專利名稱：用于陶瓷外圓加工的環狀車削刀具及其軸向加工方法
技術領域：
本發明屬于機械加工中非傳統加工技術領域，特別涉及用于陶瓷外圓加工的環狀
軸向車削刀具及其加工方法。
背景技術：
目前工程陶瓷外圓的加工方法主要是采用傳統的金剛石砂輪磨削，效率低且成本高。很多學者都致力于開發新的高效、低成本、低損傷的陶瓷外圓加工方法。經過幾十年的發展，在普通磨削加工技術的基礎上，開發了高速(超高速)磨削、ELID磨削、激光加熱輔助車削、超聲振動車削、磨料水射流車削等特種加工和復合加工技術。 高速(超高速)磨削和ELID磨削仍是基于磨削的方式加工外圓，相比普通磨削加工，加工效率雖有所提高，但是仍然相對較低。 激光加熱輔助加工工程陶瓷材料，從能量密度(高達108 1(TW/cm2)的角度考慮是可行的，美國Purdue大學的Shin Yung C. 、 Powell P. N.等人在1997-2000年采用激光加熱切削陶瓷獲得成功，成本降低50%。但是早在1983年，美國南加州大學的Copley等學者就發現激光燒蝕加工會在材料的加工區域產生微裂紋，必須進行加工后處理；哈爾濱工業大學王揚、袁哲俊等在2000年也提出，激光加熱輔助切削會使陶瓷材料在熱沖擊作用下產生熱震破壞，形成裂紋，同時也存在刀具被加熱硬度因此下降的問題。且該方法設備體積龐大，價格昂貴，因此一直未得到應用。 超聲振動加工能有效地改變傳統加工的切削機制，具有獨特的加工工藝效果，如超聲振動可大幅度減少切削力和切削熱、微分切削軌跡、細化加工表面，并可使加工表面無變質層，可有效地消除硬脆材料加工表面的微裂紋等，這些特點對于提高硬脆材料零件的使用可靠性，具有極為重要的意義。大量實踐證明，當在加工工具或工件上附加了超聲振動后，材料在加工過程中的變形行為、加工機制和工具受力狀態等就會發生完全不同于常規機械加工的變化。如超聲振動切削時，其切削力只有普通切削的1/3 1/10，被加工表面的溫度因此大幅度降低，從而有效地降低表面粗糙度和顯著地提高加工精度，大幅度地提高刀具的使用壽命；裝甲兵工程學院吳志遠等使用CBN刀具超聲振動車削等離子噴涂陶瓷涂層時的有效切削時間長達160min，是普通車削的4倍。但是由于成果轉化緩慢、技術成熟程度差和需要超聲加工專用設備等原因，加之許多研究工作還處在實驗室階段，因此沒有在生產上得到廣泛的應用和推廣。 高壓水射流技術是近30年來發展起來的一門新技術，其應用目趨廣泛。它是一種新型的特種加工方法，屬于冷加工技術，具有其他加工方法所沒有的工件上無熱影響區、加工力小、加工范圍廣和可加工復雜形狀等優點，所以它的發展為難加工材料提供了切實可行的手段，特別是在加工陶瓷和玻璃等脆性材料及復合材料、鈦合金等材料方面顯示出巨大的潛力。M. Hashish提出了把磨料水射流技術用于車削加工，通過車削硬的難加工材料如碳金屬復合材料、玻璃、陶瓷，結果表明，用磨料水射流車削可加工出復雜形狀的工件，并可獲得高的材料去除率，加工表面沒有任何微觀結構變化。Ansari研究發現磨料水射流車削對于難加工材料來說要優于普通車床，如加工碳化鈦比普通車床速度快5 10倍。但其成本高、加工精度低、噴嘴磨損嚴重，而且磨料水射流加工機理到目前為止也沒有形成統一的結論，對于磨料水射流加工表面的完整性如表面硬度變化、表面殘余應力及表面微觀結構的變化等方面的研究很少，致使其應用受到很大限制。 以上幾種工程陶瓷外圓的加工方法，雖然在一定程度上提高了加工效率或加工質量，但改進幅度有限，且加工成本仍然比較高。于是人們把更多的目光投向尋求高效、低成本的新的加工方法。

