Обработка керамики на станках с ЧПУ: процессы, материалы и области применения.

Керамическая обработка с ЧПУ

Производители керамической посуды Обработка с ЧПУ Керамика пользуется популярностью в аэрокосмической, медицинской, электронной и промышленной отраслях, а также во многих других областях. Она обладает непревзойденной твердостью, термостойкостью, низкой электропроводностью и коррозионной стойкостью. Обработка керамики включает в себя выбор из структурных и современных разновидностей, а затем применение соответствующих производственных стратегий. Механическая обработка осуществляется путем обработки сырой керамики, обработки бисквита или обработки полностью спеченной керамики. 

Помимо этого, оператор станка также учитывает такие элементы, как тип инструмента, параметры резки, оснастка и сложность детали. Однако общий процесс обработки на станках с ЧПУ остается довольно простым, начиная с выбора материала и заканчивая контролем качества. 

В данной статье рассматриваются все эти аспекты обработки керамики.

 

Что такое обработка керамики на станках с ЧПУ?

Обработка керамики на станках с ЧПУ — это использование станков и инструментов с компьютерным управлением для изготовления прецизионных деталей из различных видов керамики. 

Керамические детали, обработанные на станках с ЧПУ.

Керамика отличается от металлов и других материалов тем, что она очень хрупкая и твердая. Следовательно, керамический инструмент и оборудование должны быть специализированными. Как опытные поставщики услуг по обработке на станках с ЧПУ, мы можем подтвердить, что обработка керамических материалов — это уникальная область. Она сочетает в себе возможности высокоточной инженерии с передовыми достижениями материаловедения. 

 

Распространенные типы керамики, используемые в станках с ЧПУ.

Обычно обрабатываемые керамические материалы можно разделить на две категории: конструкционная керамика и усовершенствованная керамика. Первая категория в основном предназначена для обеспечения прочности. Усовершенствованная керамика разрабатывается с учетом конкретных свойств, например, химической стойкости или электропроводности. 

Структурная керамика

К распространенным конструкционным керамическим материалам относятся глиноземная керамика, кордиеритовая керамика, циркониевая керамика, муллитовая керамика, керамика из карбида кремния и стеатитовая керамика. 

Глинозем керамический – Обработка оксидной керамики на основе оксида алюминия позволяет получать твердые, износостойкие и коррозионностойкие оксидные керамические детали. Формула материала – Al₂O₃. 

Промышленная глиноземная керамика

Кордиерит керамический – Этот тип керамики обладает хорошей термостойкостью и низким коэффициентом теплового расширения. Он используется в печах и каталитических нейтрализаторах. 

Циркониевая керамика – Формула этой конструкционной керамики – ZrO₂. Керамику также называют диоксидом циркония. Белый кристаллический материал также называют керамической сталью. Высокая механическая прочность, термостойкость и химическая стойкость — вот некоторые свойства, имеющие значение для ювелирных изделий, стоматологии и термобарьерных покрытий (ТБП).

Муллит Керамика – Муллит – еще один вид керамики на основе оксидов. Он обладает уникальным сочетанием прочности, термостойкости и устойчивости к перепадам температур. Эти свойства делают его идеальным материалом для футеровки печей. 

Карбид кремния Производители керамической посуды – Керамика из карбида кремния широко используется благодаря своей превосходной термостойкости и высокой твердости. Она также химически стабильна и коррозионностойка. Из нее изготавливают качественные детали для автомобилей, ювелирных изделий, огнеупорных изделий и режущих инструментов. 

жировик Производители керамической посуды – Хотя стеатит мягче оксида алюминия и диоксида циркония, он является замечательным диэлектрическим материалом. Его можно обрабатывать и использовать в качестве электрической изоляции. Он состоит из оксида магния (MgO) и диоксида кремния (SiO2), отсюда и его другое название – силикат магния. 

Современная/техническая керамика

К современным керамическим материалам относятся нитрид алюминия, нитрид бора, стеклокерамика, макор, микалекс, кварц и титанатная керамика. 

