一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法与流程

本发明属于氧化锆陶瓷技术领域，具体的说是一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法。

背景技术：

随着高精尖领域的不断发展，工程陶瓷因其具有高强度、高硬度、高耐磨性成为未来加工制造领域重点研究方向，但是由于其高脆性、高硬度及低断裂韧性的特点也极大的限制了材料的可加工性，尤其是对工程陶瓷的微细加工更成为陶瓷材料应用推广的瓶颈。

孔加工是工程陶瓷材料微细加工的重点，约占加工总量的40％，目前现有技术中对于陶瓷的钻孔方式以普通的钻削工艺为主，但是由于普通的钻孔方式具有加工难度大以及加工后表面粗糙度较大的缺点，难以满足现有精密和超精密加工的需要。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，解决普通的钻孔方式具有加工难度大以及加工后表面粗糙度较大的问题，本发明提出的一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法，其制造方法包括以下步骤：

s1：了解旋转超声复合加工的原理；即在加工过程中，刀具轴线与工件平面保持垂直，通过工件做进给运动，由刀具周围的磨粒不断地旋转，对工件进行磨削切除；在主轴方向上，通过附加超声振动，带动刀具顶端的金刚石磨粒对固定在固定机构中的工件进行冲击，从而实现对工件的旋转超声复合加工。

s2：对旋转超声复合加工的加工轨迹进行分析；螺旋进给旋转超声磨削加工中单颗磨粒的运动轨迹主要由四种运动方式合成，分别为刀具围绕加工孔中心做圆周运动、磨粒围绕主轴做回转运动、沿轴向的直线进给运动以及沿轴向的正弦超声振动：

s3：确定试验的基本条件以及进行试验过程；

s4：根据试验结果进行分析；

s5：分析加工参数对内孔粗糙度的影响；粗糙度的影响因素主要为：主轴转速的影响、进给速度的影响以及超声功率的影响。

优选的，本发明s1中用以磨削的刀具包括刀身、刀头固定件以及磨粒刀具；所述磨粒刀具穿孔连接在刀头固定件的内部；所述刀头固定件螺纹转动连接在刀身上；所述刀身的前端开设有契合槽；所述契合槽的底面中部固定连接有抵块；所述抵块的中部固定嵌入连接有弹簧；所述刀头固定件的中部固定连接有契合块；所述契合块的中部开设有凹槽；所述刀头固定件的中部开设有通孔；所述磨粒刀具由限位板和金刚石磨粒棒组成；所述金刚石磨粒棒固定连接在限位板的中部；所述金刚石磨粒棒穿孔连接在通孔内；所述契合块契合连接在契合槽内；

优选的，本发明s1中用以固定工件的固定机构由固定角块、给进杆以及夹持板组成；所述固定角块的底面上圆周对称开设有若干个安装孔；所述固定角块的侧壁上圆周对称开设有若干个通风孔；所述给进杆螺纹转动连接在固定角块的侧壁上；所述夹持板固定连接在给进杆的前端。

优选的，所述s2中，

刀具围绕加工孔中心做圆周运动的轨迹为：

式中，r1为刀具中心到加工孔中心的距离，单位为mm；n1为刀具绕加工孔中心的转速，单位为r/min；θ1为刀具初始相位，单位为rad；t为加工时间，单位为s；

磨粒围绕主轴做回转运动的轨迹为：

式中，r2为磨粒质心到刀具中心的距离，单位为mm；n2为机床主轴转速，单位为r/min；θ2为磨粒初始相位，单位为rad；

直线进给运动的轨迹为：

zf(t)＝vf(t)；

式中，vf为轴向进给速度，单位为mm/min；

轴向正弦超声振动的轨迹为：

zv(t)＝asin(2πft)；

式中，a为刀具超声振动的最大振幅，单位为mm；f为超声振动的频率，单位为hz；

综合以上得出单颗磨粒在超声振动辅助小孔磨削加工过程中的运动轨迹方程为：

优选的，所述s3中，试验的基本条件具体为，试验需在超声振动精密加工中心上进行，且机床的最大额定转速为18000r/min，超声振动发生器的最大输出功率为300w，附加频率范围为18-30khz；试验时，需使用巴索高性能全合成切削液对加工区域进行降温、润滑和排屑；采用单因素试验方式，对主轴转速、进给速度、超声功率分别进行单因素试验，设计超声振动频率控制18-30khz，主轴转速范围控制在2000-10000r/min。