發明內容
本發明的目的是為克服加工陶瓷等硬脆材料的傳統方法存在加工效率低、成本高的缺點，提供一種旋轉環狀刀具軸向車削陶瓷外圓的加工方法及裝置，能夠實現高效率加工工程陶瓷材料外圓，且結構簡單，易于操作，成本較低。 本發明提出的用于陶瓷外圓加工的環狀車削刀具，其特征在于，該刀具主要由依次共軸連成一體的刀柄、刀體和刀頭組成，所述刀柄、刀體和刀頭均為為空心圓管，刀體壁上開有平衡槽；所述刀頭由刀齒、兩刀齒之間形成的通槽和在刀齒內表面加工有的齒槽組成。
本發明提出的采用如上述環狀刀具對陶瓷外圓的加工方法，其特征在于該方法為利用所述環狀刀具高速旋轉對圓柱形陶瓷材料進行軸向車削加工外圓；利用該環狀刀具的刀頭底端面作為主切削面去除材料，利用環狀刀具刀頭內表面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨。刀具轉速為4000 20000r/min，工件轉速0 5000r/min。
本發明的技術特點及效果 本發明利用高速旋轉環狀刀具軸向進給車削的方式，刀具端部磨粒(或刀齒)用來去除材料，刀頭部分內圓表面磨粒對已加工圓柱面進行修磨。該方法可以在稍做改裝的車床上進行，也可以直接在鉆床(或立式銑床和立式加工中心)上進行，因此可根據自己的實際情況選用不同的設備，應用維護也比較簡單，而且使用的環狀刀具可以訂做或用在市場上可以購買到的空心鉆代替。因此該方法設備投資和運行成本都較低，屬于經濟型加工方法。 本發明的加工方法主要用來加工工程陶瓷等非金屬硬脆材料的外圓，幾乎可以加工任何非金屬難加工材料。 本發明的加工方法可通過調整加工參數如進給速度、主軸轉速、環狀刀具刀齒數、環狀刀具刀壁厚度、刀具與工件旋轉速度等參數來控制加工過程，從而保證加工效率和加
工質量。


圖1為本發明使用的環狀刀具半部剖視 圖2為圖1的環狀刀具俯視圖。
圖3為本發明利用環狀刀具加工陶瓷外圓的裝置結構實施例示意圖。 圖4為本發明利用環狀刀具加工陶瓷外圓的裝置結構的另一種實施例示意圖。 圖5為采用本發明加工出的Si3N4陶瓷外圓實例照片。
具體實施方法 本發明提出的用于陶瓷外圓加工的環狀車削刀具及其軸向加工方法，結合附圖及實例進一步說明如下 本發明的用于陶瓷外圓加工的環狀車削刀具結構如圖1、2所示，該刀具主要由依次共軸連成一體的刀柄11、刀體12和刀頭14組成，刀柄11、刀體12和刀頭14均為為空心圓管，刀體12壁上開有平衡槽13 ;刀頭14由刀齒141、兩刀齒之間形成的通槽142和在刀齒內表面開有的齒槽143組成。平衡槽13主要平衡加工時刀體內外部氣壓，同時冷卻液也可以由此進入，從內部冷卻潤滑刀具和工件；刀齒141起切削作用；通槽142使加工具有斷續加工的特點，可以提高冷卻和潤滑效果，降低工具磨損，也可以臨時存儲切削；齒槽143是從刀齒內壁上加工出的冷卻槽，可以改善內壁對工件修磨的冷卻效果，同時也使刀體內部從刀頭處與外界形成通路，提高了排屑能力和冷卻效果。刀體材料為鑄鐵；刀頭為直接在刀體端部電鍍(或釬焊、燒結等)金剛石顆粒(金剛石粒度和濃度可根據加工需要自行選取)，刀頭也可以采用金剛石刀片，焊接或通過螺栓固定在刀體上。依據試驗結論刀齒的理想齒數可為2 20個(圖中為6個齒)，均勻分布，刀頭部分理想壁厚可為2 10mm。刀齒內表面的齒槽寬可為齒寬的0. 3 0. 5倍，齒槽底面與刀體內表面在同一圓柱面上。
