CN101774139B

CN101774139B - 用于陶瓷外圆加工的环状车削刀具及其轴向加工方法

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Publication number: CN101774139B
Application number: CN2009102439633A
Authority: CN
Inventors: 田欣利; 郭昉; 杨俊飞; 张保国; 刘超; 闵娟
Original assignee: 田欣利; 郭昉
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: CN101774139A

Abstract

本发明涉及用于陶瓷外圆加工的环状车削刀具及其轴向加工方法，属于机械加工中的非传统加工领域。该刀具主要由依次共轴连成一体的刀柄、刀体和刀头组成，所述刀柄、刀体和刀头均为空心圆管，刀体壁上开有平衡槽；所述刀头由刀齿、两刀齿之间形成的通槽和在刀齿内表面加工有的齿槽组成。该方法为利用所述环状刀具高速旋转对圆柱形陶瓷材料进行轴向车削加工外圆；利用该环状刀具的刀头底端面作为主切削面去除材料，利用环状刀具刀头内表面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；刀具转速为4000～20000r/min，工件转速0～5000r/min。本发明能够实现高效率加工工程陶瓷材料外圆，且结构简单，易于操作，成本较低。

Description

用于陶瓷外圆加工的环状车削刀具及其轴向加工方法

技术领域

本发明属于机械加工中非传统加工技术领域，特别涉及用于陶瓷外圆加工的环状轴向车削刀具及其加工方法。

背景技术

目前工程陶瓷外圆的加工方法主要是采用传统的金刚石砂轮磨削，效率低且成本高。很多学者都致力于开发新的高效、低成本、低损伤的陶瓷外圆加工方法。经过几十年的发展，在普通磨削加工技术的基础上，开发了高速(超高速)磨削、ELID磨削、激光加热辅助车削、超声振动车削、磨料水射流车削等特种加工和复合加工技术。

高速(超高速)磨削和ELID磨削仍是基于磨削的方式加工外圆，相比普通磨削加工，加工效率虽有所提高，但是仍然相对较低。

激光加热辅助加工工程陶瓷材料，从能量密度(高达10⁸～10¹⁰W/cm²)的角度考虑是可行的，美国Purdue大学的Shin Yung C.、Powell P.N.等人在1997-2000年采用激光加热切削陶瓷获得成功，成本降低50％。但是早在1983年，美国南加州大学的Copley等学者就发现激光烧蚀加工会在材料的加工区域产生微裂纹，必须进行加工后处理；哈尔滨工业大学王扬、袁哲俊等在2000年也提出，激光加热辅助切削会使陶瓷材料在热冲击作用下产生热震破坏，形成裂纹，同时也存在刀具被加热硬度因此下降的问题。且该方法设备体积庞大，价格昂贵，因此一直未得到应用。

超声振动加工能有效地改变传统加工的切削机制，具有独特的加工工艺效果，如超声振动可大幅度减少切削力和切削热、微分切削轨迹、细化加工表面，并可使加工表面无变质层，可有效地消除硬脆材料加工表面的微裂纹等，这些特点对于提高硬脆材料零件的使用可靠性，具有极为重要的意义。大量实践证明，当在加工工具或工件上附加了超声振动后，材料在加工过程中的变形行为、加工机制和工具受力状态等就会发生完全不同于常规机械加工的变化。如超声振动切削时，其切削力只有普通切削的1/3～1/10，被加工表面的温度因此大幅度降低，从而有效地降低表面粗糙度和显著地提高加工精度，大幅度地提高刀具的使用寿命；装甲兵工程学院吴志远等使用CBN刀具超声振动车削等离子喷涂陶瓷涂层时的有效切削时间长达160min，是普通车削的4倍。但是由于成果转化缓慢、技术成熟程度差和需要超声加工专用设备等原因，加之许多研究工作还处在实验室阶段，因此没有在生产上得到广泛的应用和推广。