优选的，所述s4中，试验结果显示显微镜中可以清楚的看到螺旋形磨削痕迹，并采用sj-210粗糙度仪进行粗糙度检测，表明在旋转超声振动的辅助作用下，螺旋沟槽之间的隆起部分被有效的去除。

优选的，所述s5中，主轴转速的影响具体为：随着主轴转速的提高，小孔表面的粗糙度整体上呈现逐渐降低的趋势。

优选的，所述s5中，进给速度的影响具体为：随着进给速度增大，表面粗糙缓慢增大；当进给速度达到3.5mm/min时，普通磨削和超声振动磨削后的表面粗糙度分别增大到1.10μm和0.52μm。

优选的，所述s5中，超声功率的影响具体为：随着超声功率的增大，工件表面的粗糙度出现波动下降。

本发明的技术效果和优点：

本发明提供的一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法，通过将旋转超声振动与传统的钻削相结合，采用固结金刚石磨粒以磨代钻的复合加工方式，对氧化锆陶瓷进行小孔磨削打磨，通过试验分析得出超声磨削加工中磨粒的运动轨迹为三维正弦曲线，有效的提高了对材料的磨削，且随着主轴转速和超声功率的增大，小孔表面的粗糙度呈现整体下降的趋势，从而使得小孔磨削打磨的加工质量得到较大的改善。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明中方法的具体流程图；

图2是本发明中刀具的立体图；

图3是本发明中刀身的立体图；

图4是本发明中刀头固定件的立体图；

图5是本发明中刀头固定件的平面图；

图6是本发明中磨粒刀具的立体图；

图7是本发明中固定机构的立体图；

图8是本发明中固定机构的平面图；

图中：1、刀身；11、契合槽；12、抵块；13、弹簧；2、刀头固定件；21、通孔；23、契合块；24、凹槽；3、磨粒刀具；31、限位板；32、金刚石磨粒棒；41、固定角块；411、通风孔；412、安装孔；42、给进杆；421、夹持板。

具体实施方式

为了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。

实施例一：

如图1至图8所示，本发明所述的一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法，该制备方法包括以下步骤：

s1：了解旋转超声复合加工的原理；即在加工过程中，刀具轴线与工件平面保持垂直，通过工件做进给运动，由刀具周围的磨粒不断地旋转，对工件进行磨削切除；在主轴方向上，通过附加超声振动，带动刀具顶端的金刚石磨粒对固定在固定机构中的工件进行冲击，从而实现对工件的旋转超声复合加工。

s2：对旋转超声复合加工的加工轨迹进行分析；螺旋进给旋转超声磨削加工中单颗磨粒的运动轨迹主要由四种运动方式合成，分别为刀具围绕加工孔中心做圆周运动、磨粒围绕主轴做回转运动、沿轴向的直线进给运动以及沿轴向的正弦超声振动：

s3：确定试验的基本条件以及进行试验过程；

s4：根据试验结果进行分析；

s5：分析加工参数对内孔粗糙度的影响；粗糙度的影响因素主要为：主轴转速的影响、进给速度的影响以及超声功率的影响。

作为本发明的一种实施方式，本发明s1中用以磨削的刀具包括刀身1、刀头固定件2以及磨粒刀具3；所述磨粒刀具3穿孔连接在刀头固定件2的内部；所述刀头固定件2螺纹转动连接在刀身1上；所述刀身1的前端开设有契合槽11；所述契合槽11的底面中部固定连接有抵块12；所述抵块12的中部固定嵌入连接有弹簧13；所述刀头固定件2的中部固定连接有契合块23；所述契合块23的中部开设有凹槽24；所述刀头固定件2的中部开设有通孔21；所述磨粒刀具3由限位板31和金刚石磨粒棒32组成；所述金刚石磨粒棒32固定连接在限位板31的中部；所述金刚石磨粒棒32穿孔连接在通孔21内；所述契合块23契合连接在契合槽11内；

