專利名稱：可調切削角度的小砂輪緩進給磨削工程陶瓷的加工方法
可調切削角度的小砂輪緩進給磨削工程陶瓷的加工方法技術領域
本發明屬于傳統機械加工領域中的非常規加工方法，特別涉及圓柱形工程陶瓷等硬脆材料可調切削角度的緩進給磨削加工方法。
背景技術：
目前最常見的工程陶瓷等硬脆材料的外圓柱面(或錐面)加工方法仍然是傳統的金剛石砂輪磨削，即采用平行砂輪往復磨削。該方法在加工過程中，一般需要使用的金剛石砂輪直徑為400 500mm以上的大砂輪，且金剛石層的厚度也僅為幾毫米，加工時磨損很快，導致加工費用非常昂貴，一般陶瓷工件的加工成本占總成本的70% 90%，而且由于法向磨削力的作用極易導致中位裂紋產生，使工件的強度下降，磨削深度和進給速度很難得到提高，砂輪磨損又非常嚴重，因而加工效率非常低。為此，很多學者都致力于開發新的高效、低成本、低損傷的工程陶瓷外圓加工方法，ELID磨削、高速深磨磨削、激光加熱輔助車削、超聲振動加工等特種加工和復合加工技術。
ELID磨削是一種在線修整磨削，磨削加工的同時對砂輪進行在線修整，節省了砂輪修整的時間，相比普通磨削加工，加工效率得到了提高，但仍然相對較低。
高速深磨磨削的出現，大幅度提高了工程陶瓷的加工效率，但該方法對機床的要求非常嚴格主軸功率為普通機床主軸功率的3倍左右，實驗臺座落在深達Im的混凝土防振隔離地基上，而且需要對砂輪進行實時動平衡。加工成本仍然很高。
激光加熱輔助加工工程陶瓷材料能夠提高加工效率，但陶瓷材料在熱沖擊作用下易產生熱震破壞，形成裂紋，而且激光設備體積一般都比較龐大，價格昂貴。
超聲振動加工或超聲輔助加工能有效改變傳統加工的切/磨削機制，具有獨特的加工工藝效果，可使加工表面無變質層，并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。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， 材料去除機理還沒能解釋清楚，因此沒能得到廣泛應用和推廣。
上述外圓加工方法在一定程度上提高了工程陶瓷等硬脆材料外圓的加工效率或加工質量，但仍然存在加工效率低、加工成本高的問題，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。本申請人在專利號為200910M3963.3的專利中提出了一種適用于工程陶瓷等硬脆材料高效、低成本加工的軸向外圓加工方法，該方法加工時，砂輪軸線與工件軸線平行，砂輪沿工件的軸向方向進給(即切削角度α為0° )，利用圓柱砂輪進行加工，加工產生的中位裂紋的擴展發生在材料的待去除部分，對工件的基體損傷不大，因而實現了陶瓷材料的高效加工。然而該方法砂輪的進給行程受到砂輪(即專利 200910Μ3963.3中的環狀車削刀具)長度的限制，而且工件未被夾持的一端沒有固定，系統剛度不足。切削角度可調的小砂輪緩進給磨削加工方法正是為改善進給行程受砂輪長度限制且系統剛度不足的軸向加工方法而提出的。發明內容
本發明的目的是為克服工程陶瓷等硬脆材料的傳統加工方法存在加工效率低且成本高、進給行程受砂輪長度限制、系統剛度不足的缺點，提供一種可調切削角度的小砂輪緩進給磨削工程陶瓷等硬脆材料外圓柱面的加工方法，能夠實現低成本、高效率加工工程陶瓷等硬脆材料外圓柱面，且具有加工行程不受砂輪長度限制，系統剛度好，結構簡單，易于操作的優點。
本發明提出的可調切削角度的小砂輪緩進給磨削工程陶瓷的加工方法，用于對工程陶瓷硬脆材料外圓柱面的加工，該小砂輪為圓臺形金剛石砂輪，其特征在于小砂輪的外徑尺寸為Φ 10 100mm，且砂輪圓臺的母線與砂輪軸線之間的夾角為θ，該夾角θ的取值范圍在0°到45°之間；加工時，使金剛石砂輪軸線與工件軸線在同一水平面或垂直面內， 且按設定的切削角度α (即工件軸線與砂輪軸線之間的夾角)進行加工，加工過程中，當切削角度α大于0°小于45°時，采用砂輪的θ角等于切削角度α的砂輪，利用小砂輪端面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪圓周面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；當切削角度α大于45°而小于90°時，采用砂輪的θ角等于90°減去切削角度α的砂輪，利用小砂輪圓周面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪端面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；切削角度為90°時，采用砂輪的 θ角為0°的砂輪(即為圓柱形砂輪，稱該方法為正交緩進給磨削加工方法)，加工時利用小砂輪圓周面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪端面對已加工面進行修磨；小砂輪轉速為6000 20000r/min，工件轉速0 5000r/min，小砂輪進給速度范圍為 60 180mm/mino
