專利名稱：工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及工程陶瓷材料高效深磨的磨削工藝。
背景技術：
工程陶瓷以其高強度、低膨脹率、耐磨損及高化學穩定性等優越性能被廣泛應用于機械、冶金、化工等工程領域中。由于不可避免的毛坯燒結收縮量和特殊形狀的要求，結構陶瓷零件尤其是旋轉件、滑動件和配合件，都需要經過機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導致工件產生表面損傷，加工質量難以達到要求。工程陶瓷在現有方法的磨削過程中具有下述主要特點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重，而超硬磨料磨具的價格目前普遍較昂貴，這使結構陶瓷零件的加工費用都很高，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，是實現結構陶瓷廣泛應用的基本前提。
2.結構陶瓷的磨削表面質量不易控制。結構陶瓷的韌性差，與其它硬脆材料一樣，對表面狀態非常敏感，因此，陶瓷零件的力學性能取決于加工表面狀態。在磨削過程中，磨粒與工件間通過極其復雜的摩擦、變形甚至斷裂并伴隨力熱作用去除加工層材料。結構陶瓷的磨削過程及磨削表面質量既不同于塑性金屬材料，也不同于普通脆性材料，具有特殊的規律。由于人們對結構陶瓷的磨削規律了解有限，對結構陶瓷的磨削表面質量難以準確控制，從而嚴重影響了陶瓷零件的實際應用。
3.高溫結構陶瓷的生產率低。由于結構陶瓷的韌性不足，而且陶瓷磨削時的抗力很大，使得結構陶瓷的磨削加工層的厚度受到特定條件的約束，加之結構陶瓷優良的耐磨性，從而造成結構陶瓷材料的切削加工性很差，生產效率低，目前的加工方法比磨除率約為2-3mm3/mm·s。
目前，設法提高結構陶瓷加工效率，降低陶瓷零件成本，改善陶瓷零件的表面質量，大幅度提高零件的可靠性，成為結構陶瓷加工中的重點研究內容。
高效深磨以大切深(0.1-30mm)，高砂輪線速度(80-200m/s)，不降低工件進給速度(0.5-10m/min)的條件進行磨削，既能實現高的切除率，又能達到高的加工表面質量。以前對高效深磨的研究大多是針對塑性材料，而且在國內尚無人對工程陶瓷高效深磨進行研究，因此深入系統地研究如何采用高效深磨技術實現工程陶瓷的低成本高質量加工，是陶瓷磨削加工研究中值得探討的一個重要技術問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的不足，提出一種工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝，應用該工藝可提高結構陶瓷加工效率，降低陶瓷零件成本，改善陶瓷零件的表面質量，大幅度提高零件的可靠性。
本發明的技術解決方案是，所述工程陶瓷材料高效深磨磨削工藝包括(1)采用超高速樹脂結合劑金剛石砂輪，修整至外圓跳動不大于5μm，并對其修銳；(2)采用砂輪動平衡系統對砂輪進行實時動平衡，砂輪動平衡不平衡量＜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.工件進給速度0.5m/min-6m/min。
以下對本發明做出進一步說明。
由于陶瓷材料性能對磨削機理有較大的影響，本發明選用了應用廣泛且力學性能和化學性能差異較大的99.5％氧化鋁、氮化硅和氧化釔部分穩定氧化鋯這三種材料作為試驗材料。
氧化鋁陶瓷是耐火氧化物中化學性質最穩定、機械強度最高的一種，具有優異的化學穩定性。氧化鋁含量高于95％以上的氧化鋁陶瓷具有優異的電絕緣性能和較低的介質損耗特點。
氮化硅陶瓷材料的熱膨脹系數小，因此具有較好的抗熱震性能。在陶瓷材料中，它的彎曲強度比較高，硬度也很高，同時具有自潤滑性，摩擦系數小(只有0.1)，與加油的金屬表面相似，作為機械耐磨材料使用具有較大的潛力。同時，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；化學穩定性很好；高溫氧化時材料表面形成的氧化膜可以阻礙進一步氧化，抗氧化溫度達1400℃；在還原氣氛中最高使用溫度可達1800℃。
部分穩定氧化鋯陶瓷具有非常高的強度，斷裂韌性和抗熱沖擊性能。人們把這種強度和韌性都非常優異的陶瓷稱為“陶瓷鋼”。并且，它的熱傳導系數小，隔熱效果好，而熱膨脹系數又比較大，比較容易與金屬部件匹配。
本發明所述磨削工藝試驗(部分)在湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心自行研制的超高速平面磨削實驗臺上進行。該實驗臺主軸功率達40KW，最高轉速為20000rpm。工作臺電機驅動功率為5KW，采用SBS4500砂輪動平衡系統對砂輪進行實時動平衡，不平衡量＜0.1μm。冷卻系統壓力范圍為0-25Mpa，磨削過程采用水基冷卻液，供液壓力為6-10Mpa。裝置如圖8所示。
所述試驗采用超高速樹脂結合劑金剛石砂輪，其參數如表1所示。首先參照表2所列參數對砂輪進行修整，直至砂輪外圓跳動不大于5μm，然后用氧化鋁砂條對其修銳。
表1砂輪參數
2砂輪修整參數
該試驗選用順磨方式，采用三組試驗方案，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給速度和不同的切深對工程陶瓷材料磨削性能的影響。所采用的磨削參數如表4所示。
表4磨削參數
本發明對所述三種陶瓷材料均進行了以上試驗方案的研究，獲取了大量的數據，通過對數據的分析、比較和整理，得出了以下試驗結果。
