CN104128851B - 工程陶瓷螺纹加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工程陶瓷螺纹加工方法，根据精密模具机械部件的使用需要，选择合适工程陶瓷材料：氧化锆高韧性、高硬度；氧化铝高硬度、耐高温；氮化硅耐高温、线膨胀系数小、低比重。对工程陶瓷的粗坯进行平面粗加工；用电木做工装D固定工件C，使用金刚石粗磨头B，在高速CNC上固定后，加上冷却液E，粗磨内腔及螺纹的内孔工件C后，再使用精加工磨头精加工内腔和内孔，换上磨螺纹专用磨头B，根据孔及磨头尺寸、螺纹的尺寸，设计控制合适转速和合理的进刀，采用纵磨加工法，和自动换磨头，进行依顺序磨螺纹1，2，3，4。从而实现精度高，有形位公差要求的，多螺纹，批量螺纹的制作。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工工艺，具体涉及一种工程陶瓷螺纹加工方法。
背景技术
工程陶瓷如氧化锆、氮化硅、氧化铝等，具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、不导磁不导电等优点，作为精密机械模具中核心部件有许多优点，但工程陶瓷又是超高硬度、脆性高的材料，其硬度为HRA88-93,抗弯强度300-1200MPa。加工到较高精度来符合机械模具的核心部件非常困难，特别是需要螺纹和精密孔型与螺纹加工，一直未能找到很好办法，现有的加工螺纹方法主要有坯料预制法和镶嵌法、仿形法但这三种方法都有明显弱点：
1.精度差：由于工程陶瓷经高温烧制。从1400-1750°C，其收缩率从10-25%，烧制出来产品变形较大，所以坯料预制法出来单螺孔公差+/-0.1，多孔的形位公差甚至0.5也不能保证，且只能做M5以上的孔牙。镶嵌法、仿形法单螺纹精度还成，而协及多螺纹，其精度也无法保证。
2.影响坯体的强度，采用镶嵌法的螺孔，其必须钻更大的孔，这往往影响工程陶瓷产品的强度，在精密模具机械部件中有许多位置限制。这大大限制了工程陶瓷的使用。
3.镶嵌法的螺孔，由于镶入的为钢或其它有色金属，且大多数硬度低、导电、导磁、不耐高温、不耐酸碱，这样令使用工程陶瓷的功能大幅降低。
4.成本较高，时间较长。无论是坯料预制法和镶嵌法、仿形法，都是人手操作，需要熟练工人，比如镶嵌法M6的牙，从画线，钻孔、金属攻牙、线割螺牙、粘胶、镶入螺牙、磨平，前后工序至少60分钟机间长、成功率不足80%。
5、仿形法，只能做外螺纹、内螺纹，特别是细小螺纹无法完成，而协及多个有形位公差要求+/-0.02的外内螺纹无法加工。
6、只能单件生产，无法批量和大规模的生产。坯料预制法和镶嵌法、仿形法只能是人工操作，无法满足现代产业的要求。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的上述缺陷，提供一种直接在工程陶瓷上加工工程陶瓷螺纹方法。
（1）根据模具机械部件的需要，选择工程陶瓷粗坯种类，氧化锆高韧性、高硬度、氧化铝高硬度、耐高温、氮化硅耐高温、线膨胀系数小、低密度的产品；
（2）对工程陶瓷的粗坯进行粗加工；粗坯留有0.5-2.5mm的加工余量；粗加工后留0.05-0.15精加工量；
（3）通过螺纹大径、小径、牙距、牙型半角、螺纹旋合长度相关的参数，设计螺纹磨头头型，而磨头长度相关到高度磨削的稳定性与精度，在许可的情况下，尽量减短磨头的长度，通常控制在50以内；磨孔磨头设计半圆形，主要因为陶瓷的脆性，在入刀时往往较易碰崩入口位。在金刚砂的粒度上，与磨削精度相关较大，在+/-0.02的情况下，粗细常采用120-180#；
（4）将经过粗加工的陶瓷工件放在CNC设备上装夹好，由于工程陶瓷属脆硬材料，装夹时可采用电木板铣下产品的型腔，按使用的要求一个或多个，把工程陶瓷粗加工的工件放进型腔内再用塑料压板压上四个角，防止工程陶瓷崩裂；工程陶瓷的杨氏模量约200-400GPa，介于钢100-200GPa与硬质合金（或钨钢）450GPa以上之间，装夹的力的大小应介于钢与硬质合金（或钨钢）之间，这在高精度螺纹加工中，更显重要。
（5）选用高速数控铣床进行磨孔。磨孔时，根据磨头的大小，磨砂的粗细来控制合适的转速，各个方向的进给量和移动速度 。我们的机型精雕机，磨头的直径DIA2.0-30MM，转速32000-8000R/MIN，
进给深度Z方向0.05-0.2/TIME，平面X，Y方向0.1-0.2/TIME，移动速度0.1-0.2/S，加上冷却液，约3-6MIN即可成粗加工孔，换上精加工磨头，进给X、Y方向0.01，1-3MIN即可完成，
（6）采用同一高速数控铣床，换上螺纹用磨头，加上冷却液、采用纵加工法进行磨螺纹加工；同样根据磨头的直径和磨砂的粗细程度来控制合理转速、进给量、移动速度。转速为20000-30000R/MIN，
