基於裂紋擴展效應的陶瓷切割‑推磨複合式平面加工方法與流程

2023-05-15 01:31:21

本發明屬於工程陶瓷的粗加工技術領域，特別涉及到基於裂紋擴展效應,切割-推磨複合式工程陶瓷(如SiC、AL2O3、Si3N4、ZrO2、莫來石等)大餘量去除加工平面的方法。

背景技術：

近年來，原有應用領域的不斷拓展、新型陶瓷的大量開發與應用，使工程陶瓷在工業中發揮著越來越重要的作用，由於陶瓷燒結後存在收縮變形難以控制，無法直接使用，所以必須要經過機械加工達到尺寸精度。目前，工程陶瓷加工工藝的80％是採用金剛石砂輪進行磨削加工的，由於金剛石砂輪磨損嚴重，加工成本佔到陶瓷工件總成本的80％－90％，並且存在加工效率低，成本高的問題。而且陶瓷工件在加工過程中總是伴隨裂紋的生成與擴展，而這種裂紋的生成與擴展總是隨機的、不確定的，因而對陶瓷製品的加工質量造成影響，比如極易造成加工過程中邊緣碎裂的產生，導致陶瓷工件的廢品率居高不下。

為了解決上述問題，現有的基於裂紋擴展效應的陶瓷切割-推擠複合式圓柱面加工技術可用於加工陶瓷圓柱面，在利用陶瓷裂紋擴展特性的同時，並且可以獲得低加工成本和高加工效率。然而，該技術並不能直接應用到陶瓷平面的加工中，主要原因為：第一，圓柱陶瓷工件可以圍繞軸線做高速旋轉運動，因此，圓柱面陶瓷加工工具(如車刀、砂輪等)不需要有高的磨削線速度(指磨削時磨粒相對工件的切削速度，至少應達到22m/s)，就能實現凸緣層的去除加工，這一高的磨削線速度對平面工件難以實現，因而該技術不能直接應用到平面陶瓷的加工中；第二，加工圓柱面陶瓷凸緣時，加工工具的推磨方向與陶瓷凸緣面垂直，圓柱陶瓷在旋轉過程中，就能實現凸緣面的加工去除，而在平面陶瓷的加工中，必須重新考慮工件的進給運動，因而該技術不能直接應用到平面陶瓷的加工中。

工程陶瓷的平面磨削可採用連續軸向進給方法。工程陶瓷在連續軸向進給時的磨削有自己的特點。這種加工方法是在MM7132型臥軸矩臺平面磨床上進行的，磨削液為水基磨削液，砂輪為樹脂結合劑金剛石砂輪，粒度為140#。將砂輪安裝到電動機後，設定砂輪轉速，磨削的軸向進給速度和往復速度，即可完成對平面陶瓷的磨削。然而，該方法不宜用於精磨，且存在砂輪磨損量較大，加工效率不高等問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提出一種基於裂紋擴展效應的陶瓷切割-推磨複合式平面加工方法，本方法具有降低砂輪磨損、降低加工成本、提高加工效率、易於實現的特點，可進一步推動工程陶瓷的工程實際應用。

本發明提出的一種基於裂紋擴展效應的陶瓷切割-推磨複合式平面加工方法其特徵在於，首先在平板陶瓷工件上預加工出平行溝槽，再轉動一個加工角度形成斜向平行凸緣，在刀具的推擠作用下使裂紋擴展，最終驅動裂紋聯網破碎使凸緣去除。

所述的加工方法具體包括以下步驟：

(1)在平板陶瓷工件上按加工需要採用砂輪片預加工出平行溝槽形成平行凸緣，設定凸緣高度為h、凸緣壁厚為b；

(2)相對進給方向將陶瓷工件轉動一個加工角度β，形成斜向平行凸緣；

(3)用推磨砂輪進行單道斜向凸緣的推磨；推磨砂輪以轉速n轉動，砂輪端面接觸凸緣，推磨砂輪以速度v帶動凸緣做進給運動，且保持凸緣與推磨砂輪端面之間的夾角為β，以此完成一個單道凸緣的推磨；將所述速度v分解為軸向推磨速度vx和徑向推磨速度vy，設沿著凸緣的速度v與徑向推磨速度vy之間的夾角為α，則：β≤α≤β+5°，5°≤β≤45°；

(4)不斷重複步驟(3)中單道斜向凸緣的推磨過程，繼續加工剩餘的凸緣，直至完成最終的加工。

所述步驟(1)中凸緣壁厚b介於2mm～5mm之間；所述凸緣高度h大於1.5mm，當h大於6mm時，採用多次切割換進給的方式進行加工，且單次切槽槽深介於1.5mm～6mm之間。