工件磨削表面形態1)表面形貌觀測圖1、2、3分別是氧化釔部分穩定氧化鋯、氮化硅和氧化鋁這三種材料在某種試驗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域、塑性溝槽、涂敷區和脆性斷裂區構成，氮化硅磨削表面主要由塑性溝槽、涂敷區和脆性斷裂區構成。由圖3可知氧化鋁磨削表面主要由脆性斷裂區構成。這與陶瓷材料的性能相關，三種材料中，氧化鋯的韌性最強，氧化鋁的韌性最弱，而脆性最強。
通過試驗結果的觀察，我們發現砂輪線速度增加、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變大的緣故。但是到砂輪線速度達到非常高時，加工表面反而出現較多的斷裂痕跡，這是增大砂輪速度導致整個磨削系統的振動加劇的緣故，結果導致了加工表面惡化。試驗發現在其它條件相同的情況下，砂輪線速度為110m/s-130m/s時的磨削表面形貌最為平整，磨削深度為1mm-1.2mm時的加工表面情況最好。若同時增加磨削深度和降低工件進給速度，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，工件進給速度為0.6m/min，磨削深度為4mm-6mm時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。通過分析發現在整個試驗過程中，表面粗糙度值沒有受到磨削條件的顯著影響，變化沒有明顯的規律，而且每組試驗條件下粗糙度值變化范圍不大。而在同樣的試驗工況下，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減小，當砂輪線速度高于120m/s時單位面積磨削力的變化趨勢變緩。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最為平緩。
圖7是磨除率一定不同的工件進給速度和磨削深度時的單位面積磨削力。由圖7(a)和(b)可知，磨除率一定時，隨著工件進給速度的降低，磨削深度的增加，單位面積磨削力逐漸減小，并在深度達到3mm后趨于穩定。
綜合以上結果，本發明得出以下結論1、將高效深磨技術應用于陶瓷材料的加工是一種切實可行的加工方法，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到非常高時，加工表面反而出現較多的斷裂痕跡。試驗發現在其它條件相同的情況下，砂輪線速度為110m/s-130m/s時的磨削力小，磨削表面形貌最為平整，磨削深度為1mm-1.2mm時的加工表面情況最好。
3、增加磨削深度降低工件進給速度，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，工件進給速度為0.6m/min，磨削深度為5mm-6mm時的磨削表面形貌最為平整。
圖1是氧化釔部分穩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，磨削力隨工作臺進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-測力儀。
具體實施例方式
分別選用99.5％氧化鋁、氮化硅和氧化釔部分穩定氧化鋯做為磨削加工陶瓷材料，并采用圖8所示裝置實施所述磨削，實驗臺主軸功率達40KW，最高轉速為20000rpm。工作臺電機驅動功率為5KW，采用SBS4500砂輪動平衡系統對砂輪進行實時動平衡，不平衡量＜0.1μm。
采用超高速樹脂結合劑金剛石砂輪，其參數見前述表1；對砂輪進行修整，修整參數見前述表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，工件進給速度0.6m/min，單位砂輪寬度磨除率60mm3/mm·s。
權利要求
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)采用超高速樹脂結合劑金剛石砂輪，修整至外圓跳動不大于5μm，并對其修銳，采用砂輪動平衡系統使砂輪動平衡不平衡量＜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.工件進給速度0.5m/min-6m/min。
2.根據權利要求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，工件進給速度1.2m/min，單位砂輪寬度磨除率40mm3/mm·s。
3.根據權利要求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，工件進給速度1.2m/min，單位砂輪寬度磨除率20mm3/mm·s。
4.根據權利要求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)采用超高速樹脂結合劑金剛石砂輪，修整至外圓跳動不大于5μm，并對其修銳，采用動平衡系統使砂輪動平衡不平衡量＜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B24D3/20GK1788931SQ20051013660
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月23日 優先權日2005年12月23日
發明者黃含, 謝桂芝, 盛曉敏, 易了, 宓海青, 吳耀, 黃紅武, 尚振濤, 王樹啟 申請人:湖南大學