Нитрид алюминия Производители керамической посуды – Алюминий является одним из наиболее популярных нитридных керамических материалов, наряду с нитридом бора. Он отличается диэлектрическими свойствами, прочностью, электроизоляцией, износостойкостью и теплопроводностью.  

Нитрид бора Производители керамической посуды – Эта керамика доступна как в порошковой, так и в твердой форме. Она обладает микроструктурой, обеспечивающей электроизоляцию, обрабатываемость и теплопроводность. 

Керамические детали из нитрида бора

Стеклянная керамика – Это композитный материал, содержащий кристаллизованное стекло. Керамический тип идеально подходит для применения при высоких температурах, как правило, на кухне. В частности, он используется для изготовления кухонной утвари и подносов. 

Macor Производители керамической посуды – Макор представляет собой очень универсальный и обрабатываемый тип стеклокерамики. Его обрабатываемость может соперничать с некоторыми металлами. Поэтому многие отрасли промышленности могут использовать преимущества керамики и сложность металлических деталей. 

керамика Макор

Mycalex® Производители керамической посуды – Mycalex® состоит из стекла и слюды. Его часто используют в качестве альтернативы высокоэффективным пластмассам. 

Кварц Керамика – Сырьем для этого типа керамики является кварцевое стекло. Его измельчают, формуют и спекают. Детали из кварцевой керамики, изготовленные механическим способом, долговечны, коррозионностойки и устойчивы к термическим ударам. Они также обладают хорошими изоляционными свойствами. 

Титанатная керамика – Еще один передовой тип керамики, обрабатываемой на станках с ЧПУ, – это титанат. Он известен своими превосходными электрическими, механическими и тепловыми свойствами. 

Основные свойства керамики и их влияние на обработку на станках с ЧПУ.

Ключевые свойства керамики, имеющие отношение к механической обработке, включают такие механические характеристики, как трещиностойкость, хрупкость и твердость. Термостойкость является важным термическим свойством материала. Также существуют электрохимические характеристики, такие как инертность и изоляция.

Рассмотрим эти свойства подробнее ниже. 

Механические свойства керамики

Твердость

Керамика обладает высокой твердостью – по шкале Мооса она составляет 8-9. Тверже этого показателя только алмазы. Это свойство делает керамику подходящей для изготовления износостойких деталей. 

Хрупкость

Трещина в керамической тормозной колодке

Керамика — хрупкий материал, то есть она склонна к разрушению без значительной пластической деформации. Однако некоторые современные керамические материалы разработаны для повышения прочности. Они могут оставаться целыми при ударе. 

Вязкость разрушения

Как уже упоминалось, некоторые современные керамические материалы обладают повышенной трещиностойкостью. Методы обработки и состав материала разработаны с учетом этого свойства. Примерами таких материалов являются нитрид кремния и диоксид циркония (ZrO2). 

Тепловые свойства

Термостойкость

Термостойкость керамики может достигать 1000 °C и выше. Такая высокая термостойкость является преимуществом в проектах обработки на станках с ЧПУ, поскольку детали могут выдерживать очень высокие температуры. Благодаря этому свойству керамика хорошо подходит для изготовления деталей, работающих в условиях трения, например, подшипников. 

Теплопроводность

Керамические материалы обладают низкой теплопроводностью. Поэтому при обработке этих материалов на станках с ЧПУ выделяется тепло, которое может привести к хрупкому разрушению. Для охлаждения необходимо использовать принудительную циркуляцию охлаждающих жидкостей. Например, жидкий азот является эффективной охлаждающей жидкостью для таких керамических материалов, как нитрид кремния. 

Охлаждение жидким азотом в станках с ЧПУ

Электрические и химические свойства

Электрическая изоляция

Керамика является превосходным электрическим изолятором. Изготовленные из нее детали широко используются для изоляции электрических компонентов и проводов. 

Химическая инертность

Выдающаяся химическая инертность или стойкость керамики имеет решающее значение в кругах станков с ЧПУ. Этот материал устойчив к процессам стерилизации и другим химическим воздействиям. 

