CN109702660A - 一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具及其制造方法，涉及工具制造技术领域，缓减了现有微小孔精密加工工艺效率低、一致性差的缺点。本发明包括：导向部分(1)和刀杆(5)分别位于所述工具的两端，从导向部分(1)向刀杆(5)依次为切削部分(2)、光整部分(3)和退刀部分(4)；所述工具的直径小于1mm，且长径比大于100；光整部分(3)、退刀部分(4)和刀杆(5)均镀附有超硬材料制成的磨料。本发明适用于航空发动机燃油副喷口的高效、高一致性精密制造。

Description

一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及工具制造技术领域，尤其涉及一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具及其制造方法。

背景技术

航空发动机燃油喷口是航空发动机燃油喷射系统的重要结构，其尺寸精度、形状精度、粗糙度对航空发动机燃油雾化性能具有决定性影响，进而影响到航空发动机的燃油效率以及工作可靠性，并且燃油副喷口直径通常小于1mm。

然而，随着航空发动机性能的提升，对燃油喷口的制造精度要求也越来越高，对副喷口的尺寸公差要求已达到了2μm级别，对粗糙度的要求达到了Ra0.1μm级别，加工难度极高。而目前广泛采用的钻、铰后手工研磨的加工方法，已不能满足喷口的加工精度和加工效率要求。

相较于研磨加工，铰珩工艺在孔的高效、高一致性制造领域已展现出极大的优势，并广泛应用于液压阀套、气缸等精密孔的加工中，在航空发动机燃油喷口的制造中亦具有较大的应用潜力。然而，由于小直径工具刚度差，难于制备及修整，现有市售的铰珩工具直径均不小于3mm，并不能应用于航空发动机燃油副喷口的加工。

因此，针对航空发动机燃油副喷口结构及制造要求，需要设计并制备面向航空发动机燃油副喷口高效、高一致性制造的精密加工工具，从而进一步提升国产航空发动机的制造工艺水平。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具及其制造方法，将铰珩工艺的高效、高一致性优势引入到航空发动机燃油副喷口的精密制造中，缓减了现有微小孔研磨工艺效率低、一致性差的缺点，能够实现副喷口的高效、高一致性加工。

第一方面，本发明提供了一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具，包括导向部分1、切削部分2、光整部分3、退刀部分4以及刀杆5。该工具应用于微小孔的精密加工，因此工具直径小于1mm。为充分保证工具微刃切削所带来的加工质量提升，同时提高工具耐磨性以保障加工的一致性，所述工具需具有大量的有效磨刃。因此，采用工具长径比大于100，且在工具的切削部分及光整部分镀附超硬磨料，磨料粒径范围为7～91μm，切削部分及光整部分的长度均需占工具总长度的1/3～1/2。此外，切削部分采用微锥度结构，以保障加工过程的平稳进行，锥度范围为1：2000～1：500。为保证该工具具有较好的精度保持性的同时，亦具有较好的柔性，工具基体采用弹簧钢或高速钢，但不局限于上述材料。

第二方面，本发明提供了一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具的制造方法，包括如下步骤：

根据所加工零件的材料、孔径、粗糙度要求，确定工具修磨余量、各部分的尺寸、磨料类型以及磨料粒度等参数；

依据磨料种类与镀层厚度之间的关系，确定工具基体尺寸，其中基体锥度应与工具锥度保持一致；

通过试验确定工具基体在腐蚀液中的溶解速率与溶液成分及腐蚀温度之间的关系，并结合工具基体初始尺寸，计算出工具基体各位置所需的腐蚀时间，进而制备出满足设计要求的工具基体；

采用复合电镀工艺将超硬磨料镀附于工具基体表面；

采用平行光投影法，对工具宏观及微观轮廓进行精确测量，并依据测量结果对工具直径、磨粒分布等参数进行评估，进而确定修磨余量。

鉴于柔性工具无法采用传统的外圆磨削的方式进行修整，因此本技术方案中采用加工磨耗的方式对于该工具进行修磨。为保证工具的快速、稳定磨损，工件材料采用硬质合金或CBN，加工参数范围为：转速1000～5000r/min，每转进给量10～200μm，单边余量为10～50μm。

