基于裂纹扩展效应的陶瓷切割‑推磨复合式平面加工方法与流程

本发明属于工程陶瓷的粗加工技术领域，特别涉及到基于裂纹扩展效应,切割-推磨复合式工程陶瓷(如SiC、AL₂O₃、Si₃N₄、ZrO₂、莫来石等)大余量去除加工平面的方法。

背景技术：

近年来，原有应用领域的不断拓展、新型陶瓷的大量开发与应用，使工程陶瓷在工业中发挥着越来越重要的作用，由于陶瓷烧结后存在收缩变形难以控制，无法直接使用，所以必须要经过机械加工达到尺寸精度。目前，工程陶瓷加工工艺的80％是采用金刚石砂轮进行磨削加工的，由于金刚石砂轮磨损严重，加工成本占到陶瓷工件总成本的80％－90％，并且存在加工效率低，成本高的问题。而且陶瓷工件在加工过程中总是伴随裂纹的生成与扩展，而这种裂纹的生成与扩展总是随机的、不确定的，因而对陶瓷制品的加工质量造成影响，比如极易造成加工过程中边缘碎裂的产生，导致陶瓷工件的废品率居高不下。

为了解决上述问题，现有的基于裂纹扩展效应的陶瓷切割-推挤复合式圆柱面加工技术可用于加工陶瓷圆柱面，在利用陶瓷裂纹扩展特性的同时，并且可以获得低加工成本和高加工效率。然而，该技术并不能直接应用到陶瓷平面的加工中，主要原因为：第一，圆柱陶瓷工件可以围绕轴线做高速旋转运动，因此，圆柱面陶瓷加工工具(如车刀、砂轮等)不需要有高的磨削线速度(指磨削时磨粒相对工件的切削速度，至少应达到22m/s)，就能实现凸缘层的去除加工，这一高的磨削线速度对平面工件难以实现，因而该技术不能直接应用到平面陶瓷的加工中；第二，加工圆柱面陶瓷凸缘时，加工工具的推磨方向与陶瓷凸缘面垂直，圆柱陶瓷在旋转过程中，就能实现凸缘面的加工去除，而在平面陶瓷的加工中，必须重新考虑工件的进给运动，因而该技术不能直接应用到平面陶瓷的加工中。

工程陶瓷的平面磨削可采用连续轴向进给方法。工程陶瓷在连续轴向进给时的磨削有自己的特点。这种加工方法是在MM7132型卧轴矩台平面磨床上进行的，磨削液为水基磨削液，砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，粒度为140#。将砂轮安装到电动机后，设定砂轮转速，磨削的轴向进给速度和往复速度，即可完成对平面陶瓷的磨削。然而，该方法不宜用于精磨，且存在砂轮磨损量较大，加工效率不高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种基于裂纹扩展效应的陶瓷切割-推磨复合式平面加工方法，本方法具有降低砂轮磨损、降低加工成本、提高加工效率、易于实现的特点，可进一步推动工程陶瓷的工程实际应用。

本发明提出的一种基于裂纹扩展效应的陶瓷切割-推磨复合式平面加工方法其特征在于，首先在平板陶瓷工件上预加工出平行沟槽，再转动一个加工角度形成斜向平行凸缘，在刀具的推挤作用下使裂纹扩展，最终驱动裂纹联网破碎使凸缘去除。

所述的加工方法具体包括以下步骤：

(1)在平板陶瓷工件上按加工需要采用砂轮片预加工出平行沟槽形成平行凸缘，设定凸缘高度为h、凸缘壁厚为b；

(2)相对进给方向将陶瓷工件转动一个加工角度β，形成斜向平行凸缘；

(3)用推磨砂轮进行单道斜向凸缘的推磨；推磨砂轮以转速n转动，砂轮端面接触凸缘，推磨砂轮以速度v带动凸缘做进给运动，且保持凸缘与推磨砂轮端面之间的夹角为β，以此完成一个单道凸缘的推磨；将所述速度v分解为轴向推磨速度v_x和径向推磨速度v_y，设沿着凸缘的速度v与径向推磨速度v_y之间的夹角为α，则：β≤α≤β+5°，5°≤β≤45°；

(4)不断重复步骤(3)中单道斜向凸缘的推磨过程，继续加工剩余的凸缘，直至完成最终的加工。

所述步骤(1)中凸缘壁厚b介于2mm～5mm之间；所述凸缘高度h大于1.5mm，当h大于6mm时，采用多次切割换进给的方式进行加工，且单次切槽槽深介于1.5mm～6mm之间。

