專利名稱：工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明《工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削工藝及裝置》，屬工程陶瓷材料的型面特種加工方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)陶瓷越來越多地在新型產(chǎn)品中得到應(yīng)用，如內(nèi)燃機(jī)火花塞、高溫軸承、化工、石油用泵的密封環(huán)，高溫坩堝，火箭、導(dǎo)彈導(dǎo)流罩，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)刮片，甚至陶瓷刀具等，已成為現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防和宇航等高技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的新型材料。但工程陶瓷的加工、特別是成形加工，至今仍非常困難而阻礙其擴(kuò)大應(yīng)用。對(duì)這些材料構(gòu)成的復(fù)雜成形構(gòu)件，一般是壓制燒結(jié)或壓制固化成形，但一次加工難以達(dá)到高精度，通常需在成形后再進(jìn)行二次加工。二次加工的方法很多，但主要還是采用機(jī)械磨削方法。由于工程陶瓷材料本身的硬、脆特性，機(jī)械磨削陶瓷不僅加工效率低，而且在加工過程中容易在加工表面產(chǎn)生微裂紋，這對(duì)于航空、航天、電子等高可靠性、高質(zhì)量要求的產(chǎn)品是決不允許的。為了推動(dòng)工程陶瓷材料的普及和應(yīng)用，人們一直在探索尋求高質(zhì)量、高精度、高效率的加工方法，其中，超聲一機(jī)械復(fù)合磨削加工，向人們展示了其優(yōu)異的加工特性陶瓷材料由機(jī)械磨削的表面擠壓、脆性崩裂轉(zhuǎn)變?yōu)槌暷ハ鲝?fù)合加工的延性“切削”狀態(tài)，從而磨削力減小，表面不會(huì)出現(xiàn)微裂紋，既提高了加工表面質(zhì)量、加工精度和加工效率，又降低了加工成本；已經(jīng)在平面、外圓、內(nèi)孔這樣一些簡(jiǎn)單形狀的加工中得到應(yīng)用，取得顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但是，對(duì)于工程陶瓷類硬脆材料整體構(gòu)件上的型面、如陶瓷小型整體葉輪的葉片型面的精密加工，目前還沒有什么好加工方法，通常采用陶瓷粉末壓制、燒結(jié)成形的方法，對(duì)于那些高精度、高表面質(zhì)量要求的型面，則需要在燒結(jié)成形后采取專用的成型工具拷貝式超聲加工，或者機(jī)械研磨拋光，這兩種方法的加工速度都很慢，加工成本很高；而且由于超聲加工時(shí)成型工具的損耗，機(jī)械研磨加工的成形加工能力低，則對(duì)于復(fù)雜型面的高精度光整加工都很困難。因此，嚴(yán)重影響了工程陶瓷在航空、航天、甚至一般民用動(dòng)力構(gòu)件中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)解決工程陶瓷整體構(gòu)件上復(fù)雜型面的加工難題，提出一種將數(shù)控、蠕動(dòng)進(jìn)給、超聲磨削、展成加工共4項(xiàng)技術(shù)集成于一體的、能進(jìn)行工程陶瓷復(fù)雜型面精密、高效加工的工藝技術(shù)及裝置。
本發(fā)明的工藝特征在于工程陶瓷工件沿Z軸方向超聲振動(dòng)(頻率20KHz，振幅5-15-可調(diào))，磨輪圍繞其主軸(垂直于Z軸)的高速旋轉(zhuǎn)(由調(diào)頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在100-20,000r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，常用3000-20,000r/min)，由五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)控制、隨五軸數(shù)控機(jī)床的相應(yīng)部件一起，實(shí)現(xiàn)磨輪-工件在X、Y、Z直線方向以及工件繞Z軸的旋轉(zhuǎn)共4維的相對(duì)送進(jìn)運(yùn)動(dòng)(送進(jìn)速度0.1mm/min數(shù)量級(jí))，則磨輪對(duì)工程陶瓷工件進(jìn)行具有數(shù)控展成、蠕動(dòng)進(jìn)給、超聲磨削共三大特征的型面成形加工；采用不同直徑(φ2mm-φ6mm)、不同長(zhǎng)度(6mm-20mm)、不同形狀(錐形、圓柱形)的電鍍金剛石磨輪，按照加工型面的要求編制對(duì)應(yīng)的數(shù)控展成運(yùn)動(dòng)程序，可以成形加工不同型面，具有快速響應(yīng)的加工能力和適應(yīng)范圍廣的加工柔性；在工件的超聲振動(dòng)方向(Z向)與展成加工運(yùn)動(dòng)的主送進(jìn)方向(Z向)相同的條件下進(jìn)行超聲磨削加工，有利于提高加工表面質(zhì)量，即表面粗糙度低、不產(chǎn)生微裂紋，特別有利于工程陶瓷的成形加工；采用蠕動(dòng)進(jìn)給超聲磨削參數(shù)，即大切深(0.1mm-1mm數(shù)量級(jí))、微進(jìn)給(0.1mm/min數(shù)量級(jí))，則容易實(shí)現(xiàn)延性域超聲磨削加工，導(dǎo)致磨削力減小，表面粗糙度降低，無表面微裂紋。