加工一段时间后，测量工具直径，确定剩余修磨余量，继续修磨，重复该过程，直至工具直径满足设计要求。

本发明实施例公开了一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具及其制造方法，涉及工具制造技术领域。该工具填补了微小孔铰珩领域的空白，将铰珩工艺的高效、高一致性优势引入到航空发动机燃油副喷口等微小孔的精密制造中，替代了原有的手工研磨工艺方法，使得微小孔精加工工序的自动化生产成为可能，在提高加工效率的同时，亦可保证零件的高精度及高一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具的大致结构原理图；

图2为本发明实施例提供的一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具设计图；

图3为本发明实施例提供的一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具基体设计图；

图4为本发明实施例提供的一种工具基体腐蚀速率测定试验装置示意图；

图5为本发明实施例提供的MH51高速钢在质量分数5％的稀硝酸溶液中，其径向腐蚀量与腐蚀时间关系图；

图6为本发明实施例提供的工具基体各位置的径向腐蚀量与腐蚀时间关系图；

图7为本发明实施例提供的工具锥度腐蚀示意图；

图8为本发明实施例提供的工具轮廓测量示意图；

图9为本发明实施例提供的工具轮廓测量结果图。

图10为本发明实施例提供的工具直径拟合结果图。

图11为本发明实施例提供的工具直径磨损示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具，如图1所示，包括：

导向部分(1)、切削部分(2)、光整部分(3)、退刀部分(4)和刀杆(5)。

导向部分(1)和刀杆(5)分别位于所述工具的两端，从导向部分(1)向刀杆(5)依次为切削部分(2)、光整部分(3)和退刀部分(4)。

光整部分(3)、退刀部分(4)和刀杆(5)均镀附有超硬材料制成的磨料。

所述工具的直径小于1mm，且长径比大于100。

具体的，切削部分(2)的长度占所述工具总长度的1/3～1/2，切削部分(2)的锥度范围为1:2000～1:500。为充分保证工具微刃切削所带来的加工质量提升，同时提高工具耐磨性以保障加工的一致性，所述工具需具有大量的有效磨刃。因此，采用工具长径比大于100，且在工具的切削部分及光整部分镀附超硬磨料，磨料粒径范围为7～91μm，切削部分及光整部分的长度均需占工具总长度的1/3～1/2。

此外，切削部分采用微锥度结构，以保障加工过程的平稳进行，锥度范围为1：2000～1：500。为保证该工具具有较好的精度保持性的同时，亦具有较好的柔性，工具基体采用弹簧钢或高速钢，但不局限于上述材料。

可选的，光整部分(3)的长度占所述工具总长度的1/3～1/2。

在本实施例中，所述超硬材料的类型可以为立方氮化硼(CBN)，所述磨料的粒度为270/325#，其中，粒度为270/325#也可以表示成：磨料粒径为45～53μm。所述工具的直径为0.84～0.85mm。对于燃油副喷口的设计要求达到孔径

0.83～0.832mm，圆柱度4μm，粗糙度Ra0.1μm的航空发动机，设计图2所示工具。其中工具磨料类型为CBN，磨料粒度为270/325#，工具设计直径为0.84～0.85mm，单边预留修磨余量5～10μm。

该工具应用于微小孔的精密加工，因此工具直径小于1mm。

在本实施例中，所述磨料的镀层厚度经验值为60μm。所述工具的基体材料为MH51高速钢，所述工具的基体的初始直径为0.79～0.8mm，长为100mm。

270/325#磨料的镀层厚度经验值为60μm，据此设计工具基体尺寸，如图3所示。本实施例中，采用MH51高速钢作为工具基体材料，基体材料的初始直径为0.79～0.8mm，长100mm。

本发明实施例公开了一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具，涉及工具制造技术领域。该工具填补了微小孔铰珩领域的空白，将铰珩工艺的高效、高一致性优势引入到航空发动机燃油副喷口等微小孔的精密制造中，替代了原有的手工研磨工艺方法，使得微小孔精加工工序的自动化生产成为可能，在提高加工效率的同时，亦可保证零件的高精度及高一致性。

