氧化锆的微细孔加工工艺及装置的制作方法

1.本发明涉及机加工技术领域，特别涉及一种氧化锆的微细孔加工工艺及装置。


背景技术：

2.目前，行业中在超硬材料氧化锆(烧结后硬度达到90度以上)其上进行微细孔(孔径小于0.05mm)加工都是以激光打孔为主，这种方式打出的微细孔孔口不美观、孔内光洁度、真圆度差。因此，亟需提供一种能够在氧化锆材料上打出美观微细孔的加工工艺。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种氧化锆的微细孔加工工艺，旨在能够在氧化锆材料上打出孔内光洁度高、真圆度良好微细孔的工艺。
4.为实现上述目的，本发明提出的氧化锆的微细孔加工工艺，包括：
5.根据工件的结构及工件上待加工孔的位置设置夹具结构；
6.根据工件的材质和工件上待加工孔的参数选择钻孔用的目标刀具；
7.根据工件的材质及目标刀具设置加工参数；
8.根据所述夹具、所述目标刀具及所述加工参数在所述工件上钻孔。
9.在一些实施例中，根据工件的材质确和工件上待加工孔的参数选择钻孔用的目标刀具，包括：
10.根据工件的材质选择目标刀具所需的目标材质；
11.在刀具的目标材质确定后，获取目标材质的刀具在前刃夹角取值区间为[90
°
,135
°
]时，不同前刃夹角的刀具对工件钻孔时的刃尖磨损；
[0012]
根据所述刃尖磨损选择目标刀具的前刃夹角。
[0013]
在一些实施例中，所述目标刀具的前刃夹角不小于120
°
且不大于135
°
。
[0014]
在一些实施例中，根据工件的材质和工件上待加工孔的参数选择钻孔用的目标刀具，还包括：
[0015]
根据待加工孔的孔径确定目标刀具的钻刃直径d；
[0016]
根据所述钻刃直径确定目标刀具的钻刃的最大刃长l1，其中，l1＝5d；
[0017]
根据待加工孔的孔深确定目标刀具的钻刃的最小刃长l2；
[0018]
获取钻刃刃长范围在[l2,l1]时，不同钻刃刃长的刀具在工件上钻孔时刀具的刚性状况、及所钻孔的真圆度和孔内壁光洁度；
[0019]
根据所述刚性状况、所钻孔的真圆度和孔内壁光洁度选择目标刀具钻刃的刃长。
[0020]
在一些实施例中，所述目标刀具钻刃的刃长不小于0.2mm且不大于0.4mm。
[0021]
在一些实施例中，根据工件的材质及目标刀具设置加工参数，包括：
[0022]
根据工件的材质及目标刀具的材质确定钻孔时的切削速度；
[0023]
根据公式1钻孔时目标刀具的目标转速，公式1如下：
[0024]
n＝1000
×
v/(π
×
d)，
[0025]
公式1中，n为刀具转速(单位为r/min)，v为切削速度(单位为：m/min)，π为圆周率，d为刀刃直径(单位为：mm)；
[0026]
根据公式2计算钻孔时目标刀具的目标进给速度，公式2如下：
[0027]
f＝n
×z×
fz，
[0028]
公式2中，f为进给速度(单位为：mm/min)，n为目标刀具的转速，z为目标刀具的刀刃刃数，fz为每一刃的切削量(单位为：mm)。
[0029]
在一些实施例中，在求得进给速度后，根据工件的材质及目标刀具设置加工参数，还包括：
[0030]
获取目标刀具在目标转速和目标进给速度下，以不同预设单次切削量对工件钻孔时的刀具损耗；
[0031]
根据所述刀具损耗确定钻孔时的目标单次切削量。
[0032]
在一些实施例中，根据所述夹具、所述目标刀具及所述加工参数在所述工件上钻孔，包括：
[0033]
控制目标刀具以进刀和退刀相互交替的方式完成钻孔，其中，每次进刀的钻孔量以所述目标单次切削量为基准。
[0034]
在一些实施例中，所述夹具包括定位板，所述定位板上设有多个夹持槽，所述多个夹持槽在所述定位板上间隔分布，且所述多个夹持槽的开口朝向一致，所述夹持槽用以供工件固定。
[0035]
本发明还提出一种微细孔加工装置，其特征在于，包括夹具及刀具，所述夹具及所述刀具基于上述任一项所述的氧化锆的微细孔加工工艺设置，所述微细孔加工装置基于上述任一项所述的氧化锆的微细孔加工工艺的加工参数对工件进行钻孔作业。
[0036]