高压水射流技术是近30年来发展起来的一门新技术，其应用目趋广泛。它是一种新型的特种加工方法，属于冷加工技术，具有其他加工方法所没有的工件上无热影响区、加工力小、加工范围广和可加工复杂形状等优点，所以它的发展为难加工材料提供了切实可行的手段，特别是在加工陶瓷和玻璃等脆性材料及复合材料、钛合金等材料方面显示出巨大的潜力。M.Hashish提出了把磨料水射流技术用于车削加工，通过车削硬的难加工材料如碳金属复合材料、玻璃、陶瓷，结果表明，用磨料水射流车削可加工出复杂形状的工件，并可获得高的材料去除率，加工表面没有任何微观结构变化。Ansari研究发现磨料水射流车削对于难加工材料来说要优于普通车床，如加工碳化钛比普通车床速度快5～10倍。但其成本高、加工精度低、喷嘴磨损严重，而且磨料水射流加工机理到目前为止也没有形成统一的结论，对于磨料水射流加工表面的完整性如表面硬度变化、表面残余应力及表面微观结构的变化等方面的研究很少，致使其应用受到很大限制。

以上几种工程陶瓷外圆的加工方法，虽然在一定程度上提高了加工效率或加工质量，但改进幅度有限，且加工成本仍然比较高。于是人们把更多的目光投向寻求高效、低成本的新的加工方法。

发明内容

本发明的目的是为克服加工陶瓷等硬脆材料的传统方法存在加工效率低、成本高的缺点，提供一种旋转环状刀具轴向车削陶瓷外圆的加工方法及装置，能够实现高效率加工工程陶瓷材料外圆，且结构简单，易于操作，成本较低。

本发明提出的用于陶瓷外圆加工的环状车削刀具，其特征在于，该刀具主要由依次共轴连成一体的刀柄、刀体和刀头组成，所述刀柄、刀体和刀头均为为空心圆管，刀体壁上开有平衡槽；所述刀头由刀齿、两刀齿之间形成的通槽和在刀齿内表面加工有的齿槽组成。

本发明提出的采用如上述环状刀具对陶瓷外圆的加工方法，其特征在于：该方法为利用所述环状刀具高速旋转对圆柱形陶瓷材料进行轴向车削加工外圆；利用该环状刀具的刀头底端面作为主切削面去除材料，利用环状刀具刀头内表面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨。刀具转速为4000～20000r/min，工件转速0～5000r/min。

本发明的技术特点及效果：

本发明利用高速旋转环状刀具轴向进给车削的方式，刀具端部磨粒(或刀齿)用来去除材料，刀头部分内圆表面磨粒对已加工圆柱面进行修磨。该方法可以在稍做改装的车床上进行，也可以直接在钻床(或立式铣床和立式加工中心)上进行，因此可根据自己的实际情况选用不同的设备，应用维护也比较简单，而且使用的环状刀具可以订做或用在市场上可以购买到的空心钻代替。因此该方法设备投资和运行成本都较低，属于经济型加工方法。