 

Процессы обработки керамики на станках с ЧПУ

Существует три различных состояния обработки керамики на станках с ЧПУ: бисквитное, сырое и полностью спеченное. Оператор станка и клиент обсуждают и выбирают наиболее подходящий вариант, исходя из стабильности размеров, обрабатываемости и требуемых характеристик обрабатываемой детали. 

Зеленая обработка

«Зеленая» обработка — это обработка керамического материала, который только что был сформирован, но еще находится в неспеченном состоянии. 

Экологическая обработка

White State Machining

Белое состояние, или частично спеченное состояние, характеризуется большей плотностью и прочностью материала. Благодаря более высокой размерной стабильности, станочник может выполнять более точные разрезы на этом материале. 

Обработка полностью спеченной керамики

В таком состоянии керамика уже полностью затвердела. Для обработки этого очень хрупкого и твердого материала необходимы соответствующие инструменты и методы обработки на станках с ЧПУ. Алмазное покрытие инструментов доказало свою высокую надежность. 

 

Этапы обработки керамики на станках с ЧПУ

Эффективная обработка керамики на станках с ЧПУ включает в себя выбор правильной марки керамики, программирование станка с ЧПУ, выполнение черновой обработки и чистовой обработки. Все эти этапы выполняются с высочайшим профессионализмом и тщательностью, учитывая уникальность данного материала. 

Шаг 1: Выбор материала

Первый шаг — выбор одного из трех состояний керамики: сырое, белое и полностью спеченное. Это крайне важно, поскольку состояние влияет на процесс обработки и общую стоимость. 

Шаг 2: Программирование CAD/CAM

На этапе программирования конструктор задает скорость вращения шпинделя, скорость подачи и траекторию движения инструмента. Для этой задачи очень полезны программы CAD/CAM. 

Шаг 3: Черновая обработка

Черновая обработка — это удаление 60–70% керамического материала. Оператор обрабатывает материал на глубину приблизительно <0.3 мм, используя соответствующие инструменты, например, с алмазным покрытием. 

Шаг 4: Окончательная обработка и отделка

Следующим этапом обработки глиноземной керамики является удаление оставшегося материала и достижение окончательной чистоты поверхности и необходимых размеров. Обычно это выполняется для тонких стенок и внутренних полостей. Финишная обработка может включать сверхточную обработку и шлифовку поверхности. Она позволяет получить качество поверхности с точностью до ±0.005 мм.

Сложно ли обрабатывать керамику механическим способом?

Да, керамика относится к числу наиболее сложных в обработке материалов из-за своей исключительной твердости. Кроме того, эти материалы катастрофически легко разрушаются и обладают крайне низкой пластичностью. К счастью, современные технологии ЧПУ, такие как... микрообработка с ЧПУ Благодаря усовершенствованной керамической оснастке, теперь доступны керамические детали для различных применений во многих отраслях промышленности. 

Почему керамика представляет собой сложную задачу

Как уже упоминалось, хрупкость и твердость являются основными причинами, по которым керамику сложно обрабатывать. Вкратце, специфические проблемы, связанные с этим материалом, заключаются в следующем:

• Абразивные свойства – Быстрый износ инструмента
• Чрезвычайная хрупкость – Сколы и трещины при некачественной обработке
• Экстремальная твердость – Требуются инструменты с твердосплавным или алмазным покрытием. 
• Низкая теплопроводность – Вызывает образование микроструктур

Как станки с ЧПУ преодолевают эти проблемы

Мы уже упоминали об одном из основных методов — использовании специального керамического инструмента. Другие методы включают контроль состояния материала и применение определенных стратегий обработки. Что касается состояния материала, то здесь речь идет о выборе между сырым, белым и полностью спеченным материалом для достижения баланса между эффективностью детали и ее обрабатываемостью. Что касается методов обработки, то они будут рассмотрены в следующем разделе. 