平面X，Y方向0.1-0.5/TIME，移动速度0.1-0.3/S，加上冷却液，约3-10MIN即可成磨螺纹；
(7)完成螺纹1后，依次按程序进入螺纹2，3，4，和下一件工件的螺纹的磨削.因磨头磨损和质量不同，在磨头的自动切换时，可在单件测试时计算出合适的时间，而在控制好一定计算好换磨头的时间。
本发明工程陶瓷螺纹加工方法具有以下优点：
1.精度高，一致性好。单个螺纹质量好，基本没有烂牙现象。多个以上的螺纹基本保持一致性，特别协及有
形位公差要求较高（+/-0.02）的多个螺纹保证良好的一致性
2.适用各种外螺纹、内螺纹、异形螺纹，和各种规格的螺纹加工。
3.成本低，效率高，适合批量生产。
4.使用方便，与其其它孔型一起加工。
本发明能解决工程陶瓷精密结构件多孔和多螺纹的问题，所加工出来的螺纹，完全符合机械螺纹的要求，多个螺纹的中心距可控制在+/-0.02，也可借鉴本加工方法，解决工程陶瓷精密加工问题。孔与孔形位公差精度+/-0.01，孔的精度可达0.005，光洁度Ra0.2，从而使工程陶瓷可以变为与普通金属一样加工的材料， 从而大大提高工程陶瓷的工业中使用，特别是精密模具、精密机械部件、医疗器械、精密电子部件、精密仪器部件、耐高温部件、航天航空部件、化工石油部件的广泛应用。
附图说明
图1是一个需要加工四个螺纹孔10的工程陶瓷滑板工件立体图；
图2是加工图1螺孔的加工过程示意图。
图中：D是装夹用工具、A是机床主轴、B是粗加工磨头和细加工磨头、E是冷却管、C是加工工件。
具体实施方式
结合附图1、2，详细说明陶瓷滑板螺纹加工方法为例，
采用如下步骤：
（1）根据机械模具部件的需要，选择合适工程陶瓷粗坯种类。工程陶瓷都具有高硬度、 耐磨损、耐腐蚀特性，在选择材料的种类时，先考虑使用的条件，条件的重要性来大体地选择，然后重点放在差异性来定具体材料，如氧化锆高韧性、高硬度、氧化铝高硬度、耐高温、 氮化硅耐高温、线膨胀系数小、低密度的产品。本实例选用的是ZrO2+Y2O3，工程陶瓷性能如附表一所示；主要考虑本应用除了考虑工程陶瓷共性，高硬度、耐磨损外，还着重要求其韧性和颜色。
（2）对工程陶瓷的粗坯进行粗加工各大平面；粗坯留有0.5-2.5mm的加工余量；粗加工后留0.05-0.15精加工量；如果加工高精度产品，粗加工后请在自然环境下应力释放一段时间，因为陶瓷制作为高温烧制，烧制出来的产品内部存在较多应力。
（3）通过螺纹大径、小径、牙距、牙型半角、螺纹旋合长度相关的参数，设计螺纹磨头头型，而磨头长度相关到高度磨削的稳定性与精度，在许可的情况下，尽量减短磨头的长度，通常控制在50以内；磨孔磨头设计半圆形，主要因为陶瓷的脆性，在入刀时往往较易碰崩入口位。在金刚石磨头至于螺纹与孔的关系可参考以下表五，而金刚石粒度采用180#，精磨头采用粒度400#；
（4）将经过粗加工的陶瓷工件放在CNC设备上装夹好，由于工程陶瓷属脆硬材料，装夹时可采用电板来固定，如图2中所示的D工具；防止工程陶瓷崩裂；另外尽管工程陶瓷的较硬材料，其杨氏模量在 200-400GPa之量，而一般的钢材（steel)在100-200GPa，钨钢（tungsten carbide)400GPa以上，所以 在加工时，装夹的方式和力量的大小会严重影响其精度，特别在高精密加工的时候。建议在装夹位置尽量别让外力传输至加工位置，而力量的大小与装夹钢材与钨钢之间。
（5）选用高速数控铣床进行磨孔。磨孔时，根据磨头的大小，磨砂的粗细来控制合适的转速，各个方向的进给量和移动速度 ；机型是精雕机，磨内腔粗磨采用直径DIA6X40,180#,精磨采用直径DIA6X40,400#，磨M3处孔磨头采用直径DIA1.5X35,转速32000R/MIN，进给深度Z方向0.05/TIME，平面X，Y方向0.2/TIME，移动速度0.15/S，加上冷却液，约3MIN即可成粗加工孔DIA2.28，而磨削内型腔粗精加工，约10MIN完成，；
（6）采用同一高速数控铣床，换上螺纹用磨头，加上冷却液、采用纵加工法进行磨螺纹加工；同样根据磨头的直径和磨砂的粗细程度来控制合理转速、进给量、移动速度。28000R/MIN，平面X，Y方向0.2/TIME，移动速度0.15/S，加上冷却液，约3MIN左右即可完成M3内螺纹1。
(7)、完成四个螺纹孔10中的一个后，再依次按程序进入螺纹孔2，3，4的加工，下一件工件的螺纹的磨削.因磨头磨损和质量不同，在磨头的自动切换时，可在单件测试时计算出合适的时间，而在控制好一定计算好换磨头的时间。
（8）转入平面精加工工序进行精加工后检验入库。
附表一：工程陶瓷性能表
Claims (1)
