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1、陶瓷导轨的技术发展第1页，共16页，编辑于2022年，星期三陶瓷导轨的技术发展 秦 杰 夏 飞 广东工业大学 2011-12-19第2页，共16页，编辑于2022年，星期三 陶瓷导轨概说陶瓷导轨的技术发展陶瓷导轨的关键技术陶瓷导轨技术展望第3页，共16页，编辑于2022年，星期三1、陶瓷导轨概说 1.1陶瓷材料的发展前景 陶瓷材料是人类应用最早的材料之一。它是一种天然或人工合成的粉状化合物，经过成型或高温烧结，由金属元素和非金属的无机化合物构成的多相固体材料。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、原料丰富、成本低廉等诸多优点而被人一直关注。现在 陶瓷材料、金属材料、高分子材料被称为三大主要固体材
2、料。第4页，共16页，编辑于2022年，星期三1.2陶瓷材料为何能成为导轨材料 机床导轨表面的耐磨性和抗擦伤能力是影响其精度和使用寿命的关键因素之一。导轨面的材质及其匹配对导轨运动副的摩擦学特性和机床（尤其在重载低速运行情况下）的动态稳定性影响甚大。陶瓷材料因为其高硬度、高耐磨性、成本低廉而成为很好的导轨材料 第5页，共16页，编辑于2022年，星期三2 陶瓷导轨的技术发展 传统的导轨副的配对形式为铸铁-铸铁组成。因其使用后极易产生不均匀磨损甚至变形等，经过一段时间使用后导轨需要进行维修，以恢复其集合精度和加工精度。而后在70年代左右，出现了塑料导轨。由于价格便宜、应用工艺简单、刚性好以及技术
3、经济效益显著，因此得到了广泛的运用。第6页，共16页，编辑于2022年，星期三 然而，随着导轨耐磨性、精度的要求不断提高，之前的导轨满足不了要求，于是，在近代，在国外首先出现了陶瓷导轨，陶瓷导轨开始用在各种机床、医疗器械等机器上。比如，THK成功开发出轨道、滑轮及滚珠的转动面均为陶瓷的直线导轨“陶瓷制LM导轨”（如图1）。面向纳米级加工机和医疗器械等需要非磁性环境的用途。第7页，共16页，编辑于2022年，星期三 该导轨由于非透磁率低于1.001，所以磁性较低。此外，比重只有该公司不锈钢产品的1/2，因此可高速驱动。第8页，共16页，编辑于2022年，星期三 3 陶瓷导轨的关键技术结构陶瓷导轨
4、基体材料确定及其来源进一步改善A1203基大型结构陶瓷导轨材料的力学性能降低A1203基大型结构陶瓷导轨材料的无压烧结温度提高A1203基大型结构陶瓷导轨材料的摩擦磨损性能添加相的确定第9页，共16页，编辑于2022年，星期三3.1、结构陶瓷导轨基体材料确定及其来源 随着机床的发展，对导轨材料的要求越来越高。常用的陶瓷材料包括碳化硅(sic)、氮化硅(Si3N4)、氧化锆(Zr02)和氧化铝(A1203)等；其中，A1203陶瓷是目前研究较为广泛的陶瓷材料之一，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优点，其原料丰富、价格低廉，是其它陶瓷材料无法比拟的。第10页，共16页，编辑于2022年，星期三
5、3.2、进一步改善A1203基大型结构陶瓷导轨材料的力学性能 纯A1203陶瓷材料的韧性很低，约为3236 MPaM1/2，这在一定程度上限制了A1203陶瓷的应用；陶瓷材料的力学性能，如硬度、韧性等，对其摩擦磨损性能具有重要的影响。因此，进一步提高A1203基大型结构陶瓷导轨材料的力学性能是首要设计目标。优化设计A1203基陶瓷材料的组分和配比可以改善其强度、韧性等力学性能；适当的烧结工艺能够迸一步提高A1203基陶瓷材料的力学性能。第11页，共16页，编辑于2022年，星期三3.3、降低A1203基大型结构陶瓷导轨材料的无压烧结温度 由于A1203的熔点高达2050，因此A1203陶瓷产品
6、的无压烧结温度普遍较高，其制备要求使用高温发热体及高级耐火材料作为窑具，这在一定程度上提高了A1203陶瓷产品的生产成本。由于A1203基大型结构陶瓷导轨材料的空间尺寸比较大，烧结一炉产品往往需要几天甚至一个星期的时间，制备周期长，生产成本高。因此，从推动A1203基陶瓷导轨的产业化角度来讲，要制备出高性能的A1203基大型结构陶瓷导轨，实现其低温致密化烧结是关键。在保证获得良好性能的同时，尽可能使其在较低的烧结温度下达到较高致密度，则可以大幅度降低A1203基大型结构陶瓷导轨材料的生产成本。第12页，共16页，编辑于2022年，星期三3.4、提高A1203基结构陶瓷导轨材料的摩擦磨损性能 机
7、床导轨的失效形式主要是由于导轨工作面的磨损和擦伤而导致其自身丧失平直度和表面粗糙度粗化。因此，机床导轨的摩擦磨损性能对机床刚度、加工精度和使用寿命具有很大的影响。陶瓷材料的摩擦磨损性能不仅与其力学性能有关，还在一定程度上与其微观组织结构密切相关。因此，本文在组分、配比和烧结工艺优化设计的基础上，改善A1203基大型结构陶瓷导轨材料的微观结构，从而进一步改善其摩擦磨损性能。第13页，共16页，编辑于2022年，星期三3.5添加相的确定 对于空间尺寸大、形状较为复杂的A1203基大型结构陶瓷导轨材料，由于昂贵的增韧补强添加相，在改善其力学性能的同时也提高了其生产成本。因此，在保证综合力学性能优良的前提下尽可能地降低陶瓷导轨的生产成本，除了选择合适的成型工艺和烧结工艺以外，添加相的选择应该符合既能够起到增韧补强的作用、价格上又较为低廉的原则。第14页，共16页，编辑于2022年，星期三4 陶瓷导轨技术展望 陶瓷导轨这种新材料和新技术正在被越来越多的人所认识和掌握。它在机床工业及其他机器生产部门中正产生巨大的技术经济效益。可以预料，在未来十年中，陶瓷导轨材料将朝着系列化和专业生产化的方向发展。以后将会有更多的机床及医疗器械等机器采用这项新技术 第15页，共16页，编辑于2022年，星期三 谢 谢 第16页，共16页，编辑于2022年，星期三