專利名稱：工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程陶瓷材料高效深磨的磨削工藝。
背景技術(shù)：
工程陶瓷以其高強(qiáng)度、低膨脹率、耐磨損及高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性能被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工等工程領(lǐng)域中。由于不可避免的毛坯燒結(jié)收縮量和特殊形狀的要求，結(jié)構(gòu)陶瓷零件尤其是旋轉(zhuǎn)件、滑動(dòng)件和配合件，都需要經(jīng)過(guò)機(jī)械加工才能滿足尺寸形狀的精度要求和表面粗糙度要求。目前的陶瓷加工方法大多是采用金剛石砂輪的普通磨削，效率低，成本高，而增大磨削用量往往會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生表面損傷，加工質(zhì)量難以達(dá)到要求。工程陶瓷在現(xiàn)有方法的磨削過(guò)程中具有下述主要特點(diǎn)1.磨削比小，砂輪磨耗量大、加工成本高。在相同條件下磨削普通玻璃的磨削比是磨削工程陶瓷的三十多倍。磨削比小，必然造成超硬磨料磨具的磨耗嚴(yán)重，而超硬磨料磨具的價(jià)格目前普遍較昂貴，這使結(jié)構(gòu)陶瓷零件的加工費(fèi)用都很高，一般占陶瓷零件總成本的65％-90％。因此，減少砂輪磨耗，降低陶瓷的加工成本，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)陶瓷廣泛應(yīng)用的基本前提。
2.結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削表面質(zhì)量不易控制。結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性差，與其它硬脆材料一樣，對(duì)表面狀態(tài)非常敏感，因此，陶瓷零件的力學(xué)性能取決于加工表面狀態(tài)。在磨削過(guò)程中，磨粒與工件間通過(guò)極其復(fù)雜的摩擦、變形甚至斷裂并伴隨力熱作用去除加工層材料。結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削過(guò)程及磨削表面質(zhì)量既不同于塑性金屬材料，也不同于普通脆性材料，具有特殊的規(guī)律。由于人們對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削規(guī)律了解有限，對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削表面質(zhì)量難以準(zhǔn)確控制，從而嚴(yán)重影響了陶瓷零件的實(shí)際應(yīng)用。
3.高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的生產(chǎn)率低。由于結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性不足，而且陶瓷磨削時(shí)的抗力很大，使得結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削加工層的厚度受到特定條件的約束，加之結(jié)構(gòu)陶瓷優(yōu)良的耐磨性，從而造成結(jié)構(gòu)陶瓷材料的切削加工性很差，生產(chǎn)效率低，目前的加工方法比磨除率約為2-3mm3/mm·s。
目前，設(shè)法提高結(jié)構(gòu)陶瓷加工效率，降低陶瓷零件成本，改善陶瓷零件的表面質(zhì)量，大幅度提高零件的可靠性，成為結(jié)構(gòu)陶瓷加工中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。
高效深磨以大切深(0.1-30mm)，高砂輪線速度(80-200m/s)，不降低工件進(jìn)給速度(0.5-10m/min)的條件進(jìn)行磨削，既能實(shí)現(xiàn)高的切除率，又能達(dá)到高的加工表面質(zhì)量。以前對(duì)高效深磨的研究大多是針對(duì)塑性材料，而且在國(guó)內(nèi)尚無(wú)人對(duì)工程陶瓷高效深磨進(jìn)行研究，因此深入系統(tǒng)地研究如何采用高效深磨技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程陶瓷的低成本高質(zhì)量加工，是陶瓷磨削加工研究中值得探討的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝，應(yīng)用該工藝可提高結(jié)構(gòu)陶瓷加工效率，降低陶瓷零件成本，改善陶瓷零件的表面質(zhì)量，大幅度提高零件的可靠性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝包括(1)采用超高速樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，修整至外圓跳動(dòng)不大于5μm，并對(duì)其修銳；(2)采用砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡，砂輪動(dòng)平衡不平衡量＜0.1μm；