1.一种工程陶瓷螺纹加工方法，通过金钢石磨头磨孔和专用金钢石磨螺纹磨头，在数控铣床上控制恰当的装夹、合适的转速，合理的进刀，控制好粗精加工工序，来达到磨螺纹目的；其特征在于：包括如下步骤：
(1)根据机械模具部件的需要，选择如下材料之一作为工程陶瓷粗坯材料：氧化锆高韧性、高硬度、氧化铝高硬度、耐高温、氮化硅耐高温、线膨胀系数小、低比重的产品；
(2)对工程陶瓷的粗坯进行粗加工；粗坯留有0.5-2.5mm的加工余量；粗加工后留0.05-0.15mm精加工量；
(3)制作磨孔所需规格的金钢石粗磨头和金刚石精加工磨头，粗磨头和精加工磨头均采用电镀法加工，粗磨头金刚砂粒度选用120-180#，精加工磨头金刚砂粒度选用320-800#；通过螺纹大径、小径、牙距、牙型半角、螺纹旋合长度相关的参数，设计螺纹磨头，螺纹磨头使用金刚石电镀磨头，金刚砂的粒度采用120-180#；
(4)将经过粗加工的陶瓷工件放在数控铣床上装夹好，由于工程陶瓷属脆硬材料，装夹时采用电木板，防止工程陶瓷崩裂；
(5)选用高速数控铣床，磨孔时：转速18000-30000R/MIN，进给深度Y方向0.2/TIME，平面X，Z方向0.05/TIME，移动速度0.1/S，加上冷却液，3-6MIN即成粗加工孔，换上精加工磨头，进给X、Z方向0.01/TIME，1-3MIN即完成；
(6)采用同一高速数控铣床，换上螺纹磨头，转速为20000-30000R/MIN，平面X，Y方向0.2/TIME，移动速度0.15/S，加上冷却液，采用纵加工法，进行磨螺纹加工，3MIN即完成螺纹加工；根据磨头的磨损情况，重复走刀1-2次，确保螺纹完成；完成螺纹1后，依次按程序进入螺纹2，3，4；因磨头磨损和质量不同，在磨头的自动切换时，在单件测试时计算出合适的时间，控制好一定的换磨头时间；
(7)转入精加工工序进行精加工后检验入库。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Engineering ceramic thread machining method Effective date of registration: 20190423 Granted publication date: 20180914 Pledgee: China Construction Bank Co.,Ltd. Dongguan Changping Branch Pledgor: DONGGUAN XY PRECISION TUNGSTEN CARBIDE Co.,Ltd. Registration number: 2019440000162 |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 523000 No. 28, Xiangkou Road, Changping Town, Dongguan City, Guangdong Province Patentee after: Dongguan Xiayang New Material Co.,Ltd. Address before: 523000 beside Liuheng Road, baihuali village, Changping Town, Dongguan City, Guangdong Province Patentee before: DONGGUAN XY PRECISION TUNGSTEN CARBIDE Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20180914 Pledgee: China Construction Bank Co.,Ltd. Dongguan Changping Branch Pledgor: DONGGUAN XY PRECISION TUNGSTEN CARBIDE Co.,Ltd. Registration number: 2019440000162 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Methods for Machining Engineering Ceramic Threads Granted publication date: 20180914 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Dongguan branch Pledgor: Dongguan Xiayang New Material Co.,Ltd. Registration number: Y2024980034415 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |