CN113070740A - 一种薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法及负压夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法及负压夹具。方法包括将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件的侧面或外弧形面;将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件中部的槽;将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,继续采用小直径金刚石磨头在中部的槽底部磨削加工通孔。本发明根据氧化铝陶瓷材料硬脆、耐磨和薄壁结构的特点,采用负压夹具对薄壁结构件进行定位并夹紧,然后在高强度的条件下高速磨削外沿及中部槽,最后在相对低速情况下磨削薄壁通孔,不仅夹装效率和加工效率高,而且损失率低、精度高,可获得较好的加工质量。
Description
技术领域
本发明属于机械制造工艺技术领域,具体涉及一种夹装效率和加工效率高、损失率低、加工质量好的薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法及负压夹具。
背景技术
氧化铝陶瓷是一种以氧化铝(Al2O3)为主体的陶瓷材料,具有较好的传导性、机械强度和耐高温性,是一种用途广泛的陶瓷。由于氧化铝陶瓷的抗热震性差和断裂韧性低,硬度仅次于金刚石,耐磨性相当于锰钢的266倍,因此不仅切削性能差,而且夹持困难且加工效率较低,在加工时过大的加工力或夹紧力都会造成工件破碎,是一种公认的脆性难加工材料。
现有技术中,传统的车削、铣削等加工方式无法适应氧化铝陶瓷等脆性材料的加工要求,目前一般采用高速磨削、机械刻蚀、金刚砂轮切割法、钢丝切割法,还有电火花加工、超声波加工、激光刻蚀等方法进行加工。但是,现有的高速磨削仅适用于具有一定厚度的刚性件圆孔或平面的加工,对于薄壁结构件不仅夹装困难、加工效率低,而且破损率较高。此外,现有技术中陶瓷材料的电火花加工技术难度较大,易出现污染;超声波加工则存在着效率低下和工具磨损严重等问题;金刚砂轮切割法及钢丝切割法也存在切割精度不高、加工区材料的变质层大、加工表面易破碎造成成品合格率低,最大的问题是无法进行异型切割和钻孔;激光刻蚀也存在高功率密度激光直接照射会导致材料表面迅速升高到熔化或气化温度,加工后表面存在发黑变质层和重凝层,严重影响激光刻蚀氧化铝陶瓷工件的微加工质量和尺寸精度。为了解决薄壁陶瓷结构件夹装和加工困难、破损率高的难题,现有技术中一般采用灌蜡以增加其强度,然后以普通夹具进行定位夹紧的方式来解决;但是,灌蜡由于与氧化铝陶瓷的硬度、耐磨性等存在显著差异,不仅对于薄壁零件在加工时会形成阻碍,也不利于加工时的准确定位,且石蜡会粘附在刀具上导致锋利度下降而影响切削性能;此外,虽然灌蜡一定程度上增加了薄壁陶瓷结构件的强度,但其断裂韧性低的问题无法有效提高,因此其夹持力难以显著提高,也就无法加大大进给量切削,其切削效率仍然较低。当然,为了提高薄壁陶瓷结构件与夹具的连接可靠性,也有采用火漆粘接的方式来规避夹持力过大易导致结构件破损的问题,但火漆粘接的定位精度较低,难以避免因火漆与氧化铝陶瓷材质差异而影响加工效率和加工精度,而且火漆使用后清理困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种夹装效率和加工效率高、损失率低、加工质量好的薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,还提供了一种用于前述加工方法的负压夹具。
本发明之高效加工方法是这些实现的:包括侧端磨削、中部磨削、开孔步骤,具体包括:
A、侧端磨削:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件的侧面或外弧形面;
B、中部磨削:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件中部的槽;
C、开孔:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,继续采用小直径金刚石磨头在中部的槽底部磨削加工通孔。
