CN1745966A - 工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
一种工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺及装置，属工程陶瓷材料的型面特种加工方法及装置。其工艺特征是：工程陶瓷工件沿Z轴方向超声振动，磨轮围绕其主轴(垂直于Z轴)高速旋转，由机床数控系统控制、随五轴数控机床的相应部件一起，实现磨轮/工件间在X、Y、Z直线方向以及工件绕Z轴的旋转共4维的相对送进运动，则磨轮对工件进行具有数控展成、蠕动进给和超声磨削三大工艺特征的叶片型面成形加工。其加工装置包括：五轴数控机床、机床的数控系统、磨轮、磨轮主轴及其驱动调频电机、电机的变频调速控制系统、安装工件并使其进行超声振动的超声振动系统等主要部件构成了一个完整的工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺装置。
Description
一、技术领域：
本发明《工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺及装置》，属工程陶瓷材料的型面特种加工方法及装置。
二、背景技术：
随着现代科学技术的发展，工程结构陶瓷越来越多地在新型产品中得到应用，如内燃机火花塞、高温轴承、化工、石油用泵的密封环，高温坩埚，火箭、导弹导流罩，转子发动机刮片，甚至陶瓷刀具等，已成为现代工业、国防和宇航等高技术领域中不可缺少的新型材料。但工程陶瓷的加工、特别是成形加工，至今仍非常困难而阻碍其扩大应用。对这些材料构成的复杂成形构件，一般是压制烧结或压制固化成形，但一次加工难以达到高精度，通常需在成形后再进行二次加工。二次加工的方法很多，但主要还是采用机械磨削方法。由于工程陶瓷材料本身的硬、脆特性，机械磨削陶瓷不仅加工效率低，而且在加工过程中容易在加工表面产生微裂纹，这对于航空、航天、电子等高可靠性、高质量要求的产品是决不允许的。为了推动工程陶瓷材料的普及和应用，人们一直在探索寻求高质量、高精度、高效率的加工方法，其中，超声一机械复合磨削加工，向人们展示了其优异的加工特性：陶瓷材料由机械磨削的表面挤压、脆性崩裂转变为超声磨削复合加工的延性“切削”状态，从而磨削力减小，表面不会出现微裂纹，既提高了加工表面质量、加工精度和加工效率，又降低了加工成本；已经在平面、外圆、内孔这样一些简单形状的加工中得到应用，取得显著技术经济效果。但是，对于工程陶瓷类硬脆材料整体构件上的型面、如陶瓷小型整体叶轮的叶片型面的精密加工，目前还没有什么好加工方法，通常采用陶瓷粉末压制、烧结成形的方法，对于那些高精度、高表面质量要求的型面，则需要在烧结成形后采取专用的成型工具拷贝式超声加工，或者机械研磨抛光，这两种方法的加工速度都很慢，加工成本很高；而且由于超声加工时成型工具的损耗，机械研磨加工的成形加工能力低，则对于复杂型面的高精度光整加工都很困难。因此，严重影响了工程陶瓷在航空、航天、甚至一般民用动力构件中的应用。
三、发明内容：
本发明针对解决工程陶瓷整体构件上复杂型面的加工难题，提出一种将数控、蠕动进给、超声磨削、展成加工共4项技术集成于一体的、能进行工程陶瓷复杂型面精密、高效加工的工艺技术及装置。
本发明的工艺特征在于：