本发明的加工方法主要用来加工工程陶瓷等非金属硬脆材料的外圆，几乎可以加工任何非金属难加工材料。

本发明的加工方法可通过调整加工参数如进给速度、主轴转速、环状刀具刀齿数、环状刀具刀壁厚度、刀具与工件旋转速度等参数来控制加工过程，从而保证加工效率和加工质量。

附图说明

图1为本发明使用的环状刀具半部剖视图；

图2为图1的环状刀具俯视图。

图3为本发明利用环状刀具加工陶瓷外圆的装置结构实施例示意图。

图4为本发明利用环状刀具加工陶瓷外圆的装置结构的另一种实施例示意图。

图5为采用本发明加工出的Si₃N₄陶瓷外圆实例照片。

具体实施方法

本发明提出的用于陶瓷外圆加工的环状车削刀具及其轴向加工方法，结合附图及实例进一步说明如下：

本发明的用于陶瓷外圆加工的环状车削刀具结构如图1、2所示，该刀具主要由依次共轴连成一体的刀柄11、刀体12和刀头14组成，刀柄11、刀体12和刀头14均为为空心圆管，刀体12壁上开有平衡槽13；刀头14由刀齿141、两刀齿之间形成的通槽142和在刀齿内表面开有的齿槽143组成。平衡槽13主要平衡加工时刀体内外部气压，同时冷却液也可以由此进入，从内部冷却润滑刀具和工件；刀齿141起切削作用；通槽142使加工具有断续加工的特点，可以提高冷却和润滑效果，降低工具磨损，也可以临时存储切削；齿槽143是从刀齿内壁上加工出的冷却槽，可以改善内壁对工件修磨的冷却效果，同时也使刀体内部从刀头处与外界形成通路，提高了排屑能力和冷却效果。刀体材料为铸铁；刀头为直接在刀体端部电镀(或钎焊、烧结等)金刚石颗粒(金刚石粒度和浓度可根据加工需要自行选取)，刀头也可以采用金刚石刀片，焊接或通过螺栓固定在刀体上。依据试验结论：刀齿的理想齿数可为2～20个(图中为6个齿)，均匀分布，刀头部分理想壁厚可为2～10mm。刀齿内表面的齿槽宽可为齿宽的0.3～0.5倍，齿槽底面与刀体内表面在同一圆柱面上。

本发明的环状轴向车削刀具用于陶瓷外圆加工的方法，其特征在于，该方法为利用所述环状刀具高速旋转对圆柱形陶瓷材料进行轴向车削加工外圆；利用该环状刀具的刀头底端面作为主切削面去除材料，利用环状刀具刀头内表面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；刀具转速为4000～20000r/min，工件转速0～5000r/min。

当加工的过程中，工件旋转时，其旋转方向与环状刀具旋转方向相反，可以达到更好的切削效果。

本发明刀具的选择可以根据工件的尺寸选择。选择的原则是圆柱工件的已加工部分的直径尺寸等于或小于刀具刀头内径尺寸，刀具外径尺寸比工件原始尺寸大、小或相等均可。

当圆柱工件的已加工部分直径尺寸等于刀具刀头内径尺寸时，设置刀具的中心轴线与工件的中心轴线在同一水平面或垂直面上；当圆柱工件的已加工部分直径尺寸小于刀具刀头内径尺寸时，设置刀具中心轴线的与工件的中心轴线的垂直高度或水平高度有一距离，该距离值为圆柱工件的已加工部分直径尺寸与刀具刀头内径尺寸之差的二分之一。

工件的已加工部分尺寸等于刀具内径时，刀具的内表面全部参与切削对工件进行修磨；工件的已加工部分尺寸小于刀具内径时，刀具的内表面只有局部参与切削对工件进行修磨。刀具外径尺寸大于或等于工件原始尺寸时，刀具外表面磨粒不参与切削；刀具外径小于工件原始尺寸时(只允许小于1～2mm，此时，外部材料在刀具外表面磨粒的切削作用下自动去除；若过大，刀具外表面磨粒的切削作用不足以将外部材料全部去除，需要后续再加工，且切削力增加很多，加工质量也不好。)，刀具外表面参与切削。刀头与刀体的的长度之和应大于等于工件需加工的部分的长度。

本发明方法采用的加工装置实施例如图3所示，主要由床身31、导轨32、中托板33、电机34、三爪卡盘35、数控面板36和主轴箱37组成，工件38装夹在三爪卡盘35上，环形刀具装在电机34输出轴的夹具上。该装置可以通过对普通车床简单改造后得到，改造方法为：将中托板33上的刀架卸下，安装一个高速电机34用以供给刀具高速旋转。安装时，保证高速电机34输出轴中心线与车床三爪卡盘35的中心线等高。同时，为保证加工和进给的精确度，且方便操作，可以选择对车床进行数字化改造，本发明的试验阶段是在数字化改造过的车床上进行的。

