一种碳化硅陶瓷深小孔的超精密加工方法

1.本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种碳化硅陶瓷深小孔的超精密加工方法。


背景技术：

2.工程材料的分类方法有很多种，比较科学的方法是根据材料的本性或材料结合键的性质进行分类。一般将工程材料分为陶瓷材料、金属材料、高分子材料和复合材料四大类。其中陶瓷材料是人们应用最早的材料。近年来，工程陶瓷材料由于其高的强硬度、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀和较强的抗氧化性等众多工程优点，除在机械、化工、冶金等传统产业中外，在战略性新兴产业领域如航天航空、电子信息、新能源、节能环保、海洋工程、生物工程、新材料等领域也正获得越来越广泛的应用，这也是工程陶瓷产业发展的新增长点，极大地推动了人类科技的发展。在航天航空领域中，材料大多在超高温度、超高真空以及强烈的辐照等极端苛刻环境中使用，因而要求材料具有高比强、高比模、耐高温以及抗烧蚀等特性。众多陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料已成为火箭喷嘴、推力室等不可或缺的材料，尤其是在孔系众多的复杂壳体(如航空发动机的壳体等)上的使用越来越深入。工程陶瓷材料具备优良性能，同时这也决定了其加工难度。工程陶瓷材料的高脆性和低断裂韧性等特性使得其在加工过程中易产生变形层、微裂纹、残余应力等缺陷，这些因素的存在也在一定程度上限制了工程陶瓷材料的运用和进一步发展。碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如较高的抗弯强度、抗氧化性、耐腐蚀性、抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)也很好，在航空航天、电子通讯、生物医疗等领域具有广泛应用，因此，针对碳化硅陶瓷材料深小孔高效加工技术这一方向的研究显得尤为重要。工程陶瓷的普通深小孔加工技术具有很大的操作难度，且加工质量和加工效率也难以保证，这是由深小孔自身结构和加工材料属性共同导致的。对于普通的机械钻削来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率，而且使用细长的钻头，会导致孔加工工具的刚度和强度降低，抗扭矩能力变差，很容易发生偏移和振动，这些对加工精度的影响是不可忽略的
[1-2]
。工程陶瓷材料具有较小的线膨胀系数，硬度高，易产生裂纹，抗拉及抗冲击性能差，容易产生崩边过大以及精度过低等问题，属于典型的难加工硬脆材料，普通的机械加工很难实现达到要求的表面质量。
[0003]
目前，针对小孔的加工方法大约有50多种。其中最主要的是钻削加工、电火花穿孔、电解加工、电火花-电解复合加工、激光加工、电子束加工和超声加工。钻削加工对刀具损耗大，不适用于在难加工材料上进行深小孔加工；电火花穿孔是加工大深径比深小孔的主要加工方法，能加工任何导电材料，但随着孔加工深度的增加，还存在着散热、排屑及导向困难，加工精度降低等问题，孔壁往往存在微裂纹、热影响区及重铸层；电解加工也属于非接触加工，加工后孔壁无重铸层、微裂纹等缺陷，但对环境不友好，加工效率慢；激光加工精度和表面粗糙度不够理想，表面有再铸层
[3]
。
[0004]
[1]马名峻,王德新.一种利用电化学钝化极化现象的超深小孔电火花复合加工工
艺[j]电加工与模具,2015(s1):54—58.
[0005]
[2]龚琪,沈景凤,谢建林.工程陶瓷材料的加工技术及应用进展研究[j].人工晶体学报,2016,45(07):1898-1905.
[0006]
[3]黄绍服,杨盼,李君.深小孔加工方法综述[j].机床与液压,2019,47(5):151-155.huang shaofu，yang pan，li jun.review ofdeepholes machining[j].machine tool&hydrauljcs,2019,47(5):151-155.