工程陶瓷工件沿Z轴方向超声振动(频率20KHz，振幅5-15-可调)，磨轮围绕其主轴(垂直于Z轴)的高速旋转(由调频电机驱动，在100-20,000r/min范围内连续可调，常用3000-20,000r/min)，由五轴联动数控系统控制、随五轴数控机床的相应部件一起，实现磨轮-工件在X、Y、Z直线方向以及工件绕Z轴的旋转共4维的相对送进运动(送进速度0.1mm/min数量级)，则磨轮对工程陶瓷工件进行具有数控展成、蠕动进给、超声磨削共三大特征的型面成形加工；采用不同直径(φ2mm-φ6mm)、不同长度(6mm-20mm)、不同形状(锥形、圆柱形)的电镀金刚石磨轮，按照加工型面的要求编制对应的数控展成运动程序，可以成形加工不同型面，具有快速响应的加工能力和适应范围广的加工柔性；在工件的超声振动方向(Z向)与展成加工运动的主送进方向(Z向)相同的条件下进行超声磨削加工，有利于提高加工表面质量，即表面粗糙度低、不产生微裂纹，特别有利于工程陶瓷的成形加工；采用蠕动进给超声磨削参数，即大切深(0.1mm-1mm数量级)、微进给(0.1mm/min数量级)，则容易实现延性域超声磨削加工，导致磨削力减小，表面粗糙度降低，无表面微裂纹。
实现本数控展成、蠕动进给、超声磨削成形加工的装置包括：五轴数控机床，机床控制系统，其特点是还包括电机变频调速控制系统连于磨轮驱动系统以及超声振动系统，所述电机变频调速控制系统，包括微机，分别与微机相连的数据采集卡和光电隔离器，数据采集卡的输出与变频器双向相连；所述磨轮驱动系统通过磨轮主轴安装座定位安装在机床立轴Z向滑座上，该磨轮驱动系统，包括与电机变频调速控制系统相连的调频电机，调频电机通过皮带轮与磨轮主轴相连，磨轮通过弹性夹头安装在磨轮主轴上；所述超声振动系统，包括超声频电源与压电换能器双向相连，压电陶瓷换能器与其上端装有工程陶瓷工件的变幅杆下端相连，安装在套筒式安装座内，套筒式安装座安装在固定于机床旋转工作台的分度盘上。
本发明综合计算机数控技术和蠕动进给、超声磨削技术，利用研制开发的数控机床，进行蠕动进给，实现数控展成超声磨削成形加工，提高了加工柔性，不仅使生产准备周期缩短，更加扩大了成形加工范围：可以用简单形状的磨轮，如球头、端面、锥形、圆柱形磨轮，按照计算机数控指令，实现包括工程陶瓷在内的硬脆材料叶片型面的数控展成超声磨削成形加工，当然也能实现简单型面加工。同时，采用合适的工艺参数，包括磨料粒度和浓度、磨轮转速、进给速度、磨削深度以及超声振动参数(振幅和频率)，可实现工程陶瓷延性域加工，能得到高表面质量(表面粗糙度低，不产生微裂纹)和高加工精度。
四、附图说明：
图1是工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削成形加工装置示意图。
图2是数控展成超声磨削型面加工运动示意图。
图1中标号名称：1a、五轴数控机床的旋转工作台，2、分度盘，3、超声频电源，4、压电陶瓷换能器，5、变幅杆，6、套筒式安装座，7、陶瓷工件，8、磨轮，9、弹性夹头，10磨轮主轴，11、皮带轮，12、调频电机，1b、五轴数控机床的立轴Z向滑座，13、机床的数控系统，14、电机变频调速控制系统，15、磨轮主轴安装座。
图2中标号名称同图1。
五、具体实施方式：
实施本发明“工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺”的装置，如图1所示。本装置包括五轴数控机床1(实用新型专利：ZL 96 2 31072.7)、相应五轴联动数控系统13(发明专利：ZL 96 1 156810.2)、安装在机床立轴Z向滑座1b上的磨轮主轴安装座15、磨轮8及调频电机12、电机变频调速控制系统14、安装于机床旋转工作台1a上的超声振动系统。
磨轮8通过弹性夹头9定位安装、夹紧在磨轮主轴10上，调频电机12通过皮带轮11与磨轮主轴10相连、增速驱动磨轮主轴10及安装于其上的磨轮8高速旋转，并可沿Z向运动，电机变频调速控制系统14通过变频对电机转速进行调节并通过转速检测、比较及控制，以保证电机的转速的稳定(以计算机设定的转速稳定旋转)。
超声振动系统，包括超声频电源3、压电陶瓷换能器4、变幅杆5和套筒式安装座6，按轴心定位安装、夹紧在分度盘2上，分度盘2按轴心定位安装、夹紧在机床的旋转工作台1a上，陶瓷工件7按轴心定位安装在变幅杆5的上端。根据图1和图2叙述本发明的工作过程：