 

Основные методы обработки керамики

Успешная обработка керамических материалов на станках с ЧПУ основана на специальных технологиях фрезерования, шлифовки поверхностей, лазерной резки и шлифовки стержней. Другие методы обработки включают резку внутренних поверхностей, алмазную шлифовку, резку водой, горячее прессование и изостатическое прессование. 

ФрезерныеМногоосевые траектории движения инструмента позволяют удалять материал для изготовления сложных керамических деталей. Сколы и трещины предотвращаются за счет контроля вибрации и низких скоростей подачи при обработке. 

фрезерование керамики на станке с ЧПУ

ПлоскошлифовальныйШлифовка поверхности обеспечивает керамическим деталям гладкую поверхность и плоскостность. Секрет заключается в использовании алмазных шлифовальных кругов, управляемых специалистами. 

Лазерная резкаЭто бесконтактная высокоточная технология резки. При надлежащем терморегулировании она минимизирует образование трещин и износ инструмента. 

Колонковое бурениеСверла с алмазным покрытием проделывают отверстия в керамическом материале. Существует риск сколов кромки, но медленная обработка и подача охлаждающей жидкости предотвращают это. 

Нарезка идентификаторовНарезка по внутреннему диаметру — это технология получения тонких пластин из керамических слитков. Используется твердое круглое лезвие с алмазной кромкой. 

Шлифовка алмазовЭто технология финишной обработки для получения точных поверхностей. Алмаз снова используется для достижения исключительной твердости керамики. 

Нарезка вафель кубикамиЭто предполагает использование тонких алмазных лезвий для изготовления деталей микроскопических размеров из керамических подложек. 

Нарезка вафель кубиками

Горячее прессованиеЭта технология сочетает в себе одноосное давление и нагрев. Она позволяет получать прочные и плотные керамические компоненты. 

Изостатическое прессованиеПри использовании этого метода основная стратегия заключается в равномерном распределении давления со всех сторон. 

 

Какую точность обработки керамики на станках с ЧПУ можно обеспечить?

Хотя специализированная обработка керамики на станках с ЧПУ позволяет достичь более высоких технических характеристик, обычные достижимые допуски для этого материала составляют от ±0.001″ до ±0.0005″ (±0.025 мм и ±0.013 мм). Точные допуски зависят от термической стабильности, состояния обработки, сложности детали и марки керамики. 

Факторы, влияющие на точность обработки

Ниже перечислены основные факторы, влияющие на точность размеров обработанных керамических деталей;

• Пористость 
• Размер зерна
• микроструктура
• Тепловые эффекты
• Контроль вибрации
• Качество керамической оснастки 
• Качество/жесткость оборудования 

 

Важные аспекты изготовления высококачественных керамических деталей на станках с ЧПУ.

К факторам, определяющим качество обработки керамики на станках с ЧПУ, относятся параметры резки, качество оснастки и технология изготовления керамических инструментов.  Умелое сочетание лучших из этих факторов приводит к минимальной вибрации и, в целом, к получению высококачественных керамических деталей. 

Требования к деталям

Для различных типов керамики крайне важно учитывать геометрические размеры и допуски. Поскольку эти материалы не подвержены пластической деформации, необходимо проектировать их с учетом перпендикулярности и плоскостности. 

Перпендикулярность должна составлять от 0.01 до 0.05 мм, а плоскостность рекомендуется на уровне от 0.005 до 0.02 мм. Также важно придерживаться передовых методов в следующих областях:

• толщина стенки
• Угловой дизайн
• Размер функции
• Ограничения отверстия/паза/резьбы
• Регулировка обработки 

Выбор инструмента

При обработке некоторых керамических материалов с твердостью до HV 2500 выбор инструмента имеет первостепенное значение. Для точной и качественной обработки используются поликристаллический алмаз (PCD), кубический нитрид бора (CBN) и алмазные инструменты. 

Инструменты для резки PCD на станках с ЧПУ

Инструменты из поликристаллического алмаза (PCD) идеально подходят для крупносерийной обработки, алмазные инструменты — для обработки циркониевой и глиноземной керамики, а инструменты из кубического нитрида бора (CBN) — для обработки при высоких температурах. 