本發明的環狀軸向車削刀具用于陶瓷外圓加工的方法，其特征在于，該方法為利用所述環狀刀具高速旋轉對圓柱形陶瓷材料進行軸向車削加工外圓；利用該環狀刀具的刀頭底端面作為主切削面去除材料，利用環狀刀具刀頭內表面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；刀具轉速為4000 20000r/min，工件轉速0 5000r/min。
當加工的過程中，工件旋轉時，其旋轉方向與環狀刀具旋轉方向相反，可以達到更好的切削效果。 本發明刀具的選擇可以根據工件的尺寸選擇。選擇的原則是圓柱工件的已加工部分的直徑尺寸等于或小于刀具刀頭內徑尺寸，刀具外徑尺寸比工件原始尺寸大、小或相等均可。 當圓柱工件的已加工部分直徑尺寸等于刀具刀頭內徑尺寸時，設置刀具的中心軸線與工件的中心軸線在同一水平面或垂直面上；當圓柱工件的已加工部分直徑尺寸小于刀具刀頭內徑尺寸時，設置刀具中心軸線的與工件的中心軸線的垂直高度或水平高度有一距離，該距離值為圓柱工件的已加工部分直徑尺寸與刀具刀頭內徑尺寸之差的二分之一。
工件的已加工部分尺寸等于刀具內徑時，刀具的內表面全部參與切削對工件進行修磨；工件的已加工部分尺寸小于刀具內徑時，刀具的內表面只有局部參與切削對工件進行修磨。刀具外徑尺寸大于或等于工件原始尺寸時，刀具外表面磨粒不參與切削；刀具外徑小于工件原始尺寸時(只允許小于1 2mm，此時，外部材料在刀具外表面磨粒的切削作用下自動去除；若過大，刀具外表面磨粒的切削作用不足以將外部材料全部去除，需要后續再加工，且切削力增加很多，加工質量也不好。)，刀具外表面參與切削。刀頭與刀體的的長度之和應大于等于工件需加工的部分的長度。 本發明方法采用的加工裝置實施例如圖3所示，主要由床身31、導軌32、中托板33、電機34、三爪卡盤35、數控面板36和主軸箱37組成，工件38裝夾在三爪卡盤35上，環形刀具裝在電機34輸出軸的夾具上。該裝置可以通過對普通車床簡單改造后得到，改造方法為將中托板33上的刀架卸下，安裝一個高速電機34用以供給刀具高速旋轉。安裝時，保證高速電機34輸出軸中心線與車床三爪卡盤35的中心線等高。同時，為保證加工和進給的精確度，且方便操作，可以選擇對車床進行數字化改造，本發明的試驗階段是在數字化改造過的車床上進行的。 本發明采用上述裝置的加工方法為工件靜止或以一定速度相對于刀具旋轉方向(即高速電機輸出軸的旋轉方向)的反方向旋轉。工件靜止時，加工外徑為小20的氮化硅陶瓷圓柱材料，在保證加工平穩和加工面不出現較大崩裂的前提下，刀具主軸轉速6000rpm時，進給速度可以達到14mm/min，去除率為2241. 96mmVmin，實現了陶瓷外圓的高效加工。為保證圓柱的已加工部分與未加工部分具有較高的同軸度，可以在加工時讓工件以一定的速度與刀具反方向旋轉。為防止工件入口端部崩裂，可以在刀具將要切入時選擇小的進給速度(如l 2mm/min)，切入工件2 3mm后再提高進給速度。為防止工件加工面崩裂，可以在刀具將要結束切削時選擇小的進給速度(如1 2mm/min)，距離加工行程結束前2 3mm時即可降低進給速度。 一次走刀可以去除O. 1 10mm厚的圓環形陶瓷材料，從而可得到任意尺寸的圓柱形陶瓷工件。 本發明方法采用的另一種加工裝置實施例如圖4所示，主要由床身41 、立柱42、主軸箱43、夾具44、電機45、工作臺46和滑板47組成，它是在已有的立式銑削加工中心的工作臺上放置一高速電機改制而成。工件48裝夾在夾具44上，環形刀具49裝在主軸箱43的輸出端的夾具上。本發明方法也可用于立式銑床(或立式銑削加工中心)和立式鉆床(或立式鉆削加工中心)。可以根據具體情況選擇不同的裝置，具有一定的通用性。