本技术技术方案的氧化锆的微细孔加工工艺，通过根据工件结构及工件上待加工孔的位置以设置夹具，再根据工件的材质及工件上待加工孔的参数选择目标刀具，并根据工件的材质及所选择的目标刀具以设置加工参数，如此，使用上述夹具、目标刀具及加工参数便可在工件上加工出真圆度及孔内壁光洁度符合需求的微细孔。可见，相较于传统的通过激光打孔的加工工艺，本技术技术方案的氧化锆的微细孔加工工艺具有在氧化锆材料上打孔效果好的优点。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明氧化锆的微细孔加工工艺一实施例的流程图；
[0039]
图2为本发明氧化锆的微细孔加工工艺一实施例的夹具的结构示意图；
[0040]
图3为本发明氧化锆的微细孔加工工艺一实施例的目标刀具的结构示意图；
[0041]
图4为图3所示实施例中目标刀具的部分结构示意图。
[0042]
附图标号说明：
[0043]
100、夹具；110、定位板；120、夹持槽；200、目标刀具；210、钻刃
[0044]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0047]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0048]
本发明提出一种氧化锆的微细孔加工工艺。
[0049]
在本发明实施例中，如图1至图4所示，该氧化锆的微细孔加工工艺，包括：
[0050]
s10、根据工件的结构及工件上待加工孔的位置设置夹具100结构。
[0051]
这其中，工件即是所要加工的待加工工件，待加工孔则是工件上预开孔，夹具100则是在钻孔过程中用以固定工件的器具。
[0052]
具体地，步骤s10为根据工件的形状及待加工孔在工件上的位置以设置夹具100的结构。如此，可实现对夹具100的定制化。
[0053]
通常，在机加工中，工件由机床上预设置的标准夹具100夹持。而在本技术的技术方案中，通过夹具100的定制化设置，能够适配工件的结构及钻孔的加工方式，改善工件在加工过程中的受力情况，进而降低工件在加工过程中产生的振动，提高工件的加工精度，从而有助于提高孔内的光洁度及孔的真圆度。此外，通过定制化的夹具100还可提高工件在机床上的拆装效率，以提高机床的生产效率。
[0054]
进一步地，在一些实施例中，所述夹具100包括定位板110，该定位板110上设有多个夹持槽120，多个夹持槽120在定位板110上间隔分布，且多个夹持槽120的开口朝向一致，夹持槽120用以供工件固定。具体而言，在对工件进行钻孔作业时，可将工件固定于夹持槽120中，该夹持槽120中设置于夹持臂等结构以夹持工件。由于定位板110上设有多个夹持槽120，因此在钻孔时，定位板110上可以同时夹持多个工件，以提高生产效率。此外，由于多个夹持槽120的在定位板110上位置固定，故而工件置于夹持槽120后其位置及间隔也相对固定，如此，亦有助于提升机床的打孔精度。
[0055]
具体地，可通过在夹持槽120内设置弹性垫、可活动夹板等结构以固定工件。
[0056]
s20、根据工件的材质和工件上待加工孔的参数选择钻孔用的目标刀具200。
[0057]
这其中，目标刀具200是指实际加工时对工件执行钻孔作业的刀具。
[0058]
具体地，根据工件的材质可确定工件的硬度，进而以确定刀具的材质。基本而言，刀具的硬度需大于工件的硬度，才能够对工件进行钻孔。而待加工孔的参数则可用以确定刀具刀刃的参数，以确保能够在工件上钻出满足需求的孔。
[0059]
在一些实施例中，根据工件的材质确和工件上待加工孔的参数选择钻孔用的目标刀具，包括：
[0060]
s21、根据工件的材质选择目标刀具所需的目标材质。
[0061]
具体地，根据工件的材质能够确定工件的物理特性，进而以确定工件的硬度，基于该工件的硬度，可选择硬度大于工件硬度的材质作为目标刀具200的材质。
[0062]
举例来说，若工件的材质为氧化锆，那么根据氧化锆的物理性质可知，工件的硬度大于9，此时，可选择含有金刚石的刀具作为目标刀具200所需的材质，例如焊接单晶钻石刀。
[0063]
s22、在刀具的目标材质确定后，获取目标材质的刀具在前刃夹角取值区间为[90
°
,135
°
]时，不同前刃夹角的刀具对工件钻孔时的刃尖磨损。