本发明采用上述装置的加工方法为：工件静止或以一定速度相对于刀具旋转方向(即高速电机输出轴的旋转方向)的反方向旋转。工件静止时，加工外径为φ20的氮化硅陶瓷圆柱材料，在保证加工平稳和加工面不出现较大崩裂的前提下，刀具主轴转速6000rpm时，进给速度可以达到14mm/min，去除率为2241.96mm³/min，实现了陶瓷外圆的高效加工。为保证圆柱的已加工部分与未加工部分具有较高的同轴度，可以在加工时让工件以一定的速度与刀具反方向旋转。为防止工件入口端部崩裂，可以在刀具将要切入时选择小的进给速度(如1～2mm/min)，切入工件2～3mm后再提高进给速度。为防止工件加工面崩裂，可以在刀具将要结束切削时选择小的进给速度(如1～2mm/min)，距离加工行程结束前2～3mm时即可降低进给速度。一次走刀可以去除0.1～10mm厚的圆环形陶瓷材料，从而可得到任意尺寸的圆柱形陶瓷工件。

本发明方法采用的另一种加工装置实施例如图4所示，主要由床身41、立柱42、主轴箱43、夹具44、电机45、工作台46和滑板47组成，它是在已有的立式铣削加工中心的工作台上放置一高速电机改制而成。工件48装夹在夹具44上，环形刀具49装在主轴箱43的输出端的夹具上。本发明方法也可用于立式铣床(或立式铣削加工中心)和立式钻床(或立式钻削加工中心)。可以根据具体情况选择不同的装置，具有一定的通用性。

图5为本发明试验阶段用φ20的圆环刀具(刀壁厚为3mm)加工出的工件照片。试件51为加工出的台阶轴，未加工部分512直径为20mm，加工后部分511直径为14mm、长度为42mm。试件52为加工出的一根长40mm的光轴。

Claims

1.一种用于陶瓷外圆加工的环状车削刀具，其特征在于，该刀具主要由依次共轴连成一体的刀柄、刀体和刀头组成，所述刀柄、刀体和刀头均为空心圆管，刀体壁上开有平衡槽；所述刀头由刀齿、两刀齿之间形成的通槽和在刀齿内表面加工有的齿槽组成。

2.如权利要求1所述刀具，其特征在于：所述齿槽宽为齿宽的0.3～0.5倍，齿槽底面与刀体内表面在同一圆柱面上。

3.如权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述刀齿的齿数为2～20个，均匀分布，刀头部分壁厚为2～10mm。

4.如权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述刀体的材料为铸铁；刀头为直接在刀体端部上电镀、钎焊或烧结金刚石颗粒，或采用金刚石刀片作为刀头，焊接或通过螺栓固定在刀体上。

5.一种采用如权利要求1所述环状刀具对陶瓷外圆加工的加工方法，其特征在于：该方法为利用所述环状车削刀具高速旋转对圆柱形陶瓷材料进行轴向车削加工外圆；利用该环状车削刀具的刀头底端面作为主切削面去除材料，利用环状车削刀具刀头内表面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；刀具转速为4000～20000r/min，工件转速0～5000r/min。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述加工的过程中，工件旋转时，其旋转方向与环状车削刀具旋转方向相反。

7.如权利要求5所述方法，其特征在于：当圆柱工件的已加工部分直径尺寸等于刀具刀头内径尺寸时，设置刀具的中心轴线与工件的中心轴线在同一水平面或垂直面上；当圆柱工件的已加工部分直径尺寸小于刀具刀头内径尺寸时，设置刀具的中心轴线与工件的中心轴线的垂直高度或水平高度有一距离，该距离值为圆柱工件的已加工部分直径尺寸与刀具刀头内径尺寸之差的二分之一。