技术实现要素：

[0007]
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种碳化硅陶瓷深小孔的超精密加工方法，具有高效率、低损伤、低表面粗糙度、更好的入口和出口处质量等特点，可以明显改善深小孔出口处崩边现象，是工程陶瓷材料深小孔加工的一个高效加工技术。
[0008]
为了实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
[0009]
一种碳化硅陶瓷深小孔的超精密加工方法，包括以下步骤：
[0010]
步骤一、将碳化硅陶瓷块进行打磨和抛光处理，并固定在超声辅助磨削机床上；
[0011]
步骤二、在轴向超声振动作用下加工若干个与刀具同直径的深小孔ⅰ，并留出余量ⅰ；所述若干个深小孔ⅰ均布在待加工的深小孔ⅱ的中心处且相互交叠，刀具进给速度为25mm/min-35mm/min，主轴转速为6000rpm-10000rpm，在入口处降低进给速度至20mm/min，增大主轴转速至10000rpm；
[0012]
步骤三、在出口处降低进给速度至20mm/min，增大主轴转速至10000rpm，并留出余量ⅱ；
[0013]
步骤四、在轴向超声振动作用下去除余量ⅰ和余量ⅱ，刀具进给速度为15mm/min-20mm/min，主轴转速为8000rpm-10000rpm，获得碳化硅陶瓷深小孔ⅱ。
[0014]
进一步的，所述余量ⅱ的宽度d2大于余量ⅰ的宽度d1，所述余量ⅰ与余量ⅱ呈阶梯状。
[0015]
进一步的，所述余量ⅱ的宽度d2与余量ⅱ的高度d3相同。
[0016]
进一步的，步骤三中，在待加工的深小孔ⅱ的出口处加工的通孔与刀具的直径相同。
[0017]
进一步的，所述待加工的深小孔ⅱ的深度和直径比大于5。
[0018]
进一步的，步骤二中，所述刀具的振幅为4μm-5μm。
[0019]
进一步的，每一步的磨削过程均使用水基冷却液对工件进行冷却并同时清除磨屑。
[0020]
进一步的，所使用的刀具为镍基电镀金刚石刀具。
[0021]
与现有的碳化硅陶瓷深小孔加工方法相比，本发明具有以下优势之处：
[0022]
1.本发明采用超声辅助磨削加工方法，能够在传统磨削的基础上进一步有效降低表面粗糙度和切削力，现有记载中超声辅助磨削加工陶瓷时进给速度为150mm/min-550mm/min，主轴转速2500-5000r/min，会有微破碎造成的微小裂纹和较浅的斜裂纹产生，采用本发明中的技术参数可以获得更高质量的深径比大于5的碳化硅陶瓷深小孔。
[0023]
2.现有技术中加工碳化硅陶瓷深小孔时，没有记载过此种加工轨迹，本发明所记载的刀具加工轨迹考虑了磨削硬脆材料时刀具的强度和硬度，可以减小砂轮在切削力作用
下的变形，提高加工质量和加工效率。
[0024]
3.本发明在加工碳化硅陶瓷深小孔时可以获得更好的小孔入口及出口处质量，明显改善崩边现象。
附图说明
[0025]
图1为本发明刀具与碳化硅陶瓷工件结构示意图；
[0026]
图2为本发明实施例1中深小孔ⅰ的加工示意图；
[0027]
图3为本发明实施例1中步骤2后工件形貌示意图；
[0028]
图4为本发明实施例1中步骤3后阶梯状余量ⅱ的结构示意图；
[0029]
其中，1、刀具，2、碳化硅陶瓷工件，3、深小孔ⅰ，4、深小孔ⅱ，5、余量ⅰ，6、余量ⅱ，7、通孔。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是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做出创造性劳动的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。
[0031]
具体实施方式一
[0032]
在本具体实施方式中，待加工的深小孔记为深小孔ⅱ4。
[0033]
一种碳化硅陶瓷深小孔的超精密加工方法，包括以下步骤，
[0034]
步骤一：将碳化硅陶瓷工件2进行打磨和抛光处理，置于超声辅助磨削机床上，并使用v型块进行工件的完全固定，将镍基电镀金刚石刀具安装在刀柄上；
[0035]
步骤二：先在轴向超声振动作用下沿刀具轨迹对碳化硅陶瓷工件2进行深小孔ⅱ4的粗加工，即根据深小孔ⅱ4尺寸以及磨削加工刀具的尺寸来确定其轨迹，先加工若干个与刀具1同直径的深小孔ⅰ3，并留出余量ⅰ5，所述若干个深小孔ⅰ3均布在待加工的深小孔ⅱ4的中心处且相互交叠，刀具1进给速度25mm/min-35mm/min，主轴转速6000rpm-10000rpm，振幅为4μm-5μm，在入口处适当降低进给速度，增大主轴转速至10000rpm，降低进给速度至20mm/min，磨削过程中使用水基冷却液进行冷却，同时清除磨屑。