[0064]
这其中，前刃夹角是指刀具钻孔端的刀刃与刀具中轴线的夹角。该前刃夹角的取值区间为[90
°
,135
°
]，是指刀具的前刃夹角不小于90
°
，且不大于135
°
。刀具的刃尖磨损则是刀具在钻孔时刃尖的磨损，该刃尖磨损通常以毫米计。
[0065]
具体而言，当刀具的前刃夹角在[90
°
,135
°
]这个区间时，刀具在对工件进行钻孔时，刀具的刃尖磨损较小，且刀具的刚性好，不易出现断刃或崩坏工件的事故。
[0066]
进一步地，通过制作不同前刃夹角的刀具，并用这些刀具对同一材质工件进行钻孔，便可得到不同前刃夹角下的刀具钻孔时的刃尖磨损。
[0067]
举例来说，以工件的材质为氧化锆，刀具的目标材质为金刚石为例：
[0068]
当前刃夹角为90
°
时，刀具的刀尖磨损0.15mm；
[0069]
当前刃夹角为118
°
时，刀具的刀尖磨损0.1mm；
[0070]
当前刃夹角为120
°
时，刀具的刀尖磨损0.0002mm；
[0071]
当前刃夹角为130
°
时，刀具的刀尖磨损0.01mm；
[0072]
当前刃夹角为135
°
时，刀具的刀尖磨损0.05mm。
[0073]
s23、根据所述刃尖磨损选择目标刀具的前刃夹角。
[0074]
具体而言，在得到不同前刃夹角下刀具的刃尖磨损后，可取刃尖磨损最小的前刃夹角作为目标刀具200的前刃夹角。如此，能够尽可能地减少刀具钻孔时的刃尖磨损，以延长刀具的使用寿命。
[0075]
可选地，根据刀具的刃尖磨损，目标刀具200的前刃夹角可设置为不小于120
°
且不大于135
°
，即，目标前刃夹角大于或等于120
°
，且小于或等于135
°
。示例性的，目标刀具200的前刃夹角可设置为120
°
、121
°
、122
°
、123
°
、124
°
、125
°
、126
°
、127
°
、128
°
、129
°
、130
°
、131
°
、132
°
、133
°
、134
°
、135
°
。
[0076]
在一些实施例中，根据工件的材质和工件上待加工孔的参数选择钻孔用的目标刀具，还包括：
[0077]
s110、根据待加工孔的孔径确定目标刀具的钻刃直径d。
[0078]
这其中，钻刃210是指刀具起钻孔作用的部分。
[0079]
具体地，刀具钻刃210的直径需与工件上待加工孔的孔径保持基本一致(该基本一
致是指刀刃相较于孔径的公差控制在预设范围内，具体范围可根据实际加工情况做适应性设计，本技术对比不做具体限定)，才能在工件上钻出符合加工需求的孔。
[0080]
举例来说，若待加工孔的孔径为0.03mm
±
0.002mm，则刀具钻刃210的直径应为0.03mm。
[0081]
s120、根据所述钻刃直径确定目标刀具的钻刃的最大刃长l1，其中，l1＝5d。
[0082]
具体地，l1＝5d，即是说，目标刀具200钻刃210的最大刃长为5倍的钻刃210直径。换言之，目标刀具200钻刃210的实际刃长小于或等于5倍的钻刃210直径。这样设置，能够保证目标刀具200的钻刃210具有足够刚性，如此，在钻孔过程中刀具不易发生断刃问题，从而有助于延长刀具的实用寿命。此外，钻刃210的刚性提升，也能够减少刀刃磨损，以提高工件的加工精度。
[0083]
s130、根据待加工孔的孔深确定目标刀具的钻刃的最小刃长l2。
[0084]
具体地，钻刃210的刃长至少要大于待加工孔的孔深，即使说，刀具的刃长最小刃长l2大于或等于待加工孔的孔深。换言之，目标刀具200钻刃210的实际刃长大于或等于待加工孔的孔深。通过限定目标刀具200钻刃210的最小刃长能够确保目标刀具200能够在工件上钻出符合需求的孔。
[0085]
s140、获取钻刃刃长范围在[l2,l1]时，不同钻刃刃长的刀具在工件上钻孔时刀具的刚性状况、及所钻孔的真圆度和孔内壁光洁度。
[0086]
这其中，钻刃210刃长范围在[l2,l1]是指刀具钻刃210的刃长不小于l2且不大于l1。孔的真圆度是指圆度误差，其是以其实际轮廓相对於理想圆的径向偏移量来表示，亦即相对于同一圆心之最大半径与最小半径的差值来表示。换言之，真圆度用以表示孔的圆度。光洁度是微观几何形状误差的一种，用以表示物体的表面粗糙度。换言之，孔内壁光洁度用以表示孔内壁的光滑度。