實(shí)現(xiàn)本數(shù)控展成、蠕動(dòng)進(jìn)給、超聲磨削成形加工的裝置包括五軸數(shù)控機(jī)床，機(jī)床控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是還包括電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)連于磨輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及超聲振動(dòng)系統(tǒng)，所述電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，包括微機(jī)，分別與微機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集卡和光電隔離器，數(shù)據(jù)采集卡的輸出與變頻器雙向相連；所述磨輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過磨輪主軸安裝座定位安裝在機(jī)床立軸Z向滑座上，該磨輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括與電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)相連的調(diào)頻電機(jī)，調(diào)頻電機(jī)通過皮帶輪與磨輪主軸相連，磨輪通過彈性?shī)A頭安裝在磨輪主軸上；所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)，包括超聲頻電源與壓電換能器雙向相連，壓電陶瓷換能器與其上端裝有工程陶瓷工件的變幅桿下端相連，安裝在套筒式安裝座內(nèi)，套筒式安裝座安裝在固定于機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度盤上。
本發(fā)明綜合計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)和蠕動(dòng)進(jìn)給、超聲磨削技術(shù)，利用研制開發(fā)的數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行蠕動(dòng)進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)數(shù)控展成超聲磨削成形加工，提高了加工柔性，不僅使生產(chǎn)準(zhǔn)備周期縮短，更加擴(kuò)大了成形加工范圍可以用簡(jiǎn)單形狀的磨輪，如球頭、端面、錐形、圓柱形磨輪，按照計(jì)算機(jī)數(shù)控指令，實(shí)現(xiàn)包括工程陶瓷在內(nèi)的硬脆材料葉片型面的數(shù)控展成超聲磨削成形加工，當(dāng)然也能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單型面加工。同時(shí)，采用合適的工藝參數(shù)，包括磨料粒度和濃度、磨輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度以及超聲振動(dòng)參數(shù)(振幅和頻率)，可實(shí)現(xiàn)工程陶瓷延性域加工，能得到高表面質(zhì)量(表面粗糙度低，不產(chǎn)生微裂紋)和高加工精度。
四

圖1是工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削成形加工裝置示意圖。
圖2是數(shù)控展成超聲磨削型面加工運(yùn)動(dòng)示意圖。
圖1中標(biāo)號(hào)名稱1a、五軸數(shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，2、分度盤，3、超聲頻電源，4、壓電陶瓷換能器，5、變幅桿，6、套筒式安裝座，7、陶瓷工件，8、磨輪，9、彈性?shī)A頭，10磨輪主軸，11、皮帶輪，12、調(diào)頻電機(jī)，1b、五軸數(shù)控機(jī)床的立軸Z向滑座，13、機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，14、電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，15、磨輪主軸安裝座。
圖2中標(biāo)號(hào)名稱同圖1。
五具體實(shí)施例方式實(shí)施本發(fā)明“工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削工藝”的裝置，如圖1所示。本裝置包括五軸數(shù)控機(jī)床1(實(shí)用新型專利ZL 96 2 31072.7)、相應(yīng)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)13(發(fā)明專利ZL 96 1 156810.2)、安裝在機(jī)床立軸Z向滑座1b上的磨輪主軸安裝座15、磨輪8及調(diào)頻電機(jī)12、電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)14、安裝于機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)1a上的超聲振動(dòng)系統(tǒng)。