本发明之负压夹具是这些实现的:包括本体、定位腔Ⅰ、定位腔Ⅱ、定位腔Ⅲ、通气孔、气隙槽,所述本体的上部分别设置有定位腔Ⅰ、定位腔Ⅱ和定位腔Ⅲ,所述通气孔分别设置于定位腔Ⅰ、定位腔Ⅱ和定位腔Ⅲ的底部并与本体内的负压通道连通,所述定位腔Ⅰ为侧开口内凹结构且顶部设置有若干与通气孔连通的气隙槽,所述定位腔Ⅱ为内凹框形结构并与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应且底部设置有若干与通气孔连通的气隙槽;所述定位腔Ⅲ为内凹嵌套双台框形结构,所述定位腔Ⅲ的外凹台环绕于中部的内凹台且与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应,所述外凹台的底部设置有通气孔,所述本体的一侧设置有与内部负压通道连通的高压连接头。
本发明的有益效果:
1、本发明根据氧化铝陶瓷材料抗热震性差和断裂韧性低、硬度高、耐磨性能强,以及薄壁在夹持和加工易破碎的特点,采用负压夹具对薄壁氧化铝陶瓷结构件进行定位并夹紧,只需要调节气压大小就可方便、可靠地进行夹紧和松开,相比传统夹具不仅装夹效率明显提高,吸附力分布均匀不会造成应力集中而导致结构件破损,而且可避免传统机械点、线夹持时由于加载在结构件上的夹持力不均匀而难以保证薄壁件加工均匀性的难题;且负压吸附不会阻挡夹装视线而影响定位精度,更不会对加工形成阻碍,后期也不存在诸如清除石蜡和火漆的困难。
2、本发明的负压夹具由于作用于待加工结构件上的吸附力分布均匀,因此结构件既夹持牢固,从而在保证氧化铝陶瓷结构件强度足够的情况下,可采用相对较高的切削率进行磨削,有效提高了加工效率;而在切削率一定的情况下,由于结构件夹持牢固,从而可削弱乃至消除传统磨削时由于磨头振动对加工质量造成的不良影响,有效提高了加工质量。
3、本发明的方法根据氧化铝陶瓷结构件的结构特点,通过结构和工艺分析,采用分步加工,先期对具有一定厚度的原材料采用高转速、大进给量和大直径磨头进行磨削,既能够保障结构件有较高的完好率,而且因磨头的线速度较高且切削面积较大,从而增加了磨削功率和磨削面的磨削热,磨削热的增加可明显降低脆性材料的弯曲强度,由此提高其延性磨削的临界磨削深度,从而显著提高磨削效率;而在后续薄壁结构件上采用较小直径和较高转速及较低进给量进行加工,从而既能减小切削热的堆积以避免造成金刚石磨粒碳化,以提高小直径磨头的切削性能和使用寿命;而且也能降低切削时加载在结构件上的轴向力,避免陶瓷在加工过程中由于其自身脆性而产生大块崩豁,整个加工方法既兼顾了加工效率,同时也能有效提高孔洞的加工精度和合格率。
4、本发明的负压夹具采用多个型腔来定位待加工的结构件,而通过负压吸附以固定待加工的结构件,从而可适应相同结构不同尺寸规格的结构件的定位夹紧,具有很强的适应性和柔性。
综上所述,本发明具有夹装效率和加工效率高、损失率低、加工质量好的特点。
附图说明
图1为本发明之薄壁氧化铝陶瓷结构件结构示意图;
图2为图1之剖切结构示意图;
图3为本发明之负压夹具结构示意图之一;
图4为本发明之负压夹具结构示意图之二;
图中:1-本体,2-定位腔Ⅰ,3-定位腔Ⅱ,4-定位腔Ⅲ,4-1-外凹台,4-2-内凹台,5-通气孔,6-气隙槽,7-高压连接头,8-环形槽,9-起件孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明,但不以任何方式对本发明加以限制,基于本发明教导所作的任何变更或改进,均属于本发明的保护范围。
如图1至4所示,本发明之薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法包括侧端磨削、中部磨削、开孔步骤,具体包括:
A、侧端磨削:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件的侧面或外弧形面;
B、中部磨削:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件中部的槽;
C、开孔:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,继续采用小直径金刚石磨头在中部的槽底部磨削加工通孔。
所述A步骤、B步骤和/或C步骤中金刚石磨头的金刚石粒度为300~400目,所述金刚石磨头的转速为25000~30000rpm、进给速度为300~500mm/min。
所述A步骤中金刚石磨头的转速为28000~30000rpm、进给速度为400~500mm/min;所述B步骤中金刚石磨头的转速为25000~28000rpm、进给速度为300~400mm/min。
所述B步骤和C步骤中的金刚石磨头为端面和外径金刚石磨头,所述C步骤中的金刚石磨头直径不大于薄壁氧化铝陶瓷结构件孔的最小转角和/或最小弧形边的直径。
所述C步骤中先用金刚石磨头在预加工的通孔边沿或近边沿处垂直磨削加工出先导孔,然后以先导孔为基础再水平磨削扩孔得到通孔。
所述C步骤中金刚石磨头的转速为28000~30000rpm、水平进给速度为300~400mm/min、垂直进给速度为100~200mm/min。