作为本发明的一种实施方式，本发明s1中用以固定工件的固定机构由固定角块41、给进杆42以及夹持板421组成；所述固定角块41的底面上圆周对称开设有若干个安装孔412；所述固定角块41的侧壁上圆周对称开设有若干个通风孔411；所述给进杆42螺纹转动连接在固定角块41的侧壁上；所述夹持板421固定连接在给进杆42的前端。

作为本发明的一种实施方式，所述s2中，

刀具围绕加工孔中心做圆周运动的轨迹为：

式中，r1为刀具中心到加工孔中心的距离，单位为mm；n1为刀具绕加工孔中心的转速，单位为r/min；θ1为刀具初始相位，单位为rad；t为加工时间，单位为s；

磨粒围绕主轴做回转运动的轨迹为：

式中，r2为磨粒质心到刀具中心的距离，单位为mm；n2为机床主轴转速，单位为r/min；θ2为磨粒初始相位，单位为rad；

直线进给运动的轨迹为：

zf(t)＝vf(t)；

式中，vf为轴向进给速度，单位为mm/min；

轴向正弦超声振动的轨迹为：

zv(t)＝asin(2πft)；

式中，a为刀具超声振动的最大振幅，单位为mm；f为超声振动的频率，单位为hz；

综合以上得出单颗磨粒在超声振动辅助小孔磨削加工过程中的运动轨迹方程为：

作为本发明的一种实施方式，所述s3中，试验的基本条件具体为，试验需在超声振动精密加工中心上进行，且机床的最大额定转速为18000r/min，超声振动发生器的最大输出功率为300w，附加频率范围为18-30khz；试验时，需使用巴索高性能全合成切削液对加工区域进行降温、润滑和排屑；采用单因素试验方式，对主轴转速、进给速度、超声功率分别进行单因素试验，设计超声振动频率控制20khz，主轴转速范围控制在5000r/min。

作为本发明的一种实施方式，所述s4中，试验结果显示显微镜中可以清楚的看到螺旋形磨削痕迹，并采用sj-210粗糙度仪进行粗糙度检测，表明在旋转超声振动的辅助作用下，螺旋沟槽之间的隆起部分被有效的去除。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，主轴转速的影响具体为：随着主轴转速的提高，小孔表面的粗糙度整体上呈现逐渐降低的趋势。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，进给速度的影响具体为：随着进给速度增大，表面粗糙缓慢增大；当进给速度达到3.5mm/min时，普通磨削和超声振动磨削后的表面粗糙度分别增大到1.10μm和0.52μm。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，超声功率的影响具体为：随着超声功率的增大，工件表面的粗糙度出现波动下降。

实施例二：

如图1至图8所示，本发明所述的一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法，该制备方法包括以下步骤：

s1：了解旋转超声复合加工的原理；即在加工过程中，刀具轴线与工件平面保持垂直，通过工件做进给运动，由刀具周围的磨粒不断地旋转，对工件进行磨削切除；在主轴方向上，通过附加超声振动，带动刀具顶端的金刚石磨粒对固定在固定机构中的工件进行冲击，从而实现对工件的旋转超声复合加工。

s2：对旋转超声复合加工的加工轨迹进行分析；螺旋进给旋转超声磨削加工中单颗磨粒的运动轨迹主要由四种运动方式合成，分别为刀具围绕加工孔中心做圆周运动、磨粒围绕主轴做回转运动、沿轴向的直线进给运动以及沿轴向的正弦超声振动：

s3：确定试验的基本条件以及进行试验过程；

s4：根据试验结果进行分析；

s5：分析加工参数对内孔粗糙度的影响；粗糙度的影响因素主要为：主轴转速的影响、进给速度的影响以及超声功率的影响。

作为本发明的一种实施方式，本发明s1中用以磨削的刀具包括刀身1、刀头固定件2以及磨粒刀具3；所述磨粒刀具3穿孔连接在刀头固定件2的内部；所述刀头固定件2螺纹转动连接在刀身1上；所述刀身1的前端开设有契合槽11；所述契合槽11的底面中部固定连接有抵块12；所述抵块12的中部固定嵌入连接有弹簧13；所述刀头固定件2的中部固定连接有契合块23；所述契合块23的中部开设有凹槽24；所述刀头固定件2的中部开设有通孔21；所述磨粒刀具3由限位板31和金刚石磨粒棒32组成；所述金刚石磨粒棒32固定连接在限位板31的中部；所述金刚石磨粒棒32穿孔连接在通孔21内；所述契合块23契合连接在契合槽11内；

