CN110394738B - 一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械加工领域，涉及一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具及其制造工艺，针对在现有磨削过程中磨具存在磨损严重的问题所提出的，所述专用磨具包括基体和烧结砂面，所述烧结砂面焊接在基体的外缘处，且烧结砂面的端面为圆弧结构，圆弧的直径根据待加工回转体零件表面的曲率来确定，所述烧结砂面厚度大于基体的厚度。本发明具有结合强度高、抗冲击强度强，可有效降低待加工回转体零件加工表面残余高度，延长专用磨具的使用寿命。

Description

一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具及其制 作工艺
技术领域：
本发明属于机械加工领域，具体涉及一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具及其制作工艺。
背景技术：
陶瓷材料由于耐高温、耐磨损，且高温力学性能稳定，在航空航天领域具有广泛的应用潜能，尤其应用在各种飞行器前端部位零件制造，集防热、透波、承载、抗冲击等高性能要求为一体。其形状一般为回转体类，且拟合曲线形状非常复杂，为多阶次样条曲线，且壁厚较小。而陶瓷材料为典型硬脆材料，只能采用磨削加工。目前对于陶瓷材料回转体零件磨削多采用内外圆磨削数控磨床，虽然金属结合剂相比于树脂结合剂来说，具有磨粒把持力强、承受磨削压力大等优点，被广泛应用于加工陶瓷等硬度高的材料中，但是在磨削过程中磨具还是存在磨损严重的问题，主要是由于金属结合剂成份配比及烧结工艺参数不合理导致其自锐性差、砂轮表面易堵塞等缺陷，进而会影响工件表面的加工效率和磨削加工精度，所磨削出的线型精度与设计要求相差较大。
发明内容：
本发明为克服上述缺陷，提供了一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具及其制作工艺，该专用磨具具有结合强度高、耐磨性好、不易磨损的优点。
本发明采用的技术方案在于：一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具，包括基体和烧结砂面，所述烧结砂面焊接在基体的外缘处，且烧结砂面的端面为圆弧结构，圆弧的直径根据待加工回转体零件表面的曲率来确定，所述烧结砂面厚度大于基体的厚度。
优选地，所述圆弧的弧度为120°。
优选地，所述烧结砂面厚度小于10mm。
优选地，所述基体为刚性材料制成。
一种专用磨具的制作工艺，包括以下步骤：
步骤一：根据专用磨具加工长度范围确定其直径，为了提高动平衡，在基体上均匀加工有四个直径相同的减重孔；
步骤二：所述烧结砂面采用铁基金属结合剂，磨粒采用粒度为D126的金刚石粉，浓度100％，按照浓度要求将结合剂与磨粒混合，并加入固化剂搅拌均匀，并放入模具中加压成型；然后采用真空烧结炉进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度800℃，保温时间30min；
步骤三：将烧结砂面与基体采用钎焊工艺连接，钎焊体系为Ni-Cr7-Si5-B3-Fe3，焊接温度为1373K，保温时间为5min，钎焊间隙大于0.01mm；
步骤四：将步骤三制得的专用磨具进行修锐后，即得到待加工回转体零件磨削加工所需的专用磨具。
优选地，所述步骤二中，铁基金属结合剂的体积百分比的原料组成为40％～45％Fe、17％～20％Co、15％～20％Cu、5％Sn、8％Ni、2％Al。
优选地，所述步骤三中，将烧结砂面的端部修锐成圆弧结构，且圆弧为120°。
本发明的有益效果是：
1、通过烧结砂面端部的120°圆弧结构设计，使专用磨具5的烧结砂面502与待加工回转体零件始终保持点接触，并且圆弧直径根据待加工回转体零件表面曲率确定，可有效降低待加工回转体零件加工表面残余高度。
2、本发明的铁基金属结合剂使得磨具具有良好自锐性，且具有结合强度更高、寿命显著延长的优点。
附图说明：
图1为专用磨具的结构示意图；
图2为图1的纵向剖视图；
图3为本发明应用时的结构示意图；
其中：1车床卡盘、2车床导轨、3刀架基座、4高速电机、5专用磨具、501基体、502烧结砂面、503定位孔、504减重孔、6专用工装。
具体实施方式：
如图1和图2所示，本发明为一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具，包括基体501和烧结砂面502，所述基体501为刚性材料制成，在基体501的中心开设有定位孔503，在定位孔503的四周均匀开设有四个减重孔504。所述烧结砂面502焊接在基体501的外缘处，且烧结砂面502的端面为圆弧结构，所述圆弧的弧度为120°，圆弧的直径根据待加工回转体零件表面的曲率来确定，所述烧结砂面502厚度大于基体501的厚度。所述圆弧直径的计算方式为，设待加工回转体零件回转曲线方程为y(x)，其中y为待加工回转体零件回转曲线，x为横坐标值，专用磨具圆弧直径具体计算公式如下：
Figure BDA0002147245620000021
