专利名称：工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程陶瓷材料高效深磨的磨削工艺。
背景技术：
工程陶瓷以其高强度、低膨胀率、耐磨损及高化学稳定性等优越性能被广泛应用于机械、冶金、化工等工程领域中。由于不可避免的毛坯烧结收缩量和特殊形状的要求，结构陶瓷零件尤其是旋转件、滑动件和配合件，都需要经过机械加工才能满足尺寸形状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刚石砂轮的普通磨削，效率低，成本高，而增大磨削用量往往会导致工件产生表面损伤，加工质量难以达到要求。工程陶瓷在现有方法的磨削过程中具有下述主要特点1.磨削比小，砂轮磨耗量大、加工成本高。在相同条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严重，而超硬磨料磨具的价格目前普遍较昂贵，这使结构陶瓷零件的加工费用都很高，一般占陶瓷零件总成本的65％-90％。因此，减少砂轮磨耗，降低陶瓷的加工成本，是实现结构陶瓷广泛应用的基本前提。
2.结构陶瓷的磨削表面质量不易控制。结构陶瓷的韧性差，与其它硬脆材料一样，对表面状态非常敏感，因此，陶瓷零件的力学性能取决于加工表面状态。在磨削过程中，磨粒与工件间通过极其复杂的摩擦、变形甚至断裂并伴随力热作用去除加工层材料。结构陶瓷的磨削过程及磨削表面质量既不同于塑性金属材料，也不同于普通脆性材料，具有特殊的规律。由于人们对结构陶瓷的磨削规律了解有限，对结构陶瓷的磨削表面质量难以准确控制，从而严重影响了陶瓷零件的实际应用。
3.高温结构陶瓷的生产率低。由于结构陶瓷的韧性不足，而且陶瓷磨削时的抗力很大，使得结构陶瓷的磨削加工层的厚度受到特定条件的约束，加之结构陶瓷优良的耐磨性，从而造成结构陶瓷材料的切削加工性很差，生产效率低，目前的加工方法比磨除率约为2-3mm3/mm·s。
目前，设法提高结构陶瓷加工效率，降低陶瓷零件成本，改善陶瓷零件的表面质量，大幅度提高零件的可靠性，成为结构陶瓷加工中的重点研究内容。
高效深磨以大切深(0.1-30mm)，高砂轮线速度(80-200m/s)，不降低工件进给速度(0.5-10m/min)的条件进行磨削，既能实现高的切除率，又能达到高的加工表面质量。以前对高效深磨的研究大多是针对塑性材料，而且在国内尚无人对工程陶瓷高效深磨进行研究，因此深入系统地研究如何采用高效深磨技术实现工程陶瓷的低成本高质量加工，是陶瓷磨削加工研究中值得探讨的一个重要技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺，应用该工艺可提高结构陶瓷加工效率，降低陶瓷零件成本，改善陶瓷零件的表面质量，大幅度提高零件的可靠性。
本发明的技术解决方案是，所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺包括(1)采用超高速树脂结合剂金刚石砂轮，修整至外圆跳动不大于5μm，并对其修锐；(2)采用砂轮动平衡系统对砂轮进行实时动平衡，砂轮动平衡不平衡量＜0.1μm；
(3)采用水基冷却液，供液压力为6-10MPa；(4)磨削工艺条件a.单位砂轮宽度磨除率20mm3/mm·s-120mm3/mm·s；b.砂轮线速度40m/s-160m/s；c.磨削深度1mm-6mm；d.工件进给速度0.5m/min-6m/min。
以下对本发明做出进一步说明。
由于陶瓷材料性能对磨削机理有较大的影响，本发明选用了应用广泛且力学性能和化学性能差异较大的99.5％氧化铝、氮化硅和氧化钇部分稳定氧化锆这三种材料作为试验材料。
氧化铝陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种，具有优异的化学稳定性。氧化铝含量高于95％以上的氧化铝陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗特点。
氮化硅陶瓷材料的热膨胀系数小，因此具有较好的抗热震性能。在陶瓷材料中，它的弯曲强度比较高，硬度也很高，同时具有自润滑性，摩擦系数小(只有0.1)，与加油的金属表面相似，作为机械耐磨材料使用具有较大的潜力。同时，氮化硅材料的常温电阻率比较高(1013-1014Ω·cm)，可作为较好的绝缘材料；化学稳定性很好；高温氧化时材料表面形成的氧化膜可以阻碍进一步氧化，抗氧化温度达1400℃；在还原气氛中最高使用温度可达1800℃。