[0087]
具体地，若在钻孔时，刀具未发生断刀、崩刃等状况，则说明刀具的刚性良好，符合加工要求；反之，若有，则说明刀具刚性差，不符合加工要求。
[0088]
具体地，可在[l2,l1]这一范围内，设置不同钻刃210刃长的刀具若干，并逐一对工件进行钻孔，以获取刀具的刚性状况、孔的真圆度和孔内壁光洁度。
[0089]
s150、根据所述刚性状况、所钻孔的真圆度和孔内壁光洁度选择目标刀具钻刃的刃长。
[0090]
具体地，可在刚性满足加工要求的基础上，选择所钻孔的真圆度和孔内壁光洁度最佳的刀具的刃长，以作为目标刀具200钻刃210的刃长。
[0091]
例如，可选择孔内光洁度达到
▽
8、真圆度达到0.0025mm以内的刀具刃长作为目标刀具200钻刃210的刃长。
[0092]
可选地，所述目标刀具200钻刃210的刃长可以为设置为不小于0.20mm且不大于0.40mm。具体地，目标刀具200钻刃210的刃长可以为0.20mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm、030mm、0.31mm、0.32mm、0.33mm、0.34mm、0.35mm、0.36mm、0.37mm、0.38mm、0.39mm、040mm。
[0093]
可以理解，通过上述方式所确定的目标刀具200，能够适配于工件的材质及待加工孔的参数，以获取最佳地加工精度。
[0094]
s30、根据工件的材质及目标刀具200设置加工参数。
[0095]
具体地，根据工件的材质及目标刀具设置加工参数，包括：
[0096]
s31、根据工件的材质及目标刀具的材质确定钻孔时的切削速度。
[0097]
这其中，切削速度是刀具钻刃210上的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，其单位为m/min(米/分钟)。
[0098]
具体地，在获取该切削速度之前，可根据实验获取不同材质刀具对不同材质工件的最佳/较佳切削速度表，该最佳/较佳切削速度是指能够同时满足钻孔效率与刀具使用寿命(即不断刃、低损耗)要求的切削速度。如此，在确定了工件的材质即目标刀具200的材质后，便可依据上表，以获取当前目标刀具200的切削速度。
[0099]
示例性的，若工件的材质为氧化锆，刀具的材质为金刚石，则该切削速度v＝9.425m/min。
[0100]
s32、根据公式1钻孔时目标刀具的目标转速，公式1如下：
[0101]
n＝1000
×
v/(π
×
d)，
[0102]
公式1中，n为刀具转速(单位为r/min)，v为切削速度(单位为：m/min)，π为圆周率，d为刀刃直径(单位为：mm)。
[0103]
具体地，在确定了目标刀具200的切削速度后，便可依照公式1求出目标刀具200的转速，该转速即是切削时目标刀具200的转速。
[0104]
s33、根据公式2计算钻孔时目标刀具的目标进给速度，公式2如下：
[0105]
f＝n
×z×
fz，
[0106]
公式2中，f为进给速度(单位为：mm/min)，n为目标刀具200的转速，z为目标刀具200的刀刃刃数，fz为每一刃的切削量(单位为：mm)。
[0107]
这其中，进给速度是刀具上的基准点沿着刀具轨迹相对于工件移动时的速度，即钻孔速度；z为目标刀具200的刀刃刃数，通常z＝2；fz可以理解为每一刃的走刀量，z
×
fz即可求得刀具转一圈的走刀量。
[0108]
在一些实施例中，根据工件的材质及目标刀具200设置加工参数，还包括：
[0109]
s34、获取目标刀具在目标转速和目标进给速度下，以不同预设单次切削量对工件钻孔时的刀具损耗。
[0110]
这其中，刀具损耗是指刀具完成钻孔后刀具的磨损值。该单次切削量则是指钻孔过程中刀具每次的切削用量。根据实际钻孔情况，该单次切削量的预设值也不相同，可选地，该预设单次切削量可以设置为不小于0.0001mm且不大于0.0020mm。
[0111]
具体地，通过设置不同的单次切削量，进行复数次实验可测得刀具钻孔完成后的刀具损耗。这其中，为了提高测试精度，同一单次切削量可测试多次并取平均值。