Параметры резки

Учитывая склонность керамики к растрескиванию, рекомендуется легкая резка. Идеальные параметры резки находятся в следующих диапазонах. 

Параметр резки	Диапазон
скорость резания	300–800 м/мин
Глубина резания	0.05 – 0.3 мм
Скорость подачи	0.01–0.05 мм/зуб
точность позиционирования	±2–3 мкм
Скорость вращения шпинделя для высокой точности	12,000–24,000 об / мин

Крепление и контроль вибрации

Обработка керамики может значительно подвергаться воздействию вибраций из-за чрезвычайной твердости и хрупкости материала. Технология крепления должна быть очень эффективной, чтобы не образовывались концентрации напряжений. 

К числу связанных стратегий относятся:

• Использование мягких подушечек
• Избегание консольных элементов
• Использование вакуумных приспособлений

Вакуумный прибор

 

Преимущества и ограничения обработки керамики на станках с ЧПУ.

Обработка керамических материалов имеет следующие преимущества и ограничения. 

Преимущества

• Химическая стабильность
• Чрезвычайная твердость
• Непревзойденная термостойкость

Ограничения

• Более длительное время цикла
• Высокая стоимость оснастки

Применение керамических деталей, изготовленных на станках с ЧПУ.

Керамические детали, изготовленные на станках с ЧПУ, находят применение в таких важных отраслях, как аэрокосмическая, оборонная, медицинская, электронная и полупроводниковая, автомобильная и производство промышленных компонентов.

Аэрокосмическая и оборонная

Керамические детали, изготовленные на станках с ЧПУ, находят применение в суровых условиях аэрокосмической и оборонной промышленности. Они выдерживают температуру более 2,000 °C, обладают коррозионной стойкостью, малым весом и прочностью. В качестве конструкционных и теплоизоляционных материалов они применяются в камерах сгорания, турбинах и соплах. 

Керамические детали для аэрокосмической и оборонной промышленности

Медицина и стоматология

В медицине и стоматологии широко используются керамические детали, изготовленные на станках с ЧПУ. Эти детали инертны, прочны, поддаются индивидуальной настройке и устойчивы к химическим веществам и износу. 

Основные области применения включают в себя:

• Корневые имплантаты 
• Замена тазобедренного сустава 
• фигурные скобки 
• Суставы 
• Инструменты 

Электроника

Производителям электроники требуются материалы, обладающие коррозионной стойкостью, термостойкостью и электрической изоляцией. Из керамических материалов они производят такие важные компоненты, как резисторы, терморезисторы, конденсаторы, полупроводники и датчики. 

Автомобильная 

Автомобильные инженеры широко используют керамические компоненты для повышения производительности, безопасности и эффективности. К числу наиболее заметных применений обработки керамики в автомобильной промышленности относятся:

• Подшипники насоса
• Подшипники двигателя
• Клатчи
• Системы отопления электромобилей
• Тормозные колодки

Керамические тормозные колодки

Промышленные компоненты

Тем не менее, благодаря своей термической стабильности, твердости, химической стойкости и износостойкости керамические материалы широко используются в промышленности. Из них изготавливают высокоэффективные шайбы, подшипники, трубки, клапаны и уплотнения, а также многие другие компоненты. 

Керамические детали клапана

В заключение

Керамические материалы играют важную роль в современных деталях, изготавливаемых на станках с ЧПУ. Твердость, инертность, низкая электропроводность и коррозионная стойкость — вот некоторые из причин, по которым многие отрасли промышленности используют эти детали. Незначительные недостатки обработки керамических материалов, такие как образование стружки и катастрофическое растрескивание, не должны отпугивать пользователей. Преимущества могут перевесить эти проблемы. 

Если вам необходимы передовые возможности обработки на станках с ЧПУ для циркониевой керамики, керамики из карбида кремния, кордиеритовой керамики и других обрабатываемых типов керамики, обратитесь в компанию Boda. прецизионная обработка с ЧПУ прямо сейчас