所述步驟(3)中採用的推磨砂輪為中部設有柄的柱狀砂輪，柄的直徑大於13mm，該推磨砂輪端面和柱面均鍍有金剛石顆粒，推磨砂輪的直徑為50mm～90mm，推磨砂輪的轉速n>5000r/min，所述速度v為0.96～2.88mm/min。

本發明的特點及有益效果是：

本發明是基於裂紋擴展效應的陶瓷切割-推磨複合式圓柱面加工方法的擴展，提出斜向預加工凸緣再斜向推磨的加工方法，具有降低砂輪磨損、降低加工成本、提高加工效率、易於實現的特點。

通過預設溝槽缺陷的方式，利用陶瓷等硬脆材料裂紋極易擴展的特點，變壞事為好事，首先用金剛石砂輪片切割溝槽，在切槽過程中在凸緣表面和底部形成了許多微裂紋，再在刀具的推擠下，驅動裂紋快速聯網碎裂，從而，減少砂輪磨損，降低加工成本。

附圖說明

圖1本發明方法的單道凸緣斜向推磨過程示意圖；

圖2為本發明方法的加工原理示意圖。

具體實施方式

下面通過具體的實施例及附圖，對本發明的技術方案作進一步的詳細說明。

本發明提出一種基於裂紋擴展效應的陶瓷切割-推磨複合式平面加工方法，在圓柱面加工方法的基礎上加以改進，是一項針對工程陶瓷等硬脆材料的較大餘量粗加工方法，通過在平板陶瓷工件上預加工出斜向溝槽的同時預製微裂紋缺陷的方式，合理設置推磨預加工凸緣的斜向加工角度，利用硬脆材料裂紋極易擴展的特點，在刀具的推擠作用下使裂紋瞬間擴展，最終驅動裂紋聯網破碎，從而實現凸緣去除。

所述的基於裂紋擴展效應的陶瓷切割-推磨複合式平面加工方法，具體包括以下步驟：

(1)在平面陶瓷工件上按加工需要採用金剛石砂輪片預先加工平行的溝槽形成凸緣，凸緣高度為h、凸緣壁厚為b；為保證加工效果，凸緣高度h應大於1.5mm，當槽深較大時，可採用多次切割換進給的方式進行加工，為避免切削砂輪過度磨損而報廢並考慮到施工安全，單次切槽深度h』必須小於6mm，而槽深太小又會影響加工效率，因此單次切槽時h』最佳值應為1.5mm～6mm之間；凸緣壁厚b應介於2mm-5mm之間；所述切削砂輪為常規的通用電鍍金剛石砂輪片；

(2)相對進給方向將陶瓷工件轉動一個加工角度β，形成斜向平行凸緣，以便刀具進給時能把凸緣整排去除；

(3)用推磨砂輪進行單道斜向凸緣的推磨(做進給運動)，如圖1所示；推磨時，為保證加工的連續性，推磨砂輪以轉速n(r/min)轉動，砂輪端面3接觸凸緣，推磨砂輪以速度v帶動凸緣做進給運動，且保持凸緣與推磨砂輪端面3之間的夾角為β，以此完成一個單道凸緣的推磨；將所述速度v分解為軸向推磨速度vx和徑向推磨速度vy，設沿著凸緣的速度v與徑向推磨速度vy之間的夾角為α，則：β≤α≤β+5°，5°≤β≤45°；該步驟中所採用推磨砂輪為中部設有柄1的柱狀砂輪，為避免推磨時柄1徑向剛度不夠而造成推磨砂輪的震顫，所述柄1直徑應大於13mm；該推磨砂輪的端面(即底部)3和柱面2均鍍有金剛石顆粒，粒度為100目左右，推磨砂輪的直徑為50mm～90mm，為保證去除效果，推磨砂輪圓周磨粒的轉動線速度應達到20m/s以上；同時，為避免推磨砂輪壽命和安全，並保證加工效果，所述速度v為0.96～2.88mm/min(對應數控工具機編程進給速度F1-F3)；該工序中，凸緣在推磨砂輪的磨削和推擠作用下大量去除，同時由於砂輪端面和外圓表面均有砂粒，所以在端面推擠凸緣的同時，外圓部分對已推擠表面進行磨削，使工件表面質量滿足基本要求；

(4)不斷重複步驟(3)中單道斜向凸緣的推磨過程，繼續加工剩餘的凸緣，直至完成最終的加工。

所述的工程陶瓷工件材料可包括氮化矽、氧化鋁、氧化鋯、碳化矽以及莫來石。

本發明的主要原理是：

該技術本質上是利用暗含微裂紋缺陷的陶瓷凸緣在受到推擠外力作用時，極易發生裂紋交織擴展實現主要部分的材料去除，如圖2所示，同時推磨砂輪端面和圓柱面的金剛石顆粒對凸緣4裂紋擴展後的殘餘部分實現磨削去除，從而改善了表面加工質量。