可调切削角度的小砂轮缓进给磨削工程陶瓷的加工方法

摘要

本发明涉及可调切削角度的小砂轮缓进给磨削工程陶瓷的加工方法，属于传统机械加工领域。该方法为利用一种金刚石小砂轮的高速旋转对圆柱形工程陶瓷等硬脆材料进行缓进给磨削加工外圆柱面或锥面；切削角度小于45°时，利用小砂轮端面作为主切削面去除材料，利用小砂轮圆周面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；切削角度大于45°而小于90°时，利用小砂轮圆周面作为主切削面去除材料，利用小砂轮端面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；砂轮转速为6000～20000r/min，工件转速0～5000r/min。本发明能够实现低成本、高效率加工工程陶瓷等硬脆材料外圆柱面或锥面，且结构简单，易于操作。

权利要求

1.一种可调切削角度的小砂轮缓进给磨削工程陶瓷的加工方法，用于对工程陶瓷硬脆材料外圆柱面的加工，该小砂轮为圆台形金刚石砂轮，其特征在于：小砂轮的外径尺寸为φ10～100mm，且砂轮圆台的母线与砂轮轴线之间的夹角为θ，该夹角θ的取值范围在

0°到45°之间；加工时，使金刚石砂轮轴线与工件轴线在同一水平面或垂直面内，且按设定的切削角度α进行加工，加工过程中，当切削角度α大于0°小于45°时，采用砂轮的θ角等于切削角度α的砂轮，利用小砂轮端面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮圆周面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；当切削角度α大于45°而小于90°时，采用砂轮的θ角等于90°减去切削角度α的砂轮，利用小砂轮圆周面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮端面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；切削角度为90°时，采用砂轮的θ角为0°的砂轮，加工时利用小砂轮圆周面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮端面对已加工面进行修磨；小砂轮转速为6000～20000r/min，工件转速0～5000r/min，小砂轮进给速度范围为60～180mm/min；所述加工的过程中，在砂轮将要切入工件时选择1～2mm/min的小进给速度，切入工件2～3mm后再将砂轮进给速度提高，以防止工件加工面崩裂；在刀具将要结束切削时选择1～2mm/min的小进给速度，距离加工行程结束前2～3mm时，降低进给速度至1～2mm/min。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述加工的过程中，工件旋转方向与砂轮旋转方向相反。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述加工的过程中，一次走刀去除0～10mm厚的圆环形陶瓷材料。

说明书

可调切削角度的小砂轮缓进给磨削工程陶瓷的加工方法

技术领域

[0001] 本发明属于传统机械加工领域中的非常规加工方法，特别涉及圆柱形工程陶瓷等硬脆材料可调切削角度的缓进给磨削加工方法。

背景技术

[0002] 目前最常见的工程陶瓷等硬脆材料的外圆柱面(或锥面)加工方法仍然是传统的金刚石砂轮磨削，即采用平行砂轮往复磨削。该方法在加工过程中，一般需要使用的金刚石砂轮直径为400～500mm以上的大砂轮，且金刚石层的厚度也仅为几毫米，加工时磨损很快，导致加工费用非常昂贵，一般陶瓷工件的加工成本占总成本的70％～90％，而且由于法向磨削力的作用极易导致中位裂纹产生，使工件的强度下降，磨削深度和进给速度很难得到提高，砂轮磨损又非常严重，因而加工效率非常低。为此，很多学者都致力于开发新的高效、低成本、低损伤的工程陶瓷外圆加工方法，ELID磨削、高速深磨磨削、激光加热辅助车削、超声振动加工等特种加工和复合加工技术。

[0003] ELID磨削是一种在线修整磨削，磨削加工的同时对砂轮进行在线修整，节省了砂轮修整的时间，相比普通磨削加工，加工效率得到了提高，但仍然相对较低。

[0004] 高速深磨磨削的出现，大幅度提高了工程陶瓷的加工效率，但该方法对机床的要求非常严格：主轴功率为普通机床主轴功率的3倍左右，实验台座落在深达1m的混凝土防振隔离地基上，而且需要对砂轮进行实时动平衡。加工成本仍然很高。

[0005] 激光加热辅助加工工程陶瓷材料能够提高加工效率，但陶瓷材料在热冲击作用下易产生热震破坏，形成裂纹，而且激光设备体积一般都比较庞大，价格昂贵。

[0006] 超声振动加工或超声辅助加工能有效改变传统加工的切/磨削机制，具有独特的加工工艺效果，可使加工表面无变质层，并有效地消除硬脆材料加工表面的微裂纹等，这些特点对于提高硬脆材料零件的使用可靠性，具有极为重要的意义。但是由于成果转化缓慢、技术成熟程度差和需要超声加工专用设备等原因，加之许多研究工作还处在实验室阶段，材料去除机理还没能解释清楚，因此没能得到广泛应用和推广。