圖5為本發明試驗階段用小20的圓環刀具(刀壁厚為3mm)加工出的工件照片。試件51為加工出的臺階軸，未加工部分512直徑為20mm，加工后部分511直徑為14mm、長度為42mm。試件52為加工出的一根長40mm的光軸。
權利要求
一種用于陶瓷外圓加工的環狀車削刀具，其特征在于，該刀具主要由依次共軸連成一體的刀柄、刀體和刀頭組成，所述刀柄、刀體和刀頭均為空心圓管，刀體壁上開有平衡槽；所述刀頭由刀齒、兩刀齒之間形成的通槽和在刀齒內表面加工有的齒槽組成。
2. 如權利要求1所述刀具，其特征在于所述齒槽寬為齒寬的0. 3 0. 5倍，齒槽底面 與刀體內表面在同一圓柱面上。
3. 如權利要求1所述的刀具，其特征在于，所述刀齒的齒數為2 20個，均勻分布，刀 頭部分壁厚為2 10mm。
4. 如權利要求l所述的刀具，其特征在于，所述刀體的材料為鑄鐵；刀頭為直接在刀體 端部上電鍍、釬焊或燒結金剛石顆粒，或采用金剛石刀片作為刀頭，焊接或通過螺栓固定在 刀體上。
5. —種采用如權利要求1所述環狀刀具對陶瓷外圓的加工方法，其特征在于該方法 為利用所述環狀刀具高速旋轉對圓柱形陶瓷材料進行軸向車削加工外圓；利用該環狀刀具 的刀頭底端面作為主切削面去除材料，利用環狀刀具刀頭內表面作為副切削面對被加工件 外圓表面進行修磨；刀具轉速為4000 20000r/min，工件轉速0 5000r/min。
6. 如權利要求5所述方法，其特征在于所述加工的過程中，工件旋轉時，其旋轉方向 與環狀刀具旋轉方向相反。
7. 如權利要求5所述方法，其特征在于當圓柱工件的已加工部分直徑尺寸等于刀具 刀頭內徑尺寸時，設置刀具中心軸線的與工件的中心軸線在同一水平面或垂直面上；當圓 柱工件的已加工部分直徑尺寸小于刀具刀頭內徑尺寸時，設置刀具的中心軸線與工件的中 心軸線的垂直高度或水平高度有一距離，該距離值為圓柱工件的已加工部分直徑尺寸與刀 具刀頭內徑尺寸之差的二分之一。
全文摘要
本發明涉及用于陶瓷外圓加工的環狀車削刀具及其軸向加工方法，屬于機械加工中的非傳統加工領域。該刀具主要由依次共軸連成一體的刀柄、刀體和刀頭組成，所述刀柄、刀體和刀頭均為空心圓管，刀體壁上開有平衡槽；所述刀頭由刀齒、兩刀齒之間形成的通槽和在刀齒內表面加工有的齒槽組成。該方法為利用所述環狀刀具高速旋轉對圓柱形陶瓷材料進行軸向車削加工外圓；利用該環狀刀具的刀頭底端面作為主切削面去除材料，利用環狀刀具刀頭內表面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；刀具轉速為4000～20000r/min，工件轉速0～5000r/min。本發明能夠實現高效率加工工程陶瓷材料外圓，且結構簡單，易于操作，成本較低。
文檔編號B24B5/10GK101774139SQ20091024396
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者劉超, 張保國, 楊俊飛, 田欣利, 郭昉, 閔娟 申請人:田欣利;郭昉