[0036]
步骤三：在出口处适当降低进给速度，增大主轴转速至10000rpm，降低进给速度至20mm/min，磨削过程中使用水基冷却液进行冷却，同时清除磨屑，并保留余量ⅱ6，所述余量ⅱ6的宽度大于余量ⅰ5的宽度，所述余量ⅱ6与余量ⅰ5呈阶梯状；优选的，出口处通孔的直径与刀具1的直径相同，余量ⅱ6的宽度与高度相同。
[0037]
步骤四：在轴向超声振动作用下沿刀具轨迹(待加工的深小孔ⅱ的轮廓线)对碳化硅陶瓷工件2进行精加工，刀具1进给速度15mm/min-20mm/min，主轴转速8000rpm-10000rpm，去除步骤二中剩余加工余量ⅰ5；磨削过程中使用水基冷却液进行冷却，同时清除磨屑；
[0038]
步骤五：在轴向超声振动作用下沿刀具轨迹(待加工的深小孔ⅱ的轮廓线)对碳化硅陶瓷工件进行精加工，刀具进给速度15mm/min-20mm/min，主轴转速8000rpm-10000rpm，去除出口处阶梯状的余量ⅱ6，磨削过程中使用水基冷却液进行冷却，同时清除磨屑；最后
获得高质量的深小孔ⅱ4。设置阶梯状的余量ⅱ6的目的是减少出口处崩边现象，提高出口处质量。
[0039]
使用低速切割机对加工出的深小孔ⅱ4进行加工，沿着深小孔ⅱ4的直径方向对其进行切割；利用共聚焦显微镜对切割后的深小孔ⅱ4的内部表面进行表面粗糙度的测量。
[0040]
其中，磨削过程中超声振动是轴向的，超声振动振幅的存在会一定程度上降低切削力和表面粗糙度，但超声振幅过大会在去除材料时造成不可忽视的表面缺陷，反而使得表面质量下降，表面粗糙度增大，因此在超声辅助磨削碳化硅陶瓷工件深小孔时选取刀具振幅为4μm-5μm。主轴轴向进给速度增大时，在单位时间内，金刚石磨粒去除掉的陶瓷材料变多，磨削深度增大，导致磨屑增大，深小孔表面的微细裂纹和缺陷增大、数量增加，由于陶瓷材料本身的硬脆性，导致加工过程中极易出现裂纹和崩边等情况，因此，为改善入口及出口处崩边现象，应适当降低进给速度。
[0041]
实施例1
[0042]
一种碳化硅陶瓷深小孔的超精密加工方法，包括以下步骤：
[0043]
步骤1：将碳化硅陶瓷块进行打磨和抛光处理，置于超声辅助磨削机床上，并使用v型块进行工件的完全固定，将镍基电镀金刚石刀具安装在刀柄上；
[0044]
步骤2：先在轴向超声振动作用下沿刀具轨迹对碳化硅陶瓷进行深小孔ⅱ的粗加工，即根据深小孔ⅱ尺寸以及磨削加工刀具的尺寸来确定其轨迹，加工若干个与刀具同直径的深小孔ⅰ，并留出余量ⅰ；所述若干个深小孔ⅰ均布在待加工的深小孔ⅱ的中心处且相互交叠，轨迹如图2所示，在该实施例中，先加工4个直径为刀具直径1mm的深小孔ⅰ，并留出最大值为0.3mm的余量，刀具进给速度25mm/min-35mm/min，主轴转速6000rpm-10000rpm，振幅为4μm-5μm，在入口处适当降低进给速度，增大主轴转速至10000rpm，降低进给速度至20mm/min，磨削过程中使用水基冷却液进行冷却，同时清除磨屑；
[0045]
步骤3：在出口处适当降低进给速度，增大主轴转速至10000rpm，降低进给速度至20mm/min，磨削过程中使用水基冷却液进行冷却，同时清除磨屑，并保留d3＝d2＝0.5mm的阶梯状余量ⅱ，出口处通孔7的直径与刀具的直径相同，如图4所示；
[0046]
步骤4：在轴向超声振动作用下沿刀具轨迹(待加工的深小孔ⅱ的轮廓线)对碳化硅陶瓷材料工件进行精加工，刀具进给速度15mm/min-20mm/min，主轴转速8000rpm-10000rpm，去除步骤2中剩余加工余量ⅰ；磨削过程中使用水基冷却液进行冷却，同时清除磨屑；
[0047]
步骤5：在轴向超声振动作用下沿刀具轨迹(待加工的深小孔ⅱ的轮廓线)对碳化硅陶瓷工件进行精加工，刀具进给速度15mm/min-20mm/min，主轴转速8000rpm-10000rpm，去除出口处阶梯状余量ⅱ，获得孔径为2mm，孔深为15mm的高质量深小孔ⅱ。
[0048]
使用低速切割机对加工出的深小孔ⅱ进行加工，沿着深小孔ⅱ的直径方向对其进行切割；利用共聚焦显微镜对切割后的深小孔ⅱ的内部表面进行表面粗糙度的测量，测得其表面粗糙度为0.4842μm。
[0049]
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。