所述加工的過程中，工件旋轉方向與砂輪旋轉方向相反。
本發明的技術特點及效果
本發明利用高速旋轉金剛石小砂輪緩進給磨削的方式，切削角度小于45°時，小砂輪端面磨粒主要用來去除材料，小砂輪圓周面對已加工圓柱面進行修磨；切削角度大于 45°而小于90°時，小砂輪圓周面磨粒主要用來去除材料，小砂輪端面對已加工圓柱面進行修磨。該方法可以在經過改裝的車床上進行，切削角度為0°或90°時也可以直接在立式鉆床(或立式銑床和立式加工中心等立式機床)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，而且使用的金剛石小砂輪可以訂做，有條件的也可以自制，同時砂輪尺寸比較小，直徑一般小于100mm，不需要靜平衡和動平衡操作。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柱面或錐面， 而且進給行程不受砂輪長度限制，幾乎可以加工任意長度的工程陶瓷等各種非金屬難加工材料。
本發明的加工方法可通過調整加工參數如主軸轉速、進給速度、磨削深度、砂輪壁厚度、工件旋轉速度、切削角度(或砂輪錐角)和主軸與工件轉速比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為本發明利用特殊金剛石砂輪加工陶瓷外圓的裝置結構實施例示意圖。
圖2為本發明利用特殊金剛石砂輪加工陶瓷外圓的裝置結構的另一種實施例示意圖。
圖3為采用本發明加工出的熱壓燒結Si3N4陶瓷外圓(含錐面)實例加工效果照片。
具體實施方法
技術領域：
本發明提出的可調切削角度的小砂輪緩進給磨削加工方法，結合附圖及實例進一步說明如下
本發明的可調切削角度的小砂輪緩進給磨削工程陶瓷的加工方法，用于對工程陶瓷硬脆材料外圓柱面的加工，該小砂輪為圓臺形金剛石砂輪，其特征在于小砂輪的外徑尺寸為Φ 10 100mm，且砂輪圓臺的母線與砂輪軸線之間的夾角為θ，該夾角θ的取值范圍在0°到45°之間；加工時，使金剛石砂輪軸線與工件軸線在同一水平面或垂直面內，且按設定的切削角度α (即工件軸線與砂輪軸線之間的夾角)進行加工，加工過程中，當切削角度α大于0°小于45°時，采用砂輪的θ角等于切削角度α的砂輪，利用小砂輪端面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪圓周面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；當切削角度α大于45°而小于90°時，采用砂輪的θ角等于90°減去切削角度α的砂輪，利用小砂輪圓周面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪端面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；切削角度為90°時，采用砂輪的θ 角為0°的砂輪(即為圓柱形砂輪，稱該方法為正交緩進給磨削加工方法)，加工時利用小砂輪圓周面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪端面對已加工面進行修磨；小砂輪轉速為6000 20000r/min，工件轉速0 5000r/min，小砂輪進給速度范圍為 60 180mm/mino
所述加工的過程中，工件旋轉方向與砂輪旋轉方向相反。
本發明所選用的金剛石砂輪直徑根據待加工工件的直徑選取，在滿足加工的前提下，砂輪外徑尺寸比工件原始尺寸大、小或相等。所選用的金剛石砂輪的長度可根據加工需要選取，在滿足加工的前提下，砂輪長度越短越好。
本發明方法采用的一種加工裝置實施例如圖1所示，主要由床身11、導軌12、中托板13、工件14、三爪卡盤15、主軸箱16、金剛石砂輪17、高速電機18和尾座19組成，工件14 裝夾在三爪卡盤15上，金剛石砂輪17裝夾在高速電機18輸出軸上，圖中工件14軸線與砂輪17軸線的夾角即為切削角度α。該裝置可以通過對普通車床簡單改造后得到，改造方法為將普通車床的中托板13上的可旋轉刀架卸下，安裝一個高速電機18用以供給砂輪17 高速旋轉。安裝時，保證高速電機18輸出軸中心線與車床三爪卡盤15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或者直接對數控車床進行改造，本發明的試驗階段是在經過再制造和數字化改造過的普通車床上進行的。
