CN103551949A - 一种利用边缘碎裂和尖角效应挤压式加工陶瓷外圆的方法 - Google Patents

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Abstract

利用边缘碎裂和尖角效应加工外圆方法。属于硬脆材料的加工技术领域，该方法包括：在磨床上利用高速旋转的金刚石砂轮片在圆柱形工程陶瓷工件外圆表面加工出螺旋槽或环形槽；在车床上将陶瓷用卡盘和顶尖装夹，用装夹在刀架上的车刀，或用高速电机转动的陶瓷或硬质合金圆柱形挤压工具，轴向低速进给完成工程陶瓷外圆表面的挤压加工；重复上述过程经多次走刀，直至该轴段工程陶瓷直径达到尺寸要求；最后采用金刚石砂轮光磨工程陶瓷外圆表面，以达到工程陶瓷表面质量要求。该方法在能够实现陶瓷外圆加工的同时，在工件粗加工阶段去除材料所消耗的功率小，工具的耗损也很小，从而使加工成本降低。

Description

一种利用边缘碎裂和尖角效应挤压式加工陶瓷外圆的方法
技术领域
本发明属于硬脆材料的加工技术领域，具体涉及一种工程陶瓷材料的新型加工方法。
背景技术
工程陶瓷材料因具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等优异的性能，被日益广泛地应用于机械、电子、航空航天、能源、军事等领域由于陶瓷加工成本高限制了陶瓷材料的应用与发展。
普通金刚石砂轮磨削加工是工程陶瓷最常用的加工方法，由于金刚石砂轮耗损过快，致使加工成本很高。为了提高磨削效率，目前国内外学者相继提出并开发了ELID磨削、深切缓进给磨削、高速磨削、恒压力磨削及高速深磨磨削等，在一定程度上实现了工程陶瓷的高效加工，但对磨床和砂轮的要求很高，从而使设备投入很大。另外，小砂轮轴向大切深缓进给磨削以较大的切深、缓进给速度为主要特征，还有以下区别于其它加工方法的特点：使用的砂轮较小，加工成本低，且因为运动过程中砂轮惯性较小，不需要对其进行静平衡或动平衡操作；砂轮的进给运动方向与工件中位裂纹扩展方向基本一致，切削抗力小，去除材料所需要能量小，因而对加工设备的主轴功率要求不高，砂轮磨损小。从而降低了加工成本。
综上所述，陶瓷的传统接触式磨削加工方法，都没有改变刀具硬度必须大于被加工件的传统思路，由于陶瓷的高硬脆性，使其无法避免金刚石砂轮磨损造成的高成本。而一般现有非接触式的特种加工技术有些只能切割或加工孔，有些还不成熟，较难投入生产实际。所以需要一种新的简易加工方法，解决陶瓷高成本的加工现状，从而推动工程陶瓷材料在各领域的运用。
发明内容
本发明的目的主要是针对硬脆性材料加工成本高的难题，提出一种利用边缘碎裂和尖角效应挤压式加工陶瓷外圆的方法，该方法在能够实现陶瓷外圆加工的同时，在工件粗加工阶段去除材料所消耗的功率小，工具的耗损也很小，从而使加工成本降低。
本发明提出的利用边缘碎裂和尖角效应挤压式加工陶瓷外圆的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）首先在(数控)磨床上利用高速旋转的金刚石砂轮片在工程陶瓷外圆表面加工出螺旋槽或者环型槽，加工螺旋槽或者环形槽后在工件外圆表面的凸起部位形成对称的边缘带，槽底部形成尖角带；
2）在（数控）车床上将陶瓷用卡盘和顶尖装夹，用装夹在刀架上的陶瓷或硬质合金车刀，或用高速电机转动的陶瓷或硬质合金圆柱形工具，轴向低速进给完成挤压加工（挤压加工是指加工工具轴向进给时，会给开过槽的陶瓷工件表面凸起部位材料的施加轴向力产生脆性断裂，导致工件材料被去除）；
3）重复步骤1）-2）的过程经多次走刀，直至该轴段加工结束；
4）最后采用金刚石砂轮光磨工程陶瓷外圆表面，以达到工程陶瓷外圆表面质量要求。
所述步骤1）中的金刚石砂轮片的高速旋转速度为3000-5000r/min,螺旋槽螺距为1-4mm,槽深度0.3-2mm.螺旋凸起的表面宽度1-3mm。环形槽宽度1-3mm,槽深度0.5-2mm。
所述步骤2）中车刀采用硬质合金（如WC材料，YG类、YT类、YW类都适用）、或陶瓷（如SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2），陶瓷或硬质合金等材料的圆柱形挤压工具外径30-60mm，转速100-5000r/min,轴向进给速度0.01-0.3m/min,背吃刀量0.3-1mm，并采用磨削液冷却。
本发明具有如下的特点及有益效果：
