[发明专利]陶瓷材料高速等应力切削防裂加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及脆硬材料的防裂切削，按国际专利分类表（IPC）划分属作业运输部，成型分部，机床；铣削大类，特殊工件的铣削、特殊铣削加工小类，脆硬材料防裂切削的高速加工技术领域。

背景技术

陶瓷，与金属相比具有硬度高、热稳定性好、耐磨耐蚀性优等特性。被用作耐火材料、陶瓷颜料，在机械、电子、光学、航空航天、生物、化学等领域已经有一定程度的应用。正因陶瓷的淬硬性，也给机械加工带来很大难度，目前主要通过高温烧结、高速磨削和激光切割成形来生产氧化锆等陶瓷制品，而烧结的变形、破裂缺陷，磨削的热裂纹、几何精准度不高以及刀具使用寿命短等不足，激光加工零件表面的局部剥落、表面光洁度难控制等不利，均限制了陶瓷现在应用的广度和深度。

按传统工艺方法，若加工过程中保持切削用量恒定，在不降低切削效率的情况下，试验表明陶瓷切削很难避免加工裂纹、剥落甚至折断等现象。其主要原因脆性陶瓷在切削过程中，切削力随着陶瓷显微组织不同、刀具挠性变形以及切削刃渐进磨钝等，是频繁变化的。本发明通过构建材料动态切削力切削（在切削过程中，试件承受切削力的断面处的实时剪切应力理论上恒等于一个安全应力的切削）模型，给出满足等剪应力切削的进给量与切削时间、切削深度函数关系式，进而提出适合去除多层材料的变切深的等剪应力切削5轴加工刀轨生成方法。该方法实施结果表明，在不降低切削效率的情况下，高速切削陶瓷可以避免崩裂、剥落甚至折断的产生。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种陶瓷材料高速等应力切削防裂加工方法，以解决陶瓷在切削过程中产生崩裂、剥落甚至折断现象，避免造成陶瓷工件报废带来的加工成本上升等问题。

本发明的技术解决方案是该陶瓷切削防裂加工方法的步骤如下：

（1） 高速铣削过程等剪应力设计切削力模型

将复杂薄壁件制作成多用预制品并采用悬伸夹持加工，加工件看成一悬臂梁，受三向切削力，其切削断面的实时剪应力是随加工过程中断面的形状和大小变化而变化的，n：刀具转速；f：刀具间歇前进方向；F_a：刀具轴向力；F_r：刀具径向力；F_t：刀具轴向力；L_c：加工件悬伸长度；那么，加工件在切削断面处受纯剪应力为

                       （1）

式（1）中，：刀具轴向和周向切削力的合力；：切削部位瞬时断面面积；那么，根据式（1），加工过程等剪应力表示为

                    （2）

其中

：铣刀轴向切削力与周向切削力之比；：切削深度；：每齿进给量初值；：切削宽度；：刀具公称直径；：参与切削的刀具齿数；：相关系数；

这里，：每层切削初始断面面积；

从式（2）可知，是常数，则

              （3）

若都不变，则一定是时间的函数，令、、 且，则式（3）展开为

     （4）

当时，式（4）可简化为

                （5）

随着切削时间的变化，断面面积将不断变小，因此切削力也应随着减小，可知函数是单调递减的，不妨设

                 （6） 

联立式（5）、（6）解之得

于是有

那么，加工刀轨等剪应力设计的力学模型为

           (7)

式（7）中， ：与实际切削时间有关的时间常数； ：剪切许用应力；

（2）等剪应力切削五轴加工刀轨生成方法

步骤（1）设计的随进给量递减变化的等剪应力切削模型，仅针对单层切削；对于毛坯到成品，需要多层切削才能完成，要使层与层之间的剪应力保持一个恒定的值，仅靠改变进给量一个参变量是不够的，为此，在设计等应力切削加工刀轨时，各切削层的切削深度也应该成递减变化；基于这一思想，提出了等剪应力切削高速铣五轴加工刀轨生成方法，其步骤如下所述：