(3)采用水基冷卻液，供液壓力為6-10MPa；(4)磨削工藝條件a.單位砂輪寬度磨除率20mm3/mm·s-120mm3/mm·s；b.砂輪線速度40m/s-160m/s；c.磨削深度1mm-6mm；d.工件進(jìn)給速度0.5m/min-6m/min。
以下對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說(shuō)明。
由于陶瓷材料性能對(duì)磨削機(jī)理有較大的影響，本發(fā)明選用了應(yīng)用廣泛且力學(xué)性能和化學(xué)性能差異較大的99.5％氧化鋁、氮化硅和氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯這三種材料作為試驗(yàn)材料。
氧化鋁陶瓷是耐火氧化物中化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度最高的一種，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。氧化鋁含量高于95％以上的氧化鋁陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗特點(diǎn)。
氮化硅陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，因此具有較好的抗熱震性能。在陶瓷材料中，它的彎曲強(qiáng)度比較高，硬度也很高，同時(shí)具有自潤(rùn)滑性，摩擦系數(shù)小(只有0.1)，與加油的金屬表面相似，作為機(jī)械耐磨材料使用具有較大的潛力。同時(shí)，氮化硅材料的常溫電阻率比較高(1013-1014Ω·cm)，可作為較好的絕緣材料；化學(xué)穩(wěn)定性很好；高溫氧化時(shí)材料表面形成的氧化膜可以阻礙進(jìn)一步氧化，抗氧化溫度達(dá)1400℃；在還原氣氛中最高使用溫度可達(dá)1800℃。
部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷具有非常高的強(qiáng)度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能。人們把這種強(qiáng)度和韌性都非常優(yōu)異的陶瓷稱為“陶瓷鋼”。并且，它的熱傳導(dǎo)系數(shù)小，隔熱效果好，而熱膨脹系數(shù)又比較大，比較容易與金屬部件匹配。
本發(fā)明所述磨削工藝試驗(yàn)(部分)在湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心自行研制的超高速平面磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主軸功率達(dá)40KW，最高轉(zhuǎn)速為20000rpm。工作臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為5KW，采用SBS4500砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡，不平衡量＜0.1μm。冷卻系統(tǒng)壓力范圍為0-25Mpa，磨削過(guò)程采用水基冷卻液，供液壓力為6-10Mpa。裝置如圖8所示。
所述試驗(yàn)采用超高速樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，其參數(shù)如表1所示。首先參照表2所列參數(shù)對(duì)砂輪進(jìn)行修整，直至砂輪外圓跳動(dòng)不大于5μm，然后用氧化鋁砂條對(duì)其修銳。
表1砂輪參數(shù)

2砂輪修整參數(shù)

該試驗(yàn)選用順磨方式，采用三組試驗(yàn)方案，分別考察了不同砂輪線速度、不同磨削深度和同一磨除率下不同工件進(jìn)給速度和不同的切深對(duì)工程陶瓷材料磨削性能的影響。所采用的磨削參數(shù)如表4所示。
表4磨削參數(shù)

本發(fā)明對(duì)所述三種陶瓷材料均進(jìn)行了以上試驗(yàn)方案的研究，獲取了大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、比較和整理，得出了以下試驗(yàn)結(jié)果。