本发明在工件粗加工阶段先用金刚石砂轮片加工出螺旋槽或环形槽，再用“软”加工工具对凸起部位进行轴向挤压，即制造出陶瓷表面凸起部位的两边材料形成空缺出现对称边缘，其槽底部形成台阶尖角，充分发挥陶瓷的尖角应力集中和边缘破碎效应，以较小的功率消耗和工具损耗，在工具挤压力的作用下将螺旋突起挤掉，从而实现材料去除。
本发明彻底改变了传统陶瓷加工必须采用比被加工件硬度更高的刀具，即以硬克柔用金刚石砂轮磨削加工思想，使用比被加工陶瓷材料硬度相当或甚至软的材料就能加工；此发明巧妙利用陶瓷等硬脆材料加工中常出现的、令人头疼的边缘碎裂和尖角效应，变坏事为好事，可有效降低传统加工中金刚石砂轮磨损造成的加工成本，从而推动工程陶瓷材料在工业领域的应用。
本发明充分利用硬脆材料特有的应力集中效应、边缘破碎效应，以及轴向挤压加工时中位裂纹轴向扩展的现象，以较小的功率消耗和工具损耗，陶瓷工件在工具挤压力的作用下实现材料去除。并实现了用与被加工陶瓷件硬度相当甚至更软的材料来实现加工。
该方法在能够实现陶瓷外圆加工的同时，在去除材料的粗加工阶段所消耗的功率小，工具的耗损也很小，从而使加工成本降低。
附图说明
图1为本发明采用的数控车床加工示意图；
图2为本发明采用的陶瓷工件表面开出的环形槽；
图3为本发明实施例1采用转动陶瓷圆柱形工具挤压加工示意图；
图4为本发明实施例2采用的硬质合金车刀挤压切割示意图；
图5为本发明实施例1采用转动陶瓷挤压加工陶瓷工件实物；
图6为本发明实施例2采用硬质合金车削加工陶瓷工件实物；
图7为采用本发明方法陶瓷工件开槽后凸起部位受到力的挤压作用而发生脆性断裂产生断屑碎片实物。
具体实施方式
下面通过具体的实施例及附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例通过转动的陶瓷圆柱形工具，轴向低速进给完成圆柱形氮化硅陶瓷外圆加工，它包括以下步骤：
第一步：陶瓷工件表面开槽。如图1所示，将陶瓷工件装夹在数控磨床卡盘11上，电机主轴14带动外径为20mm的（小）砂轮片13以3000r/min的转速在工程陶瓷12外圆表面加工出槽。如图2所示，加工后凸起部位形成对称的边缘带21和槽底部的尖角带22。槽的参数为槽宽24为3mm,槽深度25为2mm.凸起部位的表面宽度23为3mm。
第二步：如图3所示，在数控磨床上将第一步加工后的烧结氮化硅陶瓷工件32用卡盘31装夹，用高速电机34转动的圆柱形烧结氮化硅陶瓷挤压工具33，轴向低速进给完成挤压加工。圆柱形挤压陶瓷工具外径40mm，其转速度5000r/min,轴向进给速度0.3m/min,背吃刀量1mm，磨削液冷却。
第三步：（使用游标卡尺测量陶瓷工件的残留加工余量，确定背吃刀量。）重复步骤一、二的过程，直至该轴段加工结束，如图5。
4）最后采用金刚石砂轮光磨表面，达到表面质量要求。
实施例2
本实施例通过装夹在车床刀架上的硬质合金车刀，轴向低速进给完成圆柱形氮化硅陶瓷外圆加工，它包括以下步骤：
第一步：陶瓷工件表面开槽。如图1所示，将陶瓷工件装夹在数控磨床卡盘11上，电机主轴12带动外径为20mm的小砂轮13以5000r/min的转速在工程陶瓷14外圆表面加工出槽（如图2），加工后保留的凸起部位形成对称的边缘带21和槽底部的尖角带22。槽的参数为槽宽24为1mm,槽深度25为0.5mm.凸起部位的表面宽度23为1mm。
第二步：如图4所示，将氮化硅陶瓷42在数控车床上用卡盘41和顶尖45装夹，用刀架上44的硬质合金车刀43轴向低速进给完成挤压车削加工。轴向进给速度0.01m/min,背吃刀量0.3mm。
第三步：（使用游标卡尺测量陶瓷工件的残留加工余量，确定背吃刀量。）重复步骤一、二的过程，直至该轴段加工结束。其加工效果，如图6。
4）最后采用金刚石砂轮光磨表面，达到表面质量要求。
图5为转动的陶瓷圆柱形工具轴向低速进给完成烧结氮化硅陶瓷外圆挤压加工实施例的实物，图6为硬质合金车刀轴向低速进给完成烧结氮化硅陶瓷外圆挤压切割加工实施例的实物，从这图5和图6两图上可以明显看出陶瓷工件保留的突起部位受到力的挤压作用而发生脆性断裂产生碎片（如图7），导致留下的占表面积1/2～2/3的凸起部位材料被去除，巧妙利用陶瓷等硬脆材料加工中常出现的、令人头疼的边缘碎裂和尖角效应，变坏事为好事，实现使用比被加工陶瓷材料硬度相当或甚至软的材料就能加工陶瓷工件；能很好的完成粗加工，可有效降低传统加工中金刚石砂轮磨损造成的加工成本。