本发明实施例中，还提供一种用于制造上述超硬磨料柔性工具的制造方法，具体包括：

步骤(1)，根据加工要求，设置所述工具的参数，所述工具的参数包括超硬磨料种类、粒度以和所述工具的基体的尺寸。其中，可以根据所加工零件的材料、孔径、粗糙度要求，确定工具修磨余量、各部分的尺寸、磨料类型以及磨料粒度等参数。

步骤(2)，采用酸腐蚀法制备所述工具的基体。

步骤(3)，采用复合电镀工艺将超硬磨料镀附于所述工具的基体的表面。

步骤(4)，测量所述工具的轮廓，确定所述工具直径分布和修磨量。

步骤(5)，采用加工磨耗的方式对所述工具进行磨损，每个间隔指定的时间，测量所述工具的直径，并在确定剩余修磨余量后继续修磨。鉴于柔性工具无法采用传统的外圆磨削的方式进行修整，因此本实施例中采用加工磨耗的方式对于该工具进行修磨。为保证工具的快速、稳定磨损，工件材料采用硬质合金或CBN，加工参数范围为：转速1000～5000r/min，每转进给量10～200μm，单边余量为10～50μm。

步骤(6)，重复步骤(5)，直至所述工具的直径满足所设置的所述工具的参数。加工一段时间后，测量工具直径，确定剩余修磨余量，继续修磨，重复该过程，直至工具直径满足设计要求。

在本实施例中，在所述工具的基体上，切削部分(2)和退刀部分(4)的锥度，与所述工具实际的切削部分的位置和退刀部分的位置的设计锥度保持一致。例如：可以依据磨料种类与镀层厚度之间的关系，确定工具基体尺寸，基体锥度应与工具锥度保持一致。具体的，通过试验确定工具基体在腐蚀液中的溶解速率与溶液成分及腐蚀温度之间的关系，并结合工具基体初始尺寸，计算出工具基体各位置所需的腐蚀时间，进而制备出满足设计要求的工具基体。

进一步的，还包括：采用恒定质量分数的稀硝酸溶液，在恒定温度下，对所述工具的基体进行腐蚀。在确定径向腐蚀速率后，控制所述工具的各个组成部分的腐蚀时间，以便于所述工具的基体的各个组成部分处的直径被精确控制。

例如：本实施例中可以采用质量分数5％的稀硝酸溶液对工具基体进行腐蚀。测试工具基体腐蚀速率的装置如图4所示。试验所得30℃和40℃下工具基体径向腐蚀量与腐蚀时间的关系如图5所示。根据图5可以看出，相同温度下，可认为不同时刻的腐蚀速率近似恒定，则采用y＝k*x对其进行线性拟合，可得30℃、40℃下的腐蚀速率分别为4.27μm/min和6.92μm/min。

鉴于上述腐蚀速率试验结果，通过对基体不同部位腐蚀不同时间，在基体表面形成锥度及台阶。基体导向部分及刀杆部分不腐蚀，不同部位的腐蚀深度及所需腐蚀时间(腐蚀速率按40℃下6.92μm/min计算)如图6所示(工具导向部分位置为坐标原点)。通过控制基体浸入腐蚀液的速度来达到腐蚀出锥度的目的，如图7所示。基体腐蚀步骤如下：

1、清洗工件，保护EF段，长20mm。

2、腐蚀DE段，浸入速度1.259mm/min，时间7min57s后，快速取出，置于水中清洗后打磨DE段。

3、保护AB、EF段，AB段长5mm。

4、腐蚀BC段，浸入速度6.917mm/min，时间5min3s后至C点，快速浸入至E点，保持9min24s。

5、快速取出，置于水中清洗后打磨BE段。

具体的，可以采用平行光投影法，对工具宏观及微观轮廓进行精确测量，并依据测量结果对工具直径、磨粒分布等参数进行评估，进而确定修磨余量。因此所述测量所述工具的直径，可以实现为：采用平行光投影法，对所述工具的宏观轮廓和微观轮廓进行测量。

例如：如图8所示，采用平行光投影法，对工具宏观及微观轮廓进行精确测量，测得轮廓如图9所示。将工具沿轴线旋转，每隔5°测量一个位置，共测量36个截面轮廓。采用Matlab软件对测量结果进行重构，得出工具直径沿轴向分布图，如图10所示。，通过图10可以看出，当前工具最大直径为0.848mm，修磨至0.832mm，单边修磨余量为8μm。