工件磨削表面形態(tài)1)表面形貌觀測(cè)圖1、2、3分別是氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯、氮化硅和氧化鋁這三種材料在某種試驗(yàn)條件下的磨削表面的型貌。
由圖1和2可知，該磨削條件下氧化鋯磨削表面主要由光滑區(qū)域、塑性溝槽、涂敷區(qū)和脆性斷裂區(qū)構(gòu)成，氮化硅磨削表面主要由塑性溝槽、涂敷區(qū)和脆性斷裂區(qū)構(gòu)成。由圖3可知氧化鋁磨削表面主要由脆性斷裂區(qū)構(gòu)成。這與陶瓷材料的性能相關(guān)，三種材料中，氧化鋯的韌性最強(qiáng)，氧化鋁的韌性最弱，而脆性最強(qiáng)。
通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的觀察，我們發(fā)現(xiàn)砂輪線速度增加、磨削深度減小均可以使磨削力減小，比磨削能增加，加工表面塑性去除痕跡增多，這是最大未變形切屑厚度減小和接觸弧長(zhǎng)變大的緣故。但是到砂輪線速度達(dá)到非常高時(shí)，加工表面反而出現(xiàn)較多的斷裂痕跡，這是增大砂輪速度導(dǎo)致整個(gè)磨削系統(tǒng)的振動(dòng)加劇的緣故，結(jié)果導(dǎo)致了加工表面惡化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在其它條件相同的情況下，砂輪線速度為110m/s-130m/s時(shí)的磨削表面形貌最為平整，磨削深度為1mm-1.2mm時(shí)的加工表面情況最好。若同時(shí)增加磨削深度和降低工件進(jìn)給速度，不但能保證磨除率不變，而且能更有利于材料的塑性去除，加工表面塑性去除比例增加，更加平整。在磨除率相同的情況下，工件進(jìn)給速度為0.6m/min，磨削深度為4mm-6mm時(shí)的磨削表面形貌最為平整。
2)表面粗糙度圖4是不同磨削條件下的三種陶瓷材料的磨削表面粗糙度值，可以看出，粗糙度值處在0.6-1.1μm的范圍內(nèi)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，表面粗糙度值沒(méi)有受到磨削條件的顯著影響，變化沒(méi)有明顯的規(guī)律，而且每組試驗(yàn)條件下粗糙度值變化范圍不大。而在同樣的試驗(yàn)工況下，氧化鋁的表面粗糙度值總略大于氧化鋯和氮化硅的表面粗糙度值。
3)磨削力圖5顯示的是單位面積磨削力隨砂輪線速度的變化情況。由圖5(a)和(b)可知，三種材料的單位面積法向和切向磨削力都隨著砂輪線速度的提高而單調(diào)減小，當(dāng)砂輪線速度高于120m/s時(shí)單位面積磨削力的變化趨勢(shì)變緩。氮化硅和氧化鋯的單位面積磨削力相近，氧化鋁的單位面積磨削力最小且變化趨勢(shì)最為平緩。
圖6反映的是不同磨削深度下的單位面積磨削力。由圖6(a)和(b)可知，三種材料的單位面積法向和切向磨削力都隨著磨削深度的提高而單調(diào)增加。同樣，氮化硅和氧化鋯的單位面積磨削力相近，氧化鋁的單位面積磨削力最小且變化趨勢(shì)最為平緩。
圖7是磨除率一定不同的工件進(jìn)給速度和磨削深度時(shí)的單位面積磨削力。由圖7(a)和(b)可知，磨除率一定時(shí)，隨著工件進(jìn)給速度的降低，磨削深度的增加，單位面積磨削力逐漸減小，并在深度達(dá)到3mm后趨于穩(wěn)定。
綜合以上結(jié)果，本發(fā)明得出以下結(jié)論1、將高效深磨技術(shù)應(yīng)用于陶瓷材料的加工是一種切實(shí)可行的加工方法，能極大地提高陶瓷材料的加工效率、降低加工成本，并能得到高的表面質(zhì)量；2、砂輪線速度增加，磨削深度減小，最大未變形切削厚度減小，導(dǎo)致單位面積磨削力減小，比磨削能增加，加工表面塑性去除痕跡增多。但是到砂輪線速度達(dá)到非常高時(shí)，加工表面反而出現(xiàn)較多的斷裂痕跡。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在其它條件相同的情況下，砂輪線速度為110m/s-130m/s時(shí)的磨削力小，磨削表面形貌最為平整，磨削深度為1mm-1.2mm時(shí)的加工表面情況最好。
3、增加磨削深度降低工件進(jìn)給速度，不但能保證磨除率不變，而且能更有利于材料的塑性去除，加工表面塑性去除比例增加，更加平整。在磨除率相同的情況下，工件進(jìn)給速度為0.6m/min，磨削深度為5mm-6mm時(shí)的磨削表面形貌最為平整。