磨輪8通過彈性?shī)A頭9定位安裝、夾緊在磨輪主軸10上，調(diào)頻電機(jī)12通過皮帶輪11與磨輪主軸10相連、增速驅(qū)動(dòng)磨輪主軸10及安裝于其上的磨輪8高速旋轉(zhuǎn)，并可沿Z向運(yùn)動(dòng)，電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)14通過變頻對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)并通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)、比較及控制，以保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定(以計(jì)算機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn))。
超聲振動(dòng)系統(tǒng)，包括超聲頻電源3、壓電陶瓷換能器4、變幅桿5和套筒式安裝座6，按軸心定位安裝、夾緊在分度盤2上，分度盤2按軸心定位安裝、夾緊在機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)1a上，陶瓷工件7按軸心定位安裝在變幅桿5的上端。根據(jù)圖1和圖2敘述本發(fā)明的工作過程實(shí)施工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削成形加工時(shí)，啟動(dòng)超聲頻電源3，則換能器4將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械振動(dòng)，通過變幅桿5將振幅增大并驅(qū)動(dòng)安裝于其上端、與換能器距離約1/2波長(zhǎng)處的陶瓷工件同頻率沿變幅桿軸向超聲振動(dòng)；磨輪8由變頻電機(jī)12驅(qū)動(dòng)而按照電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)14設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；高速旋轉(zhuǎn)的磨輪切入工件時(shí)，機(jī)械磨削與工件超聲振動(dòng)作用的復(fù)合，產(chǎn)生超聲磨削復(fù)合加工作用。在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)13的指令控制下，按照設(shè)定的加工參數(shù)和加工運(yùn)動(dòng)軌跡，磨輪8沿Z軸向下送進(jìn)，陶瓷工件7隨旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)1a-起繞Z軸(也是超聲振動(dòng)系統(tǒng)軸線)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)隨機(jī)床工作臺(tái)一起進(jìn)行X、Y向運(yùn)動(dòng)，由此而實(shí)施磨輪對(duì)工件葉片型面的數(shù)控展成、蠕動(dòng)進(jìn)給、超聲磨削成形加工。依據(jù)設(shè)計(jì)型面數(shù)據(jù)編制數(shù)控程序，由此而控制機(jī)床展成運(yùn)動(dòng)而保證成形加工的型面符合設(shè)計(jì)要求。
加工完一個(gè)型面，拔出定位銷釘，松開將套筒式安裝座6與分度盤2壓緊的壓板，將套筒式安裝座6旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度角，插入定位銷，重又將將套筒式安裝座6壓緊在分度盤2上，實(shí)施下一個(gè)葉片型面的數(shù)控展成、蠕動(dòng)進(jìn)給、超聲磨削成形加工。如此繼續(xù)，直至完成全部葉片型面，就加工完成了一個(gè)工程陶瓷整體葉輪。
權(quán)利要求
1.一種工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削工藝，其特征在于(1)工程陶瓷工件沿Z軸方向超聲振動(dòng)(頻率20KHz，振幅5-15μm可調(diào))，磨輪圍繞其主軸(垂直于Z軸)高速旋轉(zhuǎn)(由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在100-20,000r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，常用3000-20,000r/min)，由五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)控制、隨五軸數(shù)控機(jī)床的相應(yīng)部件一起，實(shí)現(xiàn)磨輪—工件間在X、