在本实施例中，还提供一种修磨过程的优选方案，其中：修磨工件的材料为硬质合金或聚晶立方氮化硼(PCBN)，单边余量为10～50μm，转速1000～5000r/min，每转进给量10～200μm。采用上述工具加工底孔直径0.80～0.81mm的YG8硬质合金，加工参数为转速1000r/min，每转进给量50μm，使得工具快速、稳定磨损。工具磨损过程中，轮廓演变如图11所示。每加工15个孔，对工具轮廓进行测量，确定剩余修磨余量后，继续修磨。重复该过程，直至工具直径修磨至0.832mm。

本发明实施例公开了一种微小孔精密加工用超硬磨料柔性工具的制造方法，涉及工具制造技术领域。该工具填补了微小孔铰珩领域的空白，将铰珩工艺的高效、高一致性优势引入到航空发动机燃油副喷口等微小孔的精密制造中，替代了原有的手工研磨工艺方法，使得微小孔精加工工序的自动化生产成为可能，在提高加工效率的同时，亦可保证零件的高精度及高一致性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具，其特征在于，包括：导向部分(1)、切削部分(2)、光整部分(3)、退刀部分(4)和刀杆(5)；

导向部分(1)和刀杆(5)分别位于所述工具的两端，从导向部分(1)向刀杆(5)依次为切削部分(2)、光整部分(3)和退刀部分(4)；

所述工具的直径小于1mm，且长径比大于100；

光整部分(3)、退刀部分(4)和刀杆(5)均镀附有超硬材料制成的磨料。

2.根据权利要求1所述的用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具，其特征在于，切削部分(2)的长度占所述工具总长度的1/3～1/2，切削部分(2)的锥度范围为1:2000～1:500。

3.根据权利要求1所述的用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具，其特征在于，光整部分(3)的长度占所述工具总长度的1/3～1/2。

4.根据权利要求1所述的用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具，其特征在于，所述超硬材料的类型为立方氮化硼(CBN)，所述磨料的粒度为270/325#，所述工具的直径为0.84～0.85mm其中，270/325#表示磨料粒径为45～53μm。

5.根据权利要求1所述的用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具，其特征在于，

所述磨料的镀层厚度经验值为60μm；

所述工具的基体材料为MH51高速钢，所述工具的基体的初始直径为0.79～0.8mm，长为100mm。

6.一种用于微小孔精密加工的超硬磨料柔性工具的制造方法，其特征在于，包括：

所述工具的组成部分包括：导向部分(1)、切削部分(2)、光整部分(3)、退刀部分(4)和刀杆(5)；导向部分(1)和刀杆(5)分别位于所述工具的两端，从导向部分(1)向刀杆(5)依次为切削部分(2)、光整部分(3)和退刀部分(4)；

步骤(1)，根据加工要求，设计所述工具的参数，所述工具的参数包括超硬磨料种类、粒度以和所述工具的基体的尺寸；

步骤(2)，采用酸腐蚀法制备所述工具的基体；

步骤(3)，采用复合电镀工艺将超硬磨料镀附于所述工具的基体的表面；

步骤(4)，测量所述工具的轮廓，确定所述工具直径分布和修磨量；

步骤(5)，采用加工磨耗的方式对所述工具进行磨损，每个间隔指定的时间，测量所述工具的直径，并在确定剩余修磨余量后继续修磨；

步骤(6)，重复步骤(5)，直至所述工具的直径满足所设置的所述工具的参数。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述工具的基体上，切削部分(2)和退刀部分(4)的锥度，与所述工具实际的切削部分的位置和退刀部分的位置的设计锥度保持一致。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，还包括：

采用恒定质量分数的稀硝酸溶液，在恒定温度下，对所述工具的基体进行腐蚀；

在确定径向腐蚀速率后，控制所述工具的各个组成部分的腐蚀时间，以便于所述工具的基体的各个组成部分处的直径被精确控制。

9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述测量所述工具的直径，包括：

采用平行光投影法，对所述工具的宏观轮廓和微观轮廓进行测量。

10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在修磨过程中：

修磨工件的材料为硬质合金或聚晶立方氮化硼(PCBN)，单边余量为10～50μm，转速1000～5000r/min，每转进给量10～200μm。