圖1是氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯磨削表面型貌圖；圖2是氮化硅磨削表面型貌圖；圖3是氧化鋁削表面型貌圖；圖4(a)(b)(c)是不同磨削條件下的磨削表面粗糙度值；圖5(a)(b)是磨削力隨砂輪線速度變化的情況；圖6(a)(b)是磨削力隨磨削深度變化的情況；圖7(a)(b)是磨除率一定，磨削力隨工作臺(tái)進(jìn)給速度和切深變化的情況；圖8是磨削裝置示意圖，其中1-砂輪，2-噴嘴，3-工件，4-測(cè)力儀。
具體實(shí)施例方式
分別選用99.5％氧化鋁、氮化硅和氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯做為磨削加工陶瓷材料，并采用圖8所示裝置實(shí)施所述磨削，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主軸功率達(dá)40KW，最高轉(zhuǎn)速為20000rpm。工作臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為5KW，采用SBS4500砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡，不平衡量＜0.1μm。
采用超高速樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，其參數(shù)見(jiàn)前述表1；對(duì)砂輪進(jìn)行修整，修整參數(shù)見(jiàn)前述表2；采用水基冷卻液，供液壓力為8MPa；磨削工藝條件a.單位砂輪寬度磨除率20mm3/mm·s-120mm3/mm·s；b.砂輪線速度40m/s-160m/s；c.磨削深度1mm-6mm；d.工件進(jìn)給速度0.5m/min-6m/min。
三組最佳磨削工藝條件1)砂輪線速度120m/s，磨削深度2mm，工件進(jìn)給速度1.2m/min，單位砂輪寬度磨除率40mm3/mm·s；2)砂輪線速度120m/s，磨削深度1mm，工件進(jìn)給速度1.2m/min，單位砂輪寬度磨除率20mm3/mm·s；3)砂輪線速度120m/s，磨削深度6mm，工件進(jìn)給速度0.6m/min，單位砂輪寬度磨除率60mm3/mm·s。
權(quán)利要求
1.一種工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝，其特征是，它包括(1)采用超高速樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，修整至外圓跳動(dòng)不大于5μm，并對(duì)其修銳，采用砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)使砂輪動(dòng)平衡不平衡量＜0.1μm；(2)采用水基冷卻液，供液壓力為6-10Mpa；(3)磨削工藝條件a.單位砂輪寬度磨除率20mm3/mm·s-120mm3/mm·s；b.砂輪線速度40m/s-160m/s；c.磨削深度1mm-6mm；d.工件進(jìn)給速度0.5m/min-6m/min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝，其特征是，所述磨削工藝條件為砂輪線速度120m/s，磨削深度2mm，工件進(jìn)給速度1.2m/min，單位砂輪寬度磨除率40mm3/mm·s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝，其特征是，所述磨削工藝條件為砂輪線速度120m/s，磨削深度1mm，工件進(jìn)給速度1.2m/min，單位砂輪寬度磨除率20mm3/mm·s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝，其特征是，所述磨削工藝條件為砂輪線速度120m/s，磨削深度6mm，工件進(jìn)給速度0.6m/min，單位砂輪寬度磨除率60mm3/mm·s。
全文摘要
一種工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝，它包括(1)采用超高速樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，修整至外圓跳動(dòng)不大于5μm，并對(duì)其修銳，采用動(dòng)平衡系統(tǒng)使砂輪動(dòng)平衡不平衡量＜0.1μm；(2)采用水基冷卻液，供液壓力為6－10MPa；(3)磨削工藝條件a.單位砂輪寬度磨除率20mm
文檔編號(hào)B24D3/20GK1788931SQ20051013660
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者黃含, 謝桂芝, 盛曉敏, 易了, 宓海青, 吳耀, 黃紅武, 尚振濤, 王樹(shù)啟 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)