现的。
