工程陶瓷材料孔加工技术的试验

工程陶瓷材料孔加工技术的试验*

靳晓丽1袁军堂1肖冰2

1南京理工大学2南京航空航天大学

摘要:立足于传统加工方法,考虑加工的经济性、实用性和易操作性,采用新研制的单层高温钎焊金刚石套料钻及专用钻套夹具对工程陶瓷材料进行了钻孔加工试验,试验结果表明,该工艺方法可高效、简便地加工出高质量的陶瓷孔,具有实用和推广价值。

关键词:工程陶瓷,钎焊金刚石套料钻,专用钻套夹具

Experimental S tudy on Drilling Technology for Engineering Ceramics

Jin Xiaoli Yuan Juntang Xiao Bin

Abstract:T aken into account the machining cost,practicability and maneuverability,based on the traditional machining technology,a kind of newly developed brazed diamond trepanning tool and special clamp were designed to machine engineering ce ramics.The testing resul ts show that high quality holes can be obtained efficiently and handy by this drilling technology,so it!s worth applying and generalizing.

Keywords:engineering ceramics,brazed diamond trepanning tool,special clamp

1引言

工程陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐热、抗腐蚀、抗氧化、防核辐射等优异的性能,使之广泛应用于机械、电子、航空航天、能源、军事等领域。但是由于其硬脆特性,陶瓷的加工比多数金属材料困难得多,因此需要优质高效经济实用的的陶瓷加工新工艺新技术。各发达国家如德、日、美、英等国都非常重视工程陶瓷材料的开发和应用,特别是80年代以来,竞相投入大量资金和人力,在工程陶瓷加工理论和技术方面取得很大进展。

目前,国内外陶瓷孔加工普遍采用电火花、激光、超声振动和水射流等技术。电火花和激光加工效率高,但都有一定的适用范围,电火花加工不适用于绝大多数陶瓷材料,只能加工电阻率小于100 .c m的材料。激光和电火花加工都有可能引起工件热和化学反应,使材料产生龟裂和细微裂纹。超声振动加工无残留应力、也不产生细微裂纹,但是加工效率很低,高压水射流无法加工小孔。且这些加工方法也普遍存在加工成本高、设备繁杂、不易实验现场加工的缺点。作者考虑加工技术的实用性、经济性、易操作性,立足于传统加工方法,设计专用夹具,尝试着用最新研制的单层金刚石套料钻进行加工试验研究。

2工程陶瓷孔加工技术试验

2 1试验设备和冷却

试验设备是Z5125立式铣床(配备有无级调速器)。

工程陶瓷钻孔一般用水、乳化液冷却。乳化液成本高,且会对环境造成一定程度的污染。水对空气无污染,加工中也可大大降低切削区温度,成本低,在材料性能许可的情况下可优先采用。本次试验采用自来水冷却。

2 2刀具的选用

目前国内使用的单层金刚石套料钻无一例外都是电镀制成的,本次试验主要采用新研制出的单层高温钎焊金刚石套料钻进行加工,同时用日本和国产的各一个单层电镀金刚石套料钻进行对比加工试验。金刚石套料钻在加工过程中整个工具的端面都参与切削,端面的每个磨粒都相当于一把小的切削刀具,工具的外圆柱面也和工件接触,具有磨削作用。本次实验所用钎焊金刚石套料钻设计有端面和外圆柱面的金刚石粒度相同和不同两类。

图1为金刚石刀具示意图和照片。为了便于排屑,金刚石套料钻内孔设计成倒圆锥型,加工通孔时可以方便快速地把切屑从孔中取出。同时考虑到冷却和锋利度问题,设计了三种刀体形状:无槽式、等比例槽式和两倍槽式。刀壁厚度有三种尺寸:1mm、1 2mm、1 5mm,外径均为18mm。金刚石粒度有35 ~40目、70~80目、110~120目三个级别。

22工具技术

* 十五 国防预研基金资助项目(项目编号:404010502.1C)

收稿日期:2003年9月

图1 金刚石刀具

2 3 试验专用夹具装置

陶瓷材料在加工过程中因其 脆 的原因,极易发生崩裂小豁口,称为崩豁。产生崩豁的原因主要有二:一是刀具在开始切削陶瓷(孔的入口)时,刀具对其与陶瓷接触部分的压应力使得陶瓷表面出现微裂纹,若不采取任何防护措施,微裂纹则向周围扩展,在切屑所产生的拉应力的作用下,切屑连同被加工工件的一部分一起崩落;二是材料被切部分与已加工表面的的最后分离不是正常切削,而是由于拉伸破坏所致。

为了改善陶瓷的钻削条件,防止出现崩豁和微裂纹,我们设计了通过特殊钻套给材料施加预压力的钻套夹具,其结构简图如图2。该工艺装置通过圆环压块及上压板在刀具开始切削前就给陶瓷孔的入口周围施加预压力,平衡了切屑产生的拉应力,防止入口处微裂纹的扩展,避免入口处发生崩豁;在出口处加一支撑板,当刀具逼近陶瓷孔的出口时,使材料所受的拉应力减小,或者变为压应力即可防止加工终了时发生崩豁。上压板和下支撑板的材料可用1~3mm 的胶木板、

硬塑料板或木板等。

1 刀具

2 圆环压块

3 上压板

4 陶瓷

5 下支撑板

6 夹具体

图2 钻头工艺装置示意图

2 4试验结果与分析用壁厚1m m 、等比槽式、金刚石粒度70~80目的单层高温钎焊金刚石套料钻加工了200个孔,刀

具表面金刚石颗粒无明显脱落,用国产电镀金刚石

套料钻加工了5个孔、日本产刀具只加工了3个孔后金刚石磨粒都出现严重脱落。

在相同的工艺参数下,钎焊金刚石的加工速度快。这是由于电镀金刚石套料钻的镀层金属与基体和磨料的结合面不存在牢固的冶金化学结合,磨料只是被机械地埋镶在镀层金属中,因而把持力不大,在负荷较重的高效磨削作业中,刀具容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效。为增加把持力就必须增加镀层厚度,其结果磨粒裸露高度和容屑

空间减小,砂轮容易堵塞,因而加工速度相对要慢。而高温钎焊可实现金刚石、结合剂和金属基体界面上化学冶金结合,具有较高的结合强度,磨粒的裸露高度达70%~80%,因而钎焊金刚石套料钻锋利、容屑空间大,不易被堵塞,磨料的利用更加充分。

等比槽式的刀具刀壁越薄加工速度相对越快。110~120目粒度的金刚石刀具加工的表面质量最好,但是加工速度相对较低,35~40目粒度的金刚石加工速度最快,但加工表面质量较差。通常磨料粒度越粗,磨粒裸露高度和容屑空间越大,加工效率就高,但工件被加工表面的粗糙度也越大;粒度越小,磨粒裸露高度和容屑空间越小,加工效率就低,但是加工的表面质量好。

图3、4是本次试验中在同样切削条件下有无采用专用工艺装置两种情况下加工出孔的出入口对比照片。从图可知,没有采用试验工艺装置加工出的孔出入口都有严重的豁口,而采用试验装置的孔的出入口质量都很好,没有明显的崩豁。

(a)入口

(b)出口

图3 无工艺装置加工的孔

(a)入口

(b)出口

图4 有工艺装置加工的孔

这是由于预加压板以及压应力,减小了切削加工中产生的拉应力,改善了材料的切削加工性,从而防止了加工孔的出入口出现断裂和豁口。这就是陶

瓷材料 变压力切削原理 的应用。

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2004年第38卷∀5