[0007] 上述外圆加工方法在一定程度上提高了工程陶瓷等硬脆材料外圆的加工效率或加工质量，但仍然存在加工效率低、加工成本高的问题，于是人们把更多的目光投向寻求高效、低成本的新的加工方法。本申请人在专利号为200910243963.3的专利中提出了一种适用于工程陶瓷等硬脆材料高效、低成本加工的轴向外圆加工方法，该方法加工时，砂轮轴线与工件轴线平行，砂轮沿工件的轴向方向进给(即切削角度α为0°)，利用圆柱砂轮进行加工，加工产生的中位裂纹的扩展发生在材料的待去除部分，对工件的基体损伤不大，因而实现了陶瓷材料的高效加工。然而该方法砂轮的进给行程受到砂轮(即专利200910243963.3中的环状车削刀具)长度的限制，而且工件未被夹持的一端没有固定，系统刚度不足。切削角度可调的小砂轮缓进给磨削加工方法正是为改善进给行程受砂轮长度限制且系统刚度不足的轴向加工方法而提出的。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为克服工程陶瓷等硬脆材料的传统加工方法存在加工效率低且成本高、进给行程受砂轮长度限制、系统刚度不足的缺点，提供一种可调切削角度的小砂轮缓进给磨削工程陶瓷等硬脆材料外圆柱面的加工方法，能够实现低成本、高效率加工工程陶瓷等硬脆材料外圆柱面，且具有加工行程不受砂轮长度限制，系统刚度好，结构简单，易于操作的优点。

[0009] 本发明提出的可调切削角度的小砂轮缓进给磨削工程陶瓷的加工方法，用于对工程陶瓷硬脆材料外圆柱面的加工，该小砂轮为圆台形金刚石砂轮，其特征在于：小砂轮的外径尺寸为φ10～100mm，且砂轮圆台的母线与砂轮轴线之间的夹角为θ，该夹角θ的取值范围在0°到45°之间；加工时，使金刚石砂轮轴线与工件轴线在同一水平面或垂直面内，且按设定的切削角度α(即工件轴线与砂轮轴线之间的夹角)进行加工，加工过程中，当切削角度α大于0°小于45°时，采用砂轮的θ角等于切削角度α的砂轮，利用小砂轮端面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮圆周面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；当切削角度α大于45°而小于90°时，采用砂轮的θ角等于90°减去切削角度α的砂轮，利用小砂轮圆周面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮端面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；切削角度为90°时，采用砂轮的θ角为0°的砂轮(即为圆柱形砂轮，称该方法为正交缓进给磨削加工方法)，加工时利用小砂轮圆周面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮端面对已加工面进行修磨；小砂轮转速为6000～20000r/min，工件转速0～5000r/min，小砂轮进给速度范围为60～180mm/min。

[0010] 所述加工的过程中，工件旋转方向与砂轮旋转方向相反。

[0011] 本发明的技术特点及效果：

[0012] 本发明利用高速旋转金刚石小砂轮缓进给磨削的方式，切削角度小于45°时，小砂轮端面磨粒主要用来去除材料，小砂轮圆周面对已加工圆柱面进行修磨；切削角度大于45°而小于90°时，小砂轮圆周面磨粒主要用来去除材料，小砂轮端面对已加工圆柱面进行修磨。该方法可以在经过改装的车床上进行，切削角度为0°或90°时也可以直接在立式钻床(或立式铣床和立式加工中心等立式机床)上进行，因此可根据自己的实际情况选用不同的设备，应用维护也比较简单，而且使用的金刚石小砂轮可以订做，有条件的也可以自制，同时砂轮尺寸比较小，直径一般小于100mm，不需要静平衡和动平衡操作。因此该方法设备投资和运行成本都较低，属于经济型加工方法。

[0013] 本发明的加工方法主要用来加工工程陶瓷等非金属硬脆材料的外圆柱面或锥面，而且进给行程不受砂轮长度限制，几乎可以加工任意长度的工程陶瓷等各种非金属难加工材料。

[0014] 本发明的加工方法可通过调整加工参数如主轴转速、进给速度、磨削深度、砂轮壁厚度、工件旋转速度、切削角度(或砂轮锥角)和主轴与工件转速比等参数来控制加工过程，从而保证加工效率和加工质量。