Claims (3)

1.一种利用边缘碎裂和尖角效应挤压式加工陶瓷外圆的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）首先在磨床上利用高速旋转的金刚石砂轮片在圆柱形工程陶瓷工件外圆表面加工出螺旋槽或环形槽，加工螺旋槽或者环形槽后在工件外圆表面的凸起部位形成对称的边缘带，槽底部形成尖角带；
2）在车床上将陶瓷用卡盘和顶尖装夹，用装夹在刀架上的车刀，或用高速电机转动的陶瓷或硬质合金圆柱形挤压工具，轴向低速进给完成工程陶瓷外圆表面的挤压加工；
3）重复步骤1）-2）的过程经多次走刀，直至该轴段工程陶瓷直径达到尺寸要求；
4）最后采用金刚石砂轮光磨工程陶瓷外圆表面，以达到工程陶瓷表面质量要求。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中的金刚石砂轮片的高速旋转速度为3000-5000r/min,所述螺旋槽的螺距为1-4mm,槽深度0.5-2mm，凸起螺旋表面宽度1-3mm；槽的槽宽度1-3mm,槽深度0.5-2mm。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2）中车刀采用硬质合金或陶瓷，所述陶瓷或硬质合金圆柱形挤压工具外径为30-60mm，转动速度为100-5000r/min,轴向进给速度为0.01-0.3m/min,背吃刀量为0.3-1mm，并采用磨削液冷却。
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