CN111098392A

CN111098392A - 一种大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法

Info

Publication number: CN111098392A
Application number: CN202010019246.9A
Authority: CN
Inventors: 邹斌; 王鑫锋; 邢宏宇; 王鹏; 黄传真; 姚鹏; 史振宇
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-05-05

Abstract

本发明涉及一种大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，包括以下步骤，根据目标零件的尺寸，压制满足设定尺寸余量的陶瓷生胚，压制前需确定陶瓷生胚的形状，其中，陶瓷生胚形成包络目标零件的最小圆柱体时所需体积设定为第一数值，陶瓷生胚形成包络目标零件的最小长方体时所需体积设定为第二数值；取第一数值与第二数值中较小的一个所对应的形状，完成陶瓷生胚的压制；若陶瓷生胚为圆柱体，采用车削的方式将陶瓷生胚加工成为包络目标零件的最小圆柱台阶轴；若陶瓷生胚为长方体，采用铣削的方法将陶瓷生胚加工成包络目标零件的最小包络体结构；对预加工后的陶瓷生胚进行烧结，得到陶瓷零件；最后完成精基准和外形面加工。

Description

一种大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法

技术领域

本发明属于陶瓷加工技术领域，具体涉及一种大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法。

背景技术

陶瓷材料具有高硬度、高脆性和断裂韧性低的特点，使得其烧结成型后的表面加工，特别是曲面的加工变得十分困难。目前常见的陶瓷加工方法有传统的机械加工、超声加工、电加工、激光加工、磨削加工。

传统的机械加工是指使用超硬刀具进行车削加工，切削过程中切削热严重，极易发生刀具破损的现象；在加工过程中陶瓷材料受切削力作用容易在表面产生凹坑、崩口、裂纹等缺陷；且由于刀具的限制，切削用量通常很小导致加工效率极低。而超声加工、电加工、激光加工、磨削加工等加工方式分别具有各自的限制，例如适用范围较小、容易在陶瓷表面产生缺陷等。可知，陶瓷生胚完成烧结后，通过去除材料的方式完成陶瓷的外表面形状，尤其是曲面的加工，变得十分困难。

因此，在满足加工余量的情况下，陶瓷生胚压制时，应尽可能的使得陶瓷生胚拟合目标零件的形状，以减少烧结后陶瓷零件表面的材料去除量，减少加工难度。

陶瓷生胚在烧制前的成型工艺主要有干法成型和湿法成型，传统的湿法成型工艺如流延成型、凝胶注模成型、注射成型等，一定程度上可以实现复杂陶瓷零件成型。但是凝胶注模、注射成型工艺均需要定制专门的模具，成本较高，不适用于小批量的个性化生产。流延成型工艺虽然能通过流延片的层层叠加制造形状较复杂的零件，但是工艺过程繁琐，而且所制备零件台阶效应明显，大大降低了零件表面质量。

由此可知，通过胚料得到形状与目标零件相同、尺寸满足设计余量的陶瓷生胚时，会产生成本过高、成型步骤繁琐的问题，不能适用于陶瓷零件的小批量或订制生产。

发明人认为，陶瓷生胚成型时有降低生产成本、减少工序步骤的需求与烧结后变形难以控制的难题，使得陶瓷生胚不能精确拟合目标零件的形状尺寸。烧结后陶瓷胚料在加工时，为减少材料去除量，有陶瓷胚料精确拟合目标零件形状尺寸的需求。综上，在陶瓷制造的不同阶段，对于陶瓷胚料的形状与尺寸有不同需求，造成了技术上的矛盾，难以实现二者的平衡。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，能够解决减少陶瓷烧结前与烧结后的不同工序阶段，对于陶瓷生胚形状与尺寸要求的技术矛盾。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，根据目标零件的尺寸，压制满足设定尺寸余量的陶瓷生胚，压制前需确定陶瓷生胚的形状，其中，陶瓷生胚形成包络目标零件的最小圆柱体时所需体积设定为第一数值，陶瓷生胚形成包络目标零件的最小长方体时所需体积设定为第二数值；取第一数值与第二数值中较小的一个所对应的形状，完成陶瓷生胚的压制。

步骤2，陶瓷生胚的预加工：若陶瓷生胚为圆柱体，采用车削的方式将陶瓷生胚加工成为包络目标零件的最小圆柱台阶轴。

若陶瓷生胚为长方体，采用铣削的方法将陶瓷生胚加工成包络目标零件的最小包络体结构。

步骤3，对预加工后的陶瓷生胚进行烧结，得到陶瓷零件。

步骤4，采用金刚石车刀或金刚石电镀磨头完成陶瓷零件中的精基准加工。

步骤5，使用电镀金刚石磨头在铣床上对陶瓷零件复杂的外形面进行粗加工。

步骤6，使用金刚石磨头对陶瓷零件复杂的外形面进行精加工。

进一步，陶瓷生胚采用静压成型或干压成型的方法完成压制。

进一步，所述陶瓷生胚与目标零件之间的尺寸余量大于设定尺寸余量。

进一步，将陶瓷生胚车削成最小圆柱台阶轴后，在最小台阶轴的两端预制工艺孔。

进一步，步骤4中，若陶瓷生胚为圆柱体，对最小圆柱台阶轴的外圆进行精基准的加工，将精加工后的外圆作为精基准，准备下一步的外形面的铣削。若是生胚为长方体的情况，使用金刚石电镀磨头进行精基准的加工。