本發明采用上述裝置的加工方法為工件以一定速度相對于金剛石砂輪旋轉方向 (即高速電機輸出軸的旋轉方向)的反方向旋轉，主軸轉速12000rpm時，進給速度可以達到 60mm/min，去除率為2241. 96mm7min，實現了陶瓷外圓的高效加工。為防止工件入口端部崩裂，可以在砂輪將要切入工件時選擇小的進給速度(如1 2mm/min)，切入工件2 3mm后再將砂輪進給速度提高。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至1 2mm/ min。一次走刀可以去除0 IOmm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。
當切削角度為90°時，本發明方法可以采用的另一種加工裝置實施例如圖2所示，主要由床身21、工作臺22、低速電機23、三爪卡盤M、金剛石砂輪25、主軸箱沈、工件27 和尾座觀組成，它是在已有的立式銑削加工中心的工作臺上放置一低速電機23改制而成， 放置電機23時保證電機軸線與三爪卡盤M軸線重合。工件27裝夾在夾具M上，金剛石砂輪25裝夾在主軸箱沈的輸出端的夾具上。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)?？梢愿鶕唧w情況選擇不同的裝置，具有一定的通用性。
圖3為本發明試驗階段加工出的工件照片。試件31為加工出的臺階軸，直徑最小端(包括錐面部分)311直徑為21mm、長度為32. 7mm，其中錐面部分長度為3. 73mm ；中間部分312直徑為23mm、長度為9. 3mm ；直徑最大端313直徑為27mm、長度為27mm。
權利要求
1.一種可調切削角度的小砂輪緩進給磨削工程陶瓷的加工方法，用于對工程陶瓷硬脆材料外圓柱面的加工，該小砂輪為圓臺形金剛石砂輪，其特征在于小砂輪的外徑尺寸為 Φ 10 100mm，且砂輪圓臺的母線與砂輪軸線之間的夾角為Θ，該夾角θ的取值范圍在 0°到45°之間；加工時，使金剛石砂輪軸線與工件軸線在同一水平面或垂直面內，且按設定的切削角度α進行加工，加工過程中，當切削角度α大于0°小于45°時，采用砂輪的 θ角等于切削角度α的砂輪，利用小砂輪端面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料， 利用小砂輪圓周面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；當切削角度α大于45° 而小于90°時，采用砂輪的θ角等于90°減去切削角度α的砂輪，利用小砂輪圓周面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪端面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；切削角度為90°時，采用砂輪的θ角為0°的砂輪，加工時利用小砂輪圓周面作為主切削面去除被加工件外圓表面材料，利用小砂輪端面對已加工面進行修磨；小砂輪轉速為6000 20000r/min，工件轉速0 5000r/min，小砂輪進給速度范圍為60 180mm/mirio
2.如權利要求1所述方法，其特征在于所述加工的過程中，工件旋轉方向與砂輪旋轉方向相反。
3.如權利要求1所述方法，其特征在于所述加工的過程中，在砂輪將要切入工件時選擇1 2mm/min的小進給速度，切入工件2 3mm后再將砂輪進給速度提高，以防止工件加工面崩裂；在刀具將要結束切削時選擇1 2mm/min的小進給速度，距離加工行程結束前 2 3mm時，降低進給速度至1 2mm/min。
4.如權利要求1所述方法，其特征在于所述加工的過程中，一次走刀去除0 IOmm厚的圓環形陶瓷材料。
全文摘要
本發明涉及用于工程陶瓷等硬脆材料外圓柱面或錐面等型面加工的可調切削角度的小砂輪緩進給磨削加工方法，屬于傳統機械加工領域中的非常規加工方法。該方法為利用一種金剛石小砂輪的高速旋轉對圓柱形工程陶瓷等硬脆材料進行緩進給磨削加工外圓柱面或錐面；切削角度小于45時，利用小砂輪端面作為主切削面去除材料，利用小砂輪圓周面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；切削角度大于45°而小于90°時，利用小砂輪圓周面作為主切削面去除材料，利用小砂輪端面作為副切削面對被加工件外圓表面進行修磨；砂輪轉速為6000～20000r/min，工件轉速0～5000r/min。本發明能夠實現低成本、高效率加工工程陶瓷等硬脆材料外圓柱面或錐面，且結構簡單，易于操作。
文檔編號B24B5/50GK102513892SQ20121000244
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者張保國, 李富強, 王健全, 田欣利, 郭昉, 閔娟 申請人:田欣利, 郭昉