实施工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削成形加工时，启动超声频电源3，则换能器4将超声频电振荡转换为超声机械振动，通过变幅杆5将振幅增大并驱动安装于其上端、与换能器距离约1/2波长处的陶瓷工件同频率沿变幅杆轴向超声振动；磨轮8由变频电机12驱动而按照电机变频调速控制系统14设定的转速稳定旋转；高速旋转的磨轮切入工件时，机械磨削与工件超声振动作用的复合，产生超声磨削复合加工作用。在机床数控系统13的指令控制下，按照设定的加工参数和加工运动轨迹，磨轮8沿Z轴向下送进，陶瓷工件7随旋转工作台1a-起绕Z轴(也是超声振动系统轴线)旋转，同时随机床工作台一起进行X、Y向运动，由此而实施磨轮对工件叶片型面的数控展成、蠕动进给、超声磨削成形加工。依据设计型面数据编制数控程序，由此而控制机床展成运动而保证成形加工的型面符合设计要求。
加工完一个型面，拔出定位销钉，松开将套筒式安装座6与分度盘2压紧的压板，将套筒式安装座6旋转一个分度角，插入定位销，重又将将套筒式安装座6压紧在分度盘2上，实施下一个叶片型面的数控展成、蠕动进给、超声磨削成形加工。如此继续，直至完成全部叶片型面，就加工完成了一个工程陶瓷整体叶轮。
Claims (2)
1.一种工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺，其特征在于：
(1)工程陶瓷工件沿Z轴方向超声振动(频率20KHz，振幅5-15μm可调)，磨轮围绕其主轴(垂直于Z轴)高速旋转(由变频电机驱动，在100-20,000r/min范围内连续可调，常用3000-20,000r/min)，由五轴联动数控系统控制、随五轴数控机床的相应部件一起，实现磨轮—工件间在X、Y、Z直线方向以及工件绕Z轴的旋转共4维的相对送进运动(送进速度0.1mm/min数量级)，则磨轮对工程陶瓷工件进行具有数控展成、蠕动进给、超声磨削共三大特征的叶片型面成形加工；
(2)采用不同直径(φ2mm-φ6mm)、不同长度(6mm-20mm)、不同形状(锥形、圆柱形)的电镀金刚石磨轮，按照加工型面的要求编制对应的数控展成运动程序，可以成形加工不同型面，具有快速响应的加工能力和适应范围广的加工柔性；
(3)在工件的超声振动方向(Z向)与展成加工运动的主送进方向(Z向)相同的条件下进行超声磨削加工，特别有利于提高加工表面质量，即表面粗糙度低、不产生微裂纹，非常有利于工程陶瓷的成形加工；
(4)采用蠕动进给超声磨削参数，即大切深(0.1mm-1mm数量级)、微进给(0.1mm/min数量级)，则容易实现延性域磨削加工，导致磨削力减小，表面粗糙度降低，无表面微裂纹。
2.一种工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺装置，包括：五轴数控机床，机床控制系统(13)，其特征在于，还包括电机变频调速控制系统(14)连于磨轮驱动系统以及超声振动系统，所述电机变频调速控制系统(14)，包括微机，分别与微机相连的数据采集卡和光电隔离器，数据采集卡的输出与变频器双向相连；所述磨轮驱动系统通过磨轮主轴安装座(15)安装在机床立轴Z向滑座(1b)上，该磨轮驱动系统，包括与电机变频调速控制系统(14)相连的调频电机(12)，调频电机(12)通过皮带轮(11)与磨轮主轴(10)相连，磨轮(8)通过弹性夹头(9)安装在磨轮主轴(10)上；所述超声振动系统，包括超声频电源(3)与压电陶瓷换能器(4)双向相连，压电陶瓷换能器(4)与其上端装有陶瓷工件(7)的变幅杆(5)下端相连，安装在套筒式安装座(6)内，套筒式安装座(6)安装在固定于机床旋转工作台(1a)上的分度盘(2)上。
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