部分稳定氧化锆陶瓷具有非常高的强度，断裂韧性和抗热冲击性能。人们把这种强度和韧性都非常优异的陶瓷称为“陶瓷钢”。并且，它的热传导系数小，隔热效果好，而热膨胀系数又比较大，比较容易与金属部件匹配。
本发明所述磨削工艺试验(部分)在湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心自行研制的超高速平面磨削实验台上进行。该实验台主轴功率达40KW，最高转速为20000rpm。工作台电机驱动功率为5KW，采用SBS4500砂轮动平衡系统对砂轮进行实时动平衡，不平衡量＜0.1μm。冷却系统压力范围为0-25Mpa，磨削过程采用水基冷却液，供液压力为6-10Mpa。装置如图8所示。
所述试验采用超高速树脂结合剂金刚石砂轮，其参数如表1所示。首先参照表2所列参数对砂轮进行修整，直至砂轮外圆跳动不大于5μm，然后用氧化铝砂条对其修锐。
表1砂轮参数
2砂轮修整参数
该试验选用顺磨方式，采用三组试验方案，分别考察了不同砂轮线速度、不同磨削深度和同一磨除率下不同工件进给速度和不同的切深对工程陶瓷材料磨削性能的影响。所采用的磨削参数如表4所示。
表4磨削参数
本发明对所述三种陶瓷材料均进行了以上试验方案的研究，获取了大量的数据，通过对数据的分析、比较和整理，得出了以下试验结果。
工件磨削表面形态1)表面形貌观测图1、2、3分别是氧化钇部分稳定氧化锆、氮化硅和氧化铝这三种材料在某种试验条件下的磨削表面的型貌。
由图1和2可知，该磨削条件下氧化锆磨削表面主要由光滑区域、塑性沟槽、涂敷区和脆性断裂区构成，氮化硅磨削表面主要由塑性沟槽、涂敷区和脆性断裂区构成。由图3可知氧化铝磨削表面主要由脆性断裂区构成。这与陶瓷材料的性能相关，三种材料中，氧化锆的韧性最强，氧化铝的韧性最弱，而脆性最强。
通过试验结果的观察，我们发现砂轮线速度增加、磨削深度减小均可以使磨削力减小，比磨削能增加，加工表面塑性去除痕迹增多，这是最大未变形切屑厚度减小和接触弧长变大的缘故。但是到砂轮线速度达到非常高时，加工表面反而出现较多的断裂痕迹，这是增大砂轮速度导致整个磨削系统的振动加剧的缘故，结果导致了加工表面恶化。试验发现在其它条件相同的情况下，砂轮线速度为110m/s-130m/s时的磨削表面形貌最为平整，磨削深度为1mm-1.2mm时的加工表面情况最好。若同时增加磨削深度和降低工件进给速度，不但能保证磨除率不变，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。在磨除率相同的情况下，工件进给速度为0.6m/min，磨削深度为4mm-6mm时的磨削表面形貌最为平整。
2)表面粗糙度图4是不同磨削条件下的三种陶瓷材料的磨削表面粗糙度值，可以看出，粗糙度值处在0.6-1.1μm的范围内。通过分析发现在整个试验过程中，表面粗糙度值没有受到磨削条件的显著影响，变化没有明显的规律，而且每组试验条件下粗糙度值变化范围不大。而在同样的试验工况下，氧化铝的表面粗糙度值总略大于氧化锆和氮化硅的表面粗糙度值。
3)磨削力图5显示的是单位面积磨削力随砂轮线速度的变化情况。由图5(a)和(b)可知，三种材料的单位面积法向和切向磨削力都随着砂轮线速度的提高而单调减小，当砂轮线速度高于120m/s时单位面积磨削力的变化趋势变缓。氮化硅和氧化锆的单位面积磨削力相近，氧化铝的单位面积磨削力最小且变化趋势最为平缓。
图6反映的是不同磨削深度下的单位面积磨削力。由图6(a)和(b)可知，三种材料的单位面积法向和切向磨削力都随着磨削深度的提高而单调增加。同样，氮化硅和氧化锆的单位面积磨削力相近，氧化铝的单位面积磨削力最小且变化趋势最为平缓。
图7是磨除率一定不同的工件进给速度和磨削深度时的单位面积磨削力。由图7(a)和(b)可知，磨除率一定时，随着工件进给速度的降低，磨削深度的增加，单位面积磨削力逐渐减小，并在深度达到3mm后趋于稳定。
综合以上结果，本发明得出以下结论1、将高效深磨技术应用于陶瓷材料的加工是一种切实可行的加工方法，能极大地提高陶瓷材料的加工效率、降低加工成本，并能得到高的表面质量；2、砂轮线速度增加，磨削深度减小，最大未变形切削厚度减小，导致单位面积磨削力减小，比磨削能增加，加工表面塑性去除痕迹增多。但是到砂轮线速度达到非常高时，加工表面反而出现较多的断裂痕迹。试验发现在其它条件相同的情况下，砂轮线速度为110m/s-130m/s时的磨削力小，磨削表面形貌最为平整，磨削深度为1mm-1.2mm时的加工表面情况最好。
