磨料水射流切槽-金刚石砂轮推磨复合加工陶瓷方法与流程

本发明属于硬脆材料的粗加工技术领域，尤其是一种应用于工程陶瓷上的磨料水射流切槽-金刚石砂轮推磨复合加工技术。

背景技术：

工程陶瓷材料，如碳化硅、氮化硅、氧化铝等，具有高硬度、耐腐蚀、耐磨损等优良性能，在工程领域有着广泛的应用。但是，由于陶瓷材料的高硬度，导致其加工较为困难，且其本身脆性的特点，在加工过程中会出现裂纹、崩边等加工损伤，故陶瓷材料高效率、低损伤的加工一直是业界的一大难题。现有技术中有磨削、车削、铣削等传统机械加工方法，也有如激光加工、超声辅助磨削加工、磨料水射流切割等特种加工技术，但是无论是传统机械加工方法还是特种加工技术，均存在着各种各样无法解决的技术问题。

传统机械加工方法虽然能够获得较高的加工精度和较好的加工质量，但其加工成本高，加工效率低，刀具磨损严重。由于陶瓷材料的硬脆性，传统机械加工过程中，材料会出现裂纹、崩边等损伤，且磨削、车削等加工方式会导致材料加工表面存在热影响区和高温熔覆区域，在一定程度上会影响陶瓷材料的性能。此外，加工过程中刀具的磨损，会影响材料的加工质量和加工效率。

特种加工技术虽然可有效降低磨削力和表面裂纹，提高加工效率，减小刀具磨损，但其加工技术不够成熟，且加工成本较高，加工精度也不如传统机械加工方法。

基于上述单个加工技术不能满足高效率、高质量的机械要求，由此衍生了复合加工技术，如砂轮切槽-推磨复合式加工。

由于陶瓷加工过程中会伴随裂纹的产生于扩展，且裂纹的扩展方向是随机的，陆军装甲兵学院在2009年，利用陶瓷这一特性探索陶瓷材料的高效加工技术，提出了一种陶瓷切槽-推磨复合式加工方法(专利：201611081661.7)。砂轮切槽-推磨复合式加工第一道工序为切槽加工，采用钎焊金刚石砂轮片，厚度约为2.5mm，在材料表面进行切槽加工，得到具有一定厚度和高度的凸缘，切槽加工同样是预制裂纹的过程，凸缘中会产生很多方向随机的微裂纹，为了减缓切槽砂轮的磨损速度，切槽深度最大不超过6mm；第二道工序是采用具有一定厚度的砂轮对沿凸缘根部对凸缘进行推挤磨削加工，为了保证能够完全去除凸缘，并对凸缘根部进行磨削进而得到质量较好的加工表面质量，推磨深度要大于凸缘高度。为了减缓推磨砂轮的磨损速度，推磨速度最大不超过10mm/min。

但是在实际加工过程中，由于切槽速度和推磨速度都较慢，导致本方法对于提高材料去除率效果不明显，而若采用较大的进给速度则会造成砂轮磨损速度加快，又大大增加了加工成本。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种磨料水射流切割-推磨复合加工陶瓷技术，其利用裂纹扩展效应，能在更高进给速度、更低加工成本且无刀具磨损的前提下实现陶瓷等硬脆材料的高去除率加工。

为了实现上述目的，本发明的磨料水射流切槽-金刚石砂轮推磨复合加工陶瓷方法，包括以下步骤：步骤1，按加工需要采用磨料水射流机床在平板陶瓷工件上进行切槽加工，形成平行凸缘；步骤2，采用金刚石砂轮对步骤1形成的平行凸缘进行推磨加工，直至达到加工需要。

效果较好的，所述磨料水射流机床的加工参数为：切槽进给速度为40-60mm/min；压力为240-300mpa；靶距l为2-6mm；喷嘴横向移动距离即凸缘厚度为2-4mm；切割得到的凹槽深度为6mm-12mm。

进一步的，所述步骤1中采用“反向二次切割”方法进行切槽加工，即切槽后沿原路径反向进行二次切割，该方法可有效提高切槽质量。

进一步的，所述步骤2中采用的金刚石砂轮为中部设有柄的柱状砂轮，该砂轮端面和柱面均镀有金刚石颗粒，砂轮柄直径13mm，砂轮直径60mm、高度35mm，砂轮磨粒目数100目，砂轮转速n＝5000r/min-7000r/min，推磨速度v＝3mm/min-15mm/min，推磨角即砂轮进给方向与凸缘之间的夹角β为0°-90°。

效果更好的，步骤2中的推磨深度比步骤1得到的凸缘深度大0.2mm-0.5mm。

本发明的有益效果：

(1)切槽效率高

磨料水射流切槽进给速度为40-60mm/min，而砂轮切槽进给速度一般小于5mm/min。

(2)加工成本低

磨料水射流切割加工消耗的主要是水和磨料颗粒，加工过程中无刀具磨损，所用磨料成本低廉，可极大降低加工成本。

(3)二次切割提高切槽质量

采用“反向二次切割”方法进行切槽加工，即切槽后沿原路径反向进行二次切割，可进一步提高切槽质量。

(4)推磨方式成熟

采用普通金刚石砂轮对切槽凸缘进行推磨加工，即可实现高材料去除率加工。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明切槽得到的凸缘示意图；

图2为本发明采用的金刚石砂轮示意图；

图3为本发明的推磨加工示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

对于本发明中的切槽加工工序，其磨料水射流切割所用机床为南京大地水刀股份有限公司生产的磨料水射流机床，磨料水射流机床的性能参数如表1所示。

为了直观体现磨料水射流切槽加工的优势，分别采用砂轮片和磨料水射流在平板氧化铝陶瓷工件上进行切槽加工。

其中，砂轮切槽加工参数为：进给速度v1＝5-10mm/min，切割深度h＝2.5-4.5mm，凸缘厚度b＝2-4mm；

磨料水射流切割加工参数为：进给速度v2＝40-60mm/min，压力p＝240-300mpa，靶距l＝2-6mm，喷嘴横向移动距离(凸缘厚度)b＝2-4mm。

切槽得到的凸缘如图1所示，由于磨料水射流为柔性加工方式，切割得到的凹槽深度存在误差，测量每道凹槽深度，其深度在6mm-12mm之间。

表1

对于本发明中的切槽加工工序，采用金刚石砂轮推磨加工。在bv75立式加工中心上，采用带柄金刚石砂轮(如图2所示),对两种方法切割得到的凸缘进行推磨加工(如图3所示)，砂轮柄直径13mm，砂轮直径60mm，高度35mm，磨粒目数100目，加工参数为：砂轮转速n＝5000r/min-7000r/min，推磨速度v＝3mm/min-15mm/min，推磨角(砂轮进给方向与凸缘夹角)a＝0°-90°。根据实际凸缘高度确定推磨深度，为保证凸缘能被完全去除，推磨深度要比凸缘深度大0.2mm-0.5mm。

计算两种方法的材料去除率，对于切槽-推磨复合加工，加工时间应包括切槽时间和推磨时间。通过计算，金刚石砂轮切槽-推磨加工材料去除率为2.8-4.9mm³/s，磨料水射流切槽-推磨加工材料去除率为20.76-25.43mm³/s，加工效率得到较大提升。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。