所述步骤(3)中采用的推磨砂轮为中部设有柄的柱状砂轮，柄的直径大于13mm，该推磨砂轮端面和柱面均镀有金刚石颗粒，推磨砂轮的直径为50mm～90mm，推磨砂轮的转速n>5000r/min，所述速度v为0.96～2.88mm/min。

本发明的特点及有益效果是：

本发明是基于裂纹扩展效应的陶瓷切割-推磨复合式圆柱面加工方法的扩展，提出斜向预加工凸缘再斜向推磨的加工方法，具有降低砂轮磨损、降低加工成本、提高加工效率、易于实现的特点。

通过预设沟槽缺陷的方式，利用陶瓷等硬脆材料裂纹极易扩展的特点，变坏事为好事，首先用金刚石砂轮片切割沟槽，在切槽过程中在凸缘表面和底部形成了许多微裂纹，再在刀具的推挤下，驱动裂纹快速联网碎裂，从而，减少砂轮磨损，降低加工成本。

附图说明

图1本发明方法的单道凸缘斜向推磨过程示意图；

图2为本发明方法的加工原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例及附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

本发明提出一种基于裂纹扩展效应的陶瓷切割-推磨复合式平面加工方法，在圆柱面加工方法的基础上加以改进，是一项针对工程陶瓷等硬脆材料的较大余量粗加工方法，通过在平板陶瓷工件上预加工出斜向沟槽的同时预制微裂纹缺陷的方式，合理设置推磨预加工凸缘的斜向加工角度，利用硬脆材料裂纹极易扩展的特点，在刀具的推挤作用下使裂纹瞬间扩展，最终驱动裂纹联网破碎，从而实现凸缘去除。

所述的基于裂纹扩展效应的陶瓷切割-推磨复合式平面加工方法，具体包括以下步骤：

(1)在平面陶瓷工件上按加工需要采用金刚石砂轮片预先加工平行的沟槽形成凸缘，凸缘高度为h、凸缘壁厚为b；为保证加工效果，凸缘高度h应大于1.5mm，当槽深较大时，可采用多次切割换进给的方式进行加工，为避免切削砂轮过度磨损而报废并考虑到施工安全，单次切槽深度h’必须小于6mm，而槽深太小又会影响加工效率，因此单次切槽时h’最佳值应为1.5mm～6mm之间；凸缘壁厚b应介于2mm-5mm之间；所述切削砂轮为常规的通用电镀金刚石砂轮片；

(2)相对进给方向将陶瓷工件转动一个加工角度β，形成斜向平行凸缘，以便刀具进给时能把凸缘整排去除；

(3)用推磨砂轮进行单道斜向凸缘的推磨(做进给运动)，如图1所示；推磨时，为保证加工的连续性，推磨砂轮以转速n(r/min)转动，砂轮端面3接触凸缘，推磨砂轮以速度v带动凸缘做进给运动，且保持凸缘与推磨砂轮端面3之间的夹角为β，以此完成一个单道凸缘的推磨；将所述速度v分解为轴向推磨速度v_x和径向推磨速度v_y，设沿着凸缘的速度v与径向推磨速度v_y之间的夹角为α，则：β≤α≤β+5°，5°≤β≤45°；该步骤中所采用推磨砂轮为中部设有柄1的柱状砂轮，为避免推磨时柄1径向刚度不够而造成推磨砂轮的震颤，所述柄1直径应大于13mm；该推磨砂轮的端面(即底部)3和柱面2均镀有金刚石颗粒，粒度为100目左右，推磨砂轮的直径为50mm～90mm，为保证去除效果，推磨砂轮圆周磨粒的转动线速度应达到20m/s以上；同时，为避免推磨砂轮寿命和安全，并保证加工效果，所述速度v为0.96～2.88mm/min(对应数控机床编程进给速度F1-F3)；该工序中，凸缘在推磨砂轮的磨削和推挤作用下大量去除，同时由于砂轮端面和外圆表面均有砂粒，所以在端面推挤凸缘的同时，外圆部分对已推挤表面进行磨削，使工件表面质量满足基本要求；

(4)不断重复步骤(3)中单道斜向凸缘的推磨过程，继续加工剩余的凸缘，直至完成最终的加工。

所述的工程陶瓷工件材料可包括氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅以及莫来石。

本发明的主要原理是：

该技术本质上是利用暗含微裂纹缺陷的陶瓷凸缘在受到推挤外力作用时，极易发生裂纹交织扩展实现主要部分的材料去除，如图2所示，同时推磨砂轮端面和圆柱面的金刚石颗粒对凸缘4裂纹扩展后的残余部分实现磨削去除，从而改善了表面加工质量。