[0112]
示例性的，以工件的材质为氧化锆，目标刀具的目标材质为金刚石，目标刀具的钻刃直径为0.05mm，刀具的转速为60000r/min，单次切削量ap拟定为介于0.0001mm-0.0020mm为例，测试结果如下：
[0113]
ap值为0.0002mm，时间t＝10min,刀具损耗0.1mm；
[0114]
ap值为0.0003mm，时间t＝9min,刀具损耗0.05mm；
[0115]
ap值为0.0004mm，时间t＝8min,刀具损耗0.01mm；
[0116]
ap值为0.0005mm，时间t＝7min,刀具损耗0.002mm；
[0117]
ap值为0.0006mm，时间t＝6min,刀具损耗0.01mm；
[0118]
ap值为0.0007mm，时间t＝4min,刀具损耗：断；
[0119]
ap值为0.0008mm，时间t＝3min,刀具损耗：断；
[0120]
ap值为0.0009mm，时间t＝4min,刀具损耗：断；
[0121]
ap值为0.0010mm，时间t＝1min,刀具损耗：断。
[0122]
在上述测试中，由于在ap介于0.0007mm～0.0010mm时，目标刀具200已经无法完成钻孔工作，因此无需测试ap介于0.0010mm～0.0020mm时，目标刀具200的刀具损耗。
[0123]
s35、根据所述刀具损耗确定钻孔时的目标单次切削量。
[0124]
具体而言，在确定了目标刀具200在不同单次切削量下的刀具损耗后，选择刀具损耗最小时的ap作为目标单次切削量即可。
[0125]
可以理解，通过上述方式，能够根据工件及目标刀具200以获取最佳的加工参数，以提高加工精度及加工效率。
[0126]
s40、根据所述夹具、所述目标刀具及所述加工参数在所述工件上钻孔。
[0127]
具体地，在确定了夹具100的结构、目标刀具200及加工参数后，便可以此对工件进行钻孔。
[0128]
在一些实施例中，根据所述夹具100、所述目标刀具200及所述加工参数在所述工件上钻孔，包括：
[0129]
控制目标刀具以进刀和退刀相互交替的方式完成钻孔，其中，每次进刀的钻孔量以所述目标单次切削量为基准。
[0130]
这其中，进刀是指控制目标刀具200在工件上钻孔；退刀则是指在进刀完成后控制目标刀具200脱离工件；而进刀时的钻孔量以目标单次切削量为基准则是指每次进刀时的钻孔量与目标单次切削量一致。
[0131]
具体地，在根据所确定的加工参数钻孔时，可控制目标刀具200以目标转速、目标进给速度在工件的待加工孔位钻孔，在钻孔时，控制目标刀具200每完成一次所述目标单次切削量的钻孔工作后，便脱离工件，之后再进行下一次的钻孔工件，直至工件钻孔完成。
[0132]
可以理解，通过进刀退刀相互交替的方式在工件上钻孔，能够分散刀具钻孔时的刚性压力，进而有助于避免断刀现象，以提高加工稳定性。并且，利用退刀的时机，还有助于刀具散热，提升刀具的物理性能，以延长刀具的使用寿命。
[0133]
可以理解，本技术技术方案的氧化锆的微细孔加工工艺，通过根据工件结构及工件上待加工孔的位置以设置夹具100，再根据工件的材质及工件上待加工孔的参数选择目标刀具200，并根据工件的材质及所选择的目标刀具200以设置加工参数，如此，使用上述夹具100、目标刀具200及加工参数便可在工件上加工出真圆度及孔内壁光洁度符合需求的微细孔。可见，相较于传统的通过激光打孔的加工工艺，本技术技术方案的氧化锆的微细孔加工工艺具有在氧化锆材料上打孔效果好的优点。
[0134]
本发明还提出一种微细孔加工装置，该微细孔加工装置包括夹具及刀具，该夹具及刀具基于上述的氧化锆的微细孔加工工艺设置，该微细孔加工装置则基于上述的氧化锆的微细孔加工工艺的加工参数对工件进行钻孔作业。由于本微细孔加工装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0135]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本
发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。