附图说明

[0015] 图1为本发明利用特殊金刚石砂轮加工陶瓷外圆的装置结构实施例示意图。

[0016] 图2为本发明利用特殊金刚石砂轮加工陶瓷外圆的装置结构的另一种实施例示意图。

[0017] 图3为采用本发明加工出的热压烧结Si3N4陶瓷外圆(含锥面)实例加工效果照片。

[0018] 具体实施方法

[0019] 本发明提出的可调切削角度的小砂轮缓进给磨削加工方法，结合附图及实例进一步说明如下：

[0020] 本发明的可调切削角度的小砂轮缓进给磨削工程陶瓷的加工方法，用于对工程陶瓷硬脆材料外圆柱面的加工，该小砂轮为圆台形金刚石砂轮，其特征在于：小砂轮的外径尺寸为φ10～100mm，且砂轮圆台的母线与砂轮轴线之间的夹角为θ，该夹角θ的取值范围在0°到45°之间；加工时，使金刚石砂轮轴线与工件轴线在同一水平面或垂直面内，且按设定的切削角度α(即工件轴线与砂轮轴线之间的夹角)进行加工，加工过程中，当切削角度α大于0°小于45°时，采用砂轮的θ角等于切削角度α的砂轮，利用小砂轮端面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮圆周面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；当切削角度α大于45°而小于90°时，采用砂轮的θ角等于90°减去切削角度α的砂轮，利用小砂轮圆周面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮端面作为副切削面对被加工件外圆表面进行修磨；切削角度为90°时，采用砂轮的θ角为0°的砂轮(即为圆柱形砂轮，称该方法为正交缓进给磨削加工方法)，加工时利用小砂轮圆周面作为主切削面去除被加工件外圆表面材料，利用小砂轮端面对已加工面进行修磨；小砂轮转速为6000～20000r/min，工件转速0～5000r/min，小砂轮进给速度范围为60～180mm/min。

[0021] 所述加工的过程中，工件旋转方向与砂轮旋转方向相反。

[0022] 本发明所选用的金刚石砂轮直径根据待加工工件的直径选取，在满足加工的前提下，砂轮外径尺寸比工件原始尺寸大、小或相等。所选用的金刚石砂轮的长度可根据加工需要选取，在满足加工的前提下，砂轮长度越短越好。

[0023] 本发明方法采用的一种加工装置实施例如图1所示，主要由床身11、导轨12、中托板13、工件14、三爪卡盘15、主轴箱16、金刚石砂轮17、高速电机18和尾座19组成，工件14装夹在三爪卡盘15上，金刚石砂轮17装夹在高速电机18输出轴上，图中工件14轴线与砂轮17轴线的夹角即为切削角度α。该装置可以通过对普通车床简单改造后得到，改造方法为：将普通车床的中托板13上的可旋转刀架卸下，安装一个高速电机18用以供给砂轮17高速旋转。安装时，保证高速电机18输出轴中心线与车床三爪卡盘15的中心线等高。同时，为保证加工和进给的精确度，且方便操作，可以选择对车床进行数字化改造或者直接对数控车床进行改造，本发明的试验阶段是在经过再制造和数字化改造过的普通车床上进行的。

[0024] 本发明采用上述装置的加工方法为：工件以一定速度相对于金刚石砂轮旋转方向(即高速电机输出轴的旋转方向)的反方向旋转，主轴转速12000rpm时，进给速度可以达到3
60mm/min，去除率为2241.96mm/min，实现了陶瓷外圆的高效加工。为防止工件入口端部崩裂，可以在砂轮将要切入工件时选择小的进给速度(如1～2mm/min)，切入工件2～3mm后再将砂轮进给速度提高。为防止工件加工面崩裂，可以在刀具将要结束切削时选择小的进给速度(如1～2mm/min)，距离加工行程结束前2～3mm时即可降低进给速度至1～2mm/min。一次走刀可以去除0～10mm厚的圆环形陶瓷材料，从而可得到任意尺寸的圆柱形陶瓷工件。

[0025] 当切削角度为90°时，本发明方法可以采用的另一种加工装置实施例如图2所示，主要由床身21、工作台22、低速电机23、三爪卡盘24、金刚石砂轮25、主轴箱26、工件27和尾座28组成，它是在已有的立式铣削加工中心的工作台上放置一低速电机23改制而成，放置电机23时保证电机轴线与三爪卡盘24轴线重合。工件27装夹在夹具24上，金刚石砂轮25装夹在主轴箱26的输出端的夹具上。本发明方法也可用于立式铣床(或立式铣削加工中心)和立式钻床(或立式钻削加工中心)。可以根据具体情况选择不同的装置，具有一定的通用性。

[0026] 图3为本发明试验阶段加工出的工件照片。试件31为加工出的台阶轴，直径最小端(包括锥面部分)311直径为21mm、长度为32.7mm，其中锥面部分长度为3.73mm；中间部分312直径为23mm、长度为9.3mm；直径最大端313直径为27mm、长度为27mm。