所述A步骤、B步骤和/或C步骤中采用云南光电辅料有限公司出品的磨边油进行润滑冷却。
如图3所示,本发明之薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法所用的负压夹具,包括本体1、定位腔Ⅰ2、定位腔Ⅱ3、定位腔Ⅲ4、通气孔5、气隙槽6,所述本体1的上部分别设置有定位腔Ⅰ2、定位腔Ⅱ3和定位腔Ⅲ4,所述通气孔5分别设置于定位腔Ⅰ2、定位腔Ⅱ3和定位腔Ⅲ4的底部并与本体1内的负压通道连通,所述定位腔Ⅰ2为侧开口内凹结构且顶部设置有若干与通气孔5连通的气隙槽6,所述定位腔Ⅱ3为内凹框形结构并与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应且底部设置有若干与通气孔5连通的气隙槽6;所述定位腔Ⅲ4为内凹嵌套双台框形结构,所述定位腔Ⅲ4的外凹台4-1环绕于中部的内凹台4-2且与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应,所述外凹台4-1的底部设置有通气孔5,所述本体1的一侧设置有与内部负压通道连通的高压连接头7。
所述定位腔Ⅰ2和/或定位腔Ⅱ3的通气孔5设置于定位腔的中部且气隙槽6自通气孔5向侧壁均布设置。
所述外凹台4-1的底部设置有若干气隙槽6,所述气隙槽6对底部设置有通气孔5。
如图4所示,所述定位腔Ⅰ2的侧开口内凹结构和/或定位腔Ⅱ3内凹框形结构底部的近外沿处设置有环形槽8,所述气隙槽6两端分别与通气孔5及环形槽8连通;所述定位腔Ⅲ4的外凹台4-1底部间隔设置有若干通气孔5,或者定位腔Ⅲ4的外凹台4-1底部近外沿处设置有环形槽8,所述通气孔5设置于环形槽8内。
所述定位腔Ⅲ4的环形槽8内至少均布有两个通气孔5。
所述本体1一侧设置控制定位腔Ⅰ2、定位腔Ⅱ3和定位腔Ⅲ4的通气孔5与负压通道连通的控制阀。
所述本体1内设置有文丘里发生器,所述通气孔5与文丘里发生器的真空吸入口连通,所述高压连接头7与文丘里发生器的供气口连通。
所述定位腔Ⅰ2至少一侧开口,所述定位腔Ⅰ2的宽度小于待加工氧化铝陶瓷结构件加工后的宽度。
所述定位腔Ⅱ3和/或定位腔Ⅲ4的内凹框形结构在侧壁至少一角或至少一侧壁上设置有起件孔9。
所述内凹台4-2外形不小于薄壁陶瓷结构件的预加工孔洞
实施例:
以加工图1、2、3和4所示结构件为例,加工过程如下:
S100:将氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具的定位腔Ⅰ2的顶部,采用直径φ10mm、粒度为320目的金刚石磨头,以28000~30000rpm的转速、400~500mm/min的进给速度,分别磨削加工结构件的两个侧面。
S200:将S100加工好两侧面的氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具的定位腔Ⅱ3内,采用直径φ8或φ10mm、粒度为320目的金刚石磨头,以25000~28000rpm的转速、300~400mm/min的进给速度,磨削加工结构件的中部直槽。
S300:将S200加工好中部直槽的薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具的定位腔Ⅲ4之外凹台4-1内,采用直径φ0.8mm的金刚石磨头,先以28000~30000rpm的转速、100~200mm/min的垂直进给速度,在直槽底部的预加工通孔边沿或近边沿处垂直磨削加工出先导孔;然后以28000~30000rpm的转速、300~400mm/min的水平进给速度,以先导孔为基础再水平磨削扩孔得到通孔,从而完成整个薄壁氧化铝陶瓷结构件的加工。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式,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)
1.一种薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于包括侧端磨削、中部磨削、开孔步骤,具体包括:
A、侧端磨削:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件的侧面或外弧形面;
B、中部磨削:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,采用金刚石磨头磨削加工结构件中部的槽;
C、开孔:将薄壁氧化铝陶瓷结构件定位并底部吸附在负压夹具上,继续采用小直径金刚石磨头在中部的槽底部磨削加工通孔。