Y、Z直線方向以及工件繞Z軸的旋轉(zhuǎn)共4維的相對(duì)送進(jìn)運(yùn)動(dòng)(送進(jìn)速度0.1mm/min數(shù)量級(jí))，則磨輪對(duì)工程陶瓷工件進(jìn)行具有數(shù)控展成、蠕動(dòng)進(jìn)給、超聲磨削共三大特征的葉片型面成形加工；(2)采用不同直徑(φ2mm-φ6mm)、不同長(zhǎng)度(6mm-20mm)、不同形狀(錐形、圓柱形)的電鍍金剛石磨輪，按照加工型面的要求編制對(duì)應(yīng)的數(shù)控展成運(yùn)動(dòng)程序，可以成形加工不同型面，具有快速響應(yīng)的加工能力和適應(yīng)范圍廣的加工柔性；(3)在工件的超聲振動(dòng)方向(Z向)與展成加工運(yùn)動(dòng)的主送進(jìn)方向(Z向)相同的條件下進(jìn)行超聲磨削加工，特別有利于提高加工表面質(zhì)量，即表面粗糙度低、不產(chǎn)生微裂紋，非常有利于工程陶瓷的成形加工；(4)采用蠕動(dòng)進(jìn)給超聲磨削參數(shù)，即大切深(0.1mm-1mm數(shù)量級(jí))、微進(jìn)給(0.1mm/min數(shù)量級(jí))，則容易實(shí)現(xiàn)延性域磨削加工，導(dǎo)致磨削力減小，表面粗糙度降低，無表面微裂紋。
2.一種工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削工藝裝置，包括五軸數(shù)控機(jī)床，機(jī)床控制系統(tǒng)(13)，其特征在于，還包括電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)(14)連于磨輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及超聲振動(dòng)系統(tǒng)，所述電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)(14)，包括微機(jī)，分別與微機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集卡和光電隔離器，數(shù)據(jù)采集卡的輸出與變頻器雙向相連；所述磨輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過磨輪主軸安裝座(15)安裝在機(jī)床立軸Z向滑座(1b)上，該磨輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括與電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)(14)相連的調(diào)頻電機(jī)(12)，調(diào)頻電機(jī)(12)通過皮帶輪(11)與磨輪主軸(10)相連，磨輪(8)通過彈性?shī)A頭(9)安裝在磨輪主軸(10)上；所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)，包括超聲頻電源(3)與壓電陶瓷換能器(4)雙向相連，壓電陶瓷換能器(4)與其上端裝有陶瓷工件(7)的變幅桿(5)下端相連，安裝在套筒式安裝座(6)內(nèi)，套筒式安裝座(6)安裝在固定于機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(1a)上的分度盤(2)上。
全文摘要
一種工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削工藝及裝置，屬工程陶瓷材料的型面特種加工方法及裝置。其工藝特征是工程陶瓷工件沿Z軸方向超聲振動(dòng)，磨輪圍繞其主軸(垂直于Z軸)高速旋轉(zhuǎn)，由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制、隨五軸數(shù)控機(jī)床的相應(yīng)部件一起，實(shí)現(xiàn)磨輪/工件間在X、Y、Z直線方向以及工件繞Z軸的旋轉(zhuǎn)共4維的相對(duì)送進(jìn)運(yùn)動(dòng)，則磨輪對(duì)工件進(jìn)行具有數(shù)控展成、蠕動(dòng)進(jìn)給和超聲磨削三大工藝特征的葉片型面成形加工。其加工裝置包括五軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、磨輪、磨輪主軸及其驅(qū)動(dòng)調(diào)頻電機(jī)、電機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、安裝工件并使其進(jìn)行超聲振動(dòng)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)等主要部件構(gòu)成了一個(gè)完整的工程陶瓷葉片型面數(shù)控展成蠕動(dòng)超聲磨削工藝裝置。
文檔編號(hào)B24B1/04GK1745966SQ20051009427
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者徐家文, 丁仕燕, 鄭建新, 嚴(yán)德榮 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)