作为本发明的一种实施方式，本发明s1中用以固定工件的固定机构由固定角块41、给进杆42以及夹持板421组成；所述固定角块41的底面上圆周对称开设有若干个安装孔412；所述固定角块41的侧壁上圆周对称开设有若干个通风孔411；所述给进杆42螺纹转动连接在固定角块41的侧壁上；所述夹持板421固定连接在给进杆42的前端。

作为本发明的一种实施方式，所述s2中，

刀具围绕加工孔中心做圆周运动的轨迹为：

式中，r1为刀具中心到加工孔中心的距离，单位为mm；n1为刀具绕加工孔中心的转速，单位为r/min；θ1为刀具初始相位，单位为rad；t为加工时间，单位为s；

磨粒围绕主轴做回转运动的轨迹为：

式中，r2为磨粒质心到刀具中心的距离，单位为mm；n2为机床主轴转速，单位为r/min；θ2为磨粒初始相位，单位为rad；

直线进给运动的轨迹为：

zf(t)＝vf(t)；

式中，vf为轴向进给速度，单位为mm/min；

轴向正弦超声振动的轨迹为：

zv(t)＝asin(2πft)；

式中，a为刀具超声振动的最大振幅，单位为mm；f为超声振动的频率，单位为hz；

综合以上得出单颗磨粒在超声振动辅助小孔磨削加工过程中的运动轨迹方程为：

作为本发明的一种实施方式，所述s3中，试验的基本条件具体为，试验需在超声振动精密加工中心上进行，且机床的最大额定转速为18000r/min，超声振动发生器的最大输出功率为300w，附加频率范围为25khz；试验时，需使用巴索高性能全合成切削液对加工区域进行降温、润滑和排屑；采用单因素试验方式，对主轴转速、进给速度、超声功率分别进行单因素试验，设计超声振动频率控制18-30khz，主轴转速范围控制在8000r/min。

作为本发明的一种实施方式，所述s4中，试验结果显示显微镜中可以清楚的看到螺旋形磨削痕迹，并采用sj-210粗糙度仪进行粗糙度检测，表明在旋转超声振动的辅助作用下，螺旋沟槽之间的隆起部分被有效的去除。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，主轴转速的影响具体为：随着主轴转速的提高，小孔表面的粗糙度整体上呈现逐渐降低的趋势。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，进给速度的影响具体为：随着进给速度增大，表面粗糙缓慢增大；当进给速度达到3.5mm/min时，普通磨削和超声振动磨削后的表面粗糙度分别增大到1.10μm和0.52μm。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，超声功率的影响具体为：随着超声功率的增大，工件表面的粗糙度出现波动下降。

实施例三：

如图1至图8所示，本发明所述的一种氧化锆陶瓷内孔打磨方法，该制备方法包括以下步骤：

s1：了解旋转超声复合加工的原理；即在加工过程中，刀具轴线与工件平面保持垂直，通过工件做进给运动，由刀具周围的磨粒不断地旋转，对工件进行磨削切除；在主轴方向上，通过附加超声振动，带动刀具顶端的金刚石磨粒对固定在固定机构中的工件进行冲击，从而实现对工件的旋转超声复合加工。

s2：对旋转超声复合加工的加工轨迹进行分析；螺旋进给旋转超声磨削加工中单颗磨粒的运动轨迹主要由四种运动方式合成，分别为刀具围绕加工孔中心做圆周运动、磨粒围绕主轴做回转运动、沿轴向的直线进给运动以及沿轴向的正弦超声振动：