2.根据权利要求1所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述A步骤、B步骤和/或C步骤中金刚石磨头的金刚石粒度为300~400目,所述金刚石磨头的转速为25000~30000rpm、进给速度为300~500mm/min。
3.根据权利要求2所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述B步骤和C步骤中的金刚石磨头为端面和外径金刚石磨头,所述C步骤中的金刚石磨头直径不大于薄壁氧化铝陶瓷结构件孔的最小转角和/或最小弧形边的直径。
4.根据权利要求3所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述C步骤中先用金刚石磨头在预加工的通孔边沿或近边沿处垂直磨削加工出先导孔,然后以先导孔为基础再水平磨削扩孔得到通孔。
5.根据权利要求4所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述C步骤中金刚石磨头的转速为28000~30000rpm、水平进给速度为300~400mm/min、垂直进给速度为100~200mm/min。
6.根据权利要求1至5任意一项所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述负压夹具包括本体(1)、定位腔Ⅰ(2)、定位腔Ⅱ(3)、定位腔Ⅲ(4)、通气孔(5)、气隙槽(6),所述本体(1)的上部分别设置有定位腔Ⅰ(2)、定位腔Ⅱ(3)和定位腔Ⅲ(4),所述通气孔(5)分别设置于定位腔Ⅰ(2)、定位腔Ⅱ(3)和定位腔Ⅲ(4)的底部并与本体(1)内的负压通道连通,所述定位腔Ⅰ(2)为侧开口内凹结构且顶部设置有若干与通气孔(5)连通的气隙槽(6),所述定位腔Ⅱ(3)为内凹框形结构并与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应且底部设置有若干与通气孔(5)连通的气隙槽(6);所述定位腔Ⅲ(4)为内凹嵌套双台框形结构,所述定位腔Ⅲ(4)的外凹台(4-1)环绕于中部的内凹台(4-2)且与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应,所述外凹台(4-1)的底部设置有通气孔(5),所述本体(1)的一侧设置有与内部负压通道连通的高压连接头(7)。
7.一种权利要求1至5任意一项所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法所用的负压夹具,其特征在于包括本体(1)、定位腔Ⅰ(2)、定位腔Ⅱ(3)、定位腔Ⅲ(4)、通气孔(5)、气隙槽(6),所述本体(1)的上部分别设置有定位腔Ⅰ(2)、定位腔Ⅱ(3)和定位腔Ⅲ(4),所述通气孔(5)分别设置于定位腔Ⅰ(2)、定位腔Ⅱ(3)和定位腔Ⅲ(4)的底部并与本体(1)内的负压通道连通,所述定位腔Ⅰ(2)为侧开口内凹结构且顶部设置有若干与通气孔(5)连通的气隙槽(6),所述定位腔Ⅱ(3)为内凹框形结构并与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应且底部设置有若干与通气孔(5)连通的气隙槽(6);所述定位腔Ⅲ(4)为内凹嵌套双台框形结构,所述定位腔Ⅲ(4)的外凹台(4-1)环绕于中部的内凹台(4-2)且与薄壁氧化铝陶瓷结构件的外形对应,所述外凹台(4-1)的底部设置有通气孔(5),所述本体(1)的一侧设置有与内部负压通道连通的高压连接头(7)。
8.根据权利要求7所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述定位腔Ⅰ(2)和/或定位腔Ⅱ(3)的通气孔(5)设置于定位腔的中部且气隙槽(6)自通气孔(5)向侧壁均布设置。
9.根据权利要求8所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述定位腔Ⅰ(2)的侧开口内凹结构和/或定位腔Ⅱ(3)内凹框形结构底部的近外沿处设置有环形槽(8),所述气隙槽(6)两端分别与通气孔(5)及环形槽(8)连通;所述定位腔Ⅲ(4)的外凹台(4-1)底部间隔设置有若干通气孔(5),或者定位腔Ⅲ(4)的外凹台(4-1)底部近外沿处设置有环形槽(8),所述通气孔(5)设置于环形槽(8)内。
10.根据权利要求7、8、9所述薄壁氧化铝陶瓷结构件的高效加工方法,其特征在于所述本体(1)一侧设置控制定位腔Ⅰ(2)、定位腔Ⅱ(3)和定位腔Ⅲ(4)的通气孔(5)与负压通道连通的控制阀。
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