其中：R为烧结砂面502的圆弧直径，y′为待加工回转体零件回转曲线的一阶导数，y″为待加工回转体零件回转曲线的二阶导数。
一种专用磨具的制作工艺，包括以下步骤：
步骤一：基体501采用45号钢，根据专用磨具5加工长度范围确定其直径为100mm，为了提高动平衡，在基体501上均匀加工有四个直径同为20mm的减重孔504，所述基体501的厚度为5mm，烧结砂面502的厚度大于基体501的后厚度，且小于10mm。
步骤二：为了提高磨削寿命，所述烧结砂面502采用铁基金属结合剂，磨粒采用粒度为D126的金刚石粉，浓度100％(所述磨粒浓度100％是指工作层内磨料所占体积比为25％、金刚石含量0.88g/cm3时，国内外通常将其规定为100％浓度)，按照浓度要求将铁基金属结合剂与磨粒混合，并加入固化剂搅拌均匀，所述固化剂成份为100％聚酰胺，并放入模具中加压成型；然后采用真空烧结炉进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度800℃，保温时间30min。
步骤三：将烧结砂面502与基体501采用钎焊工艺连接，钎焊体系为Ni-Cr7-Si5-B3-Fe3，焊接温度为1373K，保温时间为5min，钎焊间隙大于0.01mm。
步骤四：将步骤三制得的专用磨具5进行修锐，即得到待加工回转体零件磨削加工所需的专用磨具5。
进一步地,所述步骤二中，所述铁基金属结合剂的体积百分比的原料组成为45％Fe、20％Co、20％Cu、5％Sn、8％Ni、2％Al，通过该配比铁基金属结合剂使烧结砂面502的抗弯强度可达到550MPa，铁基金属结合剂中的Fe、Co等元素与金刚石颗粒间可产生化学反应，把持力除机械镶嵌力外，还有化学结合力，故把持力可显著增大；金刚石颗粒的磨损，导致切削刃数量增多，可提高专用磨具5的自锐性；同时该专用磨具5的使用寿命相对于陶瓷基结合剂可提高6-10倍，相对于青铜基基合金，可提高2-4倍。
进一步地，所述步骤三中，为提高磨削精度，减少专用磨具5与待加工回转体零件8的接触宽度，将烧结砂面502的端部修锐成圆弧结构，且圆弧为120°，圆弧结构使专用磨具5的烧结砂面502与待加工回转体零件始终保持点接触，烧结砂面502端部圆弧直径应根据待加工回转体零件8表面曲率确定，设待加工回转体零件回转曲线方程为y(x)，其中y为待加工回转体零件回转曲线，x为横坐标值，专用磨具圆弧直径具体计算公式如下：
Figure BDA0002147245620000031
其中：R为烧结砂面502的圆弧直径，y′为待加工回转体零件回转曲线的一阶导数，y″为待加工回转体零件回转曲线的二阶导数，从而实现专用磨具5与待加工回转体零件间的点接触，可有效降低待加工回转体零件加工表面残余高度。
如图3所示，专用磨具5在应用时的工作过程，包括以下步骤：
首先，将待加工回转体零件与专用工装6装夹配合，然后将专用工装6卡紧在车床卡盘1上，再将专用磨具5固定在高速电机4上，在加工过程中，专用磨具5通过烧结砂面502的圆弧结构减少与待加工回转体零件的接触宽度，并使专用磨具5的烧结砂面502与待加工回转体零件始终保持点接触，提高了磨削精度，可有效降低待加工回转体零件加工表面残余高度，按照待加工回转体零件的曲线结构，生成数控车削加工程序，对数控车削程序进行坐标变换，从而确定磨削加工控制程序，确定单层磨削深度后，在高速电机4和车床卡盘1转动作用下，运行磨削加工控制程序，加工完单层待加工回转体零件外形后，重复确定单层磨削深度，直至待加工回转体零件厚度满足设计尺寸。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且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书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具，其特征在于，包括基体(501)和烧结砂面(502)，所述烧结砂面(502)焊接在基体(501)的外缘处，且烧结砂面(502)的端面为圆弧结构，所述圆弧的弧度为120°，且圆弧的直径根据待加工回转体零件表面的曲率来确定，设待加工回转体零件回转曲线方程为y(x)，其中y为待加工回转体零件回转曲线，x为横坐标值，专用磨具圆弧直径具体计算公式如下：
Figure FDF0000015361860000011
其中：R为烧结砂面(502)的圆弧直径，y′为待加工回转体零件回转曲线的一阶导数，y″为待加工回转体零件回转曲线的二阶导数，使烧结砂面(502)与待加工回转体零件始终保持点接触，所述烧结砂面(502)厚度大于基体(501)的厚度，在基体(501)中心的四周均匀开设有减重孔(504)。
2.如权利要求1所述的一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具，其特征在于：所述烧结砂面(502)厚度小于10mm。
3.如权利要求1或2所述的一种适用于陶瓷材料回转体零件磨削加工的专用磨具，其特征在于：所述基体(501)为刚性材料制成。
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