s3：确定试验的基本条件以及进行试验过程；

s4：根据试验结果进行分析；

s5：分析加工参数对内孔粗糙度的影响；粗糙度的影响因素主要为：主轴转速的影响、进给速度的影响以及超声功率的影响。

作为本发明的一种实施方式，本发明s1中用以磨削的刀具包括刀身1、刀头固定件2以及磨粒刀具3；所述磨粒刀具3穿孔连接在刀头固定件2的内部；所述刀头固定件2螺纹转动连接在刀身1上；所述刀身1的前端开设有契合槽11；所述契合槽11的底面中部固定连接有抵块12；所述抵块12的中部固定嵌入连接有弹簧13；所述刀头固定件2的中部固定连接有契合块23；所述契合块23的中部开设有凹槽24；所述刀头固定件2的中部开设有通孔21；所述磨粒刀具3由限位板31和金刚石磨粒棒32组成；所述金刚石磨粒棒32固定连接在限位板31的中部；所述金刚石磨粒棒32穿孔连接在通孔21内；所述契合块23契合连接在契合槽11内；

作为本发明的一种实施方式，本发明s1中用以固定工件的固定机构由固定角块41、给进杆42以及夹持板421组成；所述固定角块41的底面上圆周对称开设有若干个安装孔412；所述固定角块41的侧壁上圆周对称开设有若干个通风孔411；所述给进杆42螺纹转动连接在固定角块41的侧壁上；所述夹持板421固定连接在给进杆42的前端。

作为本发明的一种实施方式，所述s2中，

刀具围绕加工孔中心做圆周运动的轨迹为：

式中，r1为刀具中心到加工孔中心的距离，单位为mm；n1为刀具绕加工孔中心的转速，单位为r/min；θ1为刀具初始相位，单位为rad；t为加工时间，单位为s；

磨粒围绕主轴做回转运动的轨迹为：

式中，r2为磨粒质心到刀具中心的距离，单位为mm；n2为机床主轴转速，单位为r/min；θ2为磨粒初始相位，单位为rad；

直线进给运动的轨迹为：

zf(t)＝vf(t)；

式中，vf为轴向进给速度，单位为mm/min；

轴向正弦超声振动的轨迹为：

zv(t)＝asin(2πft)；

式中，a为刀具超声振动的最大振幅，单位为mm；f为超声振动的频率，单位为hz；

综合以上得出单颗磨粒在超声振动辅助小孔磨削加工过程中的运动轨迹方程为：

作为本发明的一种实施方式，所述s3中，试验的基本条件具体为，试验需在超声振动精密加工中心上进行，且机床的最大额定转速为18000r/min，超声振动发生器的最大输出功率为300w，附加频率范围为18-30khz；试验时，需使用巴索高性能全合成切削液对加工区域进行降温、润滑和排屑；采用单因素试验方式，对主轴转速、进给速度、超声功率分别进行单因素试验，设计超声振动频率控制30khz，主轴转速范围控制在10000r/min。

作为本发明的一种实施方式，所述s4中，试验结果显示显微镜中可以清楚的看到螺旋形磨削痕迹，并采用sj-210粗糙度仪进行粗糙度检测，表明在旋转超声振动的辅助作用下，螺旋沟槽之间的隆起部分被有效的去除。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，主轴转速的影响具体为：随着主轴转速的提高，小孔表面的粗糙度整体上呈现逐渐降低的趋势。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，进给速度的影响具体为：随着进给速度增大，表面粗糙缓慢增大；当进给速度达到3.5mm/min时，普通磨削和超声振动磨削后的表面粗糙度分别增大到1.10μm和0.52μm。

作为本发明的一种实施方式，所述s5中，超声功率的影响具体为：随着超声功率的增大，工件表面的粗糙度出现波动下降。

工作时，将金刚石磨粒棒32穿孔固定在刀头固定件2内，并随后将刀头固定件2固定连接在刀身1上，从而在金刚石磨粒棒32产生磨损需要更换时，只需要更换其中的金刚石磨粒棒32即可，能够有效的减少加工的成本，且工件在加工前，在人工的操作下将其固定在固定机构中，并通过给进杆42螺纹转动在固定角块41的侧壁上，配合前端的夹持板421对固定角块41中部的工件进行固定，且固定角块41边侧的通风孔411能够在磨削的过程中有效的散热和排屑，其中固定角块41底部的安装孔412用于连接螺栓，可以通过螺栓连接固定角块41与工作台，从而能够通过螺栓对固定角块41的高度进行调节，避免工件过长导致无法固定在固定角块41中。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。