3、增加磨削深度降低工件进给速度，不但能保证磨除率不变，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。在磨除率相同的情况下，工件进给速度为0.6m/min，磨削深度为5mm-6mm时的磨削表面形貌最为平整。
图1是氧化钇部分稳定氧化锆磨削表面型貌图；图2是氮化硅磨削表面型貌图；图3是氧化铝削表面型貌图；图4(a)(b)(c)是不同磨削条件下的磨削表面粗糙度值；图5(a)(b)是磨削力随砂轮线速度变化的情况；图6(a)(b)是磨削力随磨削深度变化的情况；图7(a)(b)是磨除率一定，磨削力随工作台进给速度和切深变化的情况；图8是磨削装置示意图，其中1-砂轮，2-喷嘴，3-工件，4-测力仪。
具体实施例方式
分别选用99.5％氧化铝、氮化硅和氧化钇部分稳定氧化锆做为磨削加工陶瓷材料，并采用图8所示装置实施所述磨削，实验台主轴功率达40KW，最高转速为20000rpm。工作台电机驱动功率为5KW，采用SBS4500砂轮动平衡系统对砂轮进行实时动平衡，不平衡量＜0.1μm。
采用超高速树脂结合剂金刚石砂轮，其参数见前述表1；对砂轮进行修整，修整参数见前述表2；采用水基冷却液，供液压力为8MPa；磨削工艺条件a.单位砂轮宽度磨除率20mm3/mm·s-120mm3/mm·s；b.砂轮线速度40m/s-160m/s；c.磨削深度1mm-6mm；d.工件进给速度0.5m/min-6m/min。
三组最佳磨削工艺条件1)砂轮线速度120m/s，磨削深度2mm，工件进给速度1.2m/min，单位砂轮宽度磨除率40mm3/mm·s；2)砂轮线速度120m/s，磨削深度1mm，工件进给速度1.2m/min，单位砂轮宽度磨除率20mm3/mm·s；3)砂轮线速度120m/s，磨削深度6mm，工件进给速度0.6m/min，单位砂轮宽度磨除率60mm3/mm·s。
权利要求
1.一种工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺，其特征是，它包括(1)采用超高速树脂结合剂金刚石砂轮，修整至外圆跳动不大于5μm，并对其修锐，采用砂轮动平衡系统使砂轮动平衡不平衡量＜0.1μm；(2)采用水基冷却液，供液压力为6-10Mpa；(3)磨削工艺条件a.单位砂轮宽度磨除率20mm3/mm·s-120mm3/mm·s；b.砂轮线速度40m/s-160m/s；c.磨削深度1mm-6mm；d.工件进给速度0.5m/min-6m/min。
2.根据权利要求1所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺，其特征是，所述磨削工艺条件为砂轮线速度120m/s，磨削深度2mm，工件进给速度1.2m/min，单位砂轮宽度磨除率40mm3/mm·s。
3.根据权利要求1所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺，其特征是，所述磨削工艺条件为砂轮线速度120m/s，磨削深度1mm，工件进给速度1.2m/min，单位砂轮宽度磨除率20mm3/mm·s。
4.根据权利要求1所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺，其特征是，所述磨削工艺条件为砂轮线速度120m/s，磨削深度6mm，工件进给速度0.6m/min，单位砂轮宽度磨除率60mm3/mm·s。
全文摘要
一种工程陶瓷材料高效深磨磨削工艺，它包括(1)采用超高速树脂结合剂金刚石砂轮，修整至外圆跳动不大于5μm，并对其修锐，采用动平衡系统使砂轮动平衡不平衡量＜0.1μm；(2)采用水基冷却液，供液压力为6－10MPa；(3)磨削工艺条件a.单位砂轮宽度磨除率20mm
文档编号B24D3/20GK1788931SQ20051013660
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月23日 优先权日2005年12月23日
发明者黄含, 谢桂芝, 盛晓敏, 易了, 宓海青, 吴耀, 黄红武, 尚振涛, 王树启 申请人:湖南大学