进一步，步骤5中使用电镀金刚磨头铣削或步骤6中使用金刚石磨头进行铣削加工时，对陶瓷零件的外形面喷射冷却液。

本发明的有益效果：

根据所需要加工的陶瓷零件形状，将陶瓷生胚压制成圆柱体或长方体，因为压制的陶瓷生胚只有上述两种形状，因此，不需要设计拟合陶瓷零件形状、尺寸的模具，极大的减少了陶瓷生胚成型的工序和成本。

采用陶瓷生胚烧结前进行车削或铣削加工的方式，在满足陶瓷生胚能够包络陶瓷零件的情况下，减少陶瓷生胚烧结前的材料，进而减少烧结后陶瓷零件表面的材料去除量，简化陶瓷零件表面加工的难度。

采用电镀金刚石磨头对陶瓷进行加工，极大的提高了加工效率，极好的抑制了在加工过程中出现的崩边、开裂等现象，提高了加工表面的表面质量。加工过程不需要特殊的机床，加工成本低、效率高为陶瓷零件的广泛应用提供的帮助。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明的实施例中目标零件的示意图；

图2为本发明的实施例中陶瓷生胚压实成型后呈圆柱体的示意图；

图3为本发明的实施例中陶瓷生胚压实成型后呈长方体的示意图；

图4为本发明的实施例中圆柱体陶瓷生胚预加工后的示意图；

图5为本发明的实施例中长方体陶瓷生胚预加工后的示意图；

图6为本发明的实施例中圆柱台阶轴的装夹示意图；

图7为本发明的实施例中的长方体陶瓷生胚预加工时工件的装夹示意图；

图8为本发明的实施例中曲面装夹时所使用的夹具的示意图；

图9为本发明的实施例中电镀金刚石磨头的示意图。

图中：1、目标零件；2、圆柱体陶瓷生胚；3、长方体陶瓷生胚；4、圆柱台阶轴；5、棱台形工件；6、压板；7、下夹具；8、上夹具；9、电镀金刚石磨头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供优选的的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式中，以如图1所示的大尺寸复杂形面的商用氧化钇稳定氧化锆陶瓷零件为例，如图2-9，进行一种大尺寸复杂形面陶瓷零件高效制造方法的举例说明，包括以下步骤：

步骤1，混料压制成型：根据加工所要求的商用氧化钇稳定氧化锆陶瓷材料进行混料、压制成型。按照目标零件1形状进行压制，按照余量最小的原则选在压制成型的形状为圆柱体陶瓷生胚2或长方体陶瓷生胚3。压制成型的陶瓷生胚与目标零件1形状预留出最小20mm的加工余量。

步骤2，压制后陶瓷生胚的预加工：压制后的陶瓷生胚有一定的机械强度，针对成型的形状不同可以便捷地使用车床或铣床进行机械加工。圆柱体陶瓷生胚2按照最终工件形状的要求，使用车床加工成包络目标零件1的圆柱台阶轴4，圆柱台阶轴4与目标零件1形状的最小余量应大于10mm。同时圆柱台阶轴4的顶端和底部加工出后续车削定位使用的工艺孔。

长方体陶瓷生胚3按照最终工件形状的要求，使用铣床加工成包络目标零件1的棱台形工件5，棱台形工件5与目标零件1形状的最小余量应大于10mm。同时棱台形工件5的顶端和底端应预留出台阶，作为后续加工所使用的基准。

加工后的陶瓷生胚进行下一步的烧结，由于烧结过程中伴随着陶瓷的致密化不可避免地会出现尺寸的收缩，由于收缩变形量不可控，因此加工余量的保留是十分必要的。

步骤3，陶瓷生胚的烧结：上一步预加工并留足加工余量的陶瓷生胚进行烧结，烧结过程按照相应陶瓷材料的烧结要求进行烧结。

步骤4，精基准的加工：圆柱台阶轴4烧结后的陶瓷毛坯工件使用上一步预制的工艺孔作为定位在车床上使用金刚石车刀对最下层的台阶轴进行精加工，加工出20mm的圆柱形使其成为精加工的精基准。棱台形工件5烧结后毛坯工件使用硬质合金刀杆的电镀金刚石磨头9在铣床上进行精基准的加工。

步骤5，外形面的粗加工：使用加工好的精基准进行定位与夹紧，在铣床上进行形面的粗加工，保留1mm加工余量。可供参考的加工参数为：使用磨头直径20mm、镀层高度10mm、倒角R3、80目电镀金刚石磨头9，在铣床上以转速1600rpm，切深10mm，切宽10mm，进给速度400mm/min的参数进行加工，加工过程中使用足量的冷却液进行冷却。

步骤6，外形面的精加工：使用加工好的精基准进行定位与夹紧，在铣床上进行形面的加工。可供参考的加工参数为：使用磨头直径20mm、镀层高度10mm、倒角R3、80目电镀金刚石磨头9，在铣床上以转速1600rpm，切深10mm，切宽10mm，进给速度400mm/min的参数进行加工，加工过程中使用足量的冷却液进行冷却。对中间部分的形面进行精加工。中间部分的形面精加工完毕之后使用图8所示的上夹具8和下夹具7或图6中的压板6对陶瓷零件进行装夹，对陶瓷零件的两端面进行加工。在典型的加工案例中，使用如上加工参数连续加工10小时后刀具未出现明显的磨损，加工过程平稳，工件没有出现崩边的现象。

与传统的使用金刚石刀片对商用氧化钇稳定氧化锆陶瓷加工相比，刀具寿命明显增长。与车削相比，材料去除效率提高了5000倍。加工过程中，材料去除方式实际为磨削加工，切削力相比铣削小很多，对材料基体的损伤比较小。在足量润滑的情况下，对已加工表面的损伤如微裂纹、表面烧伤减少明显。加工过后的表面粗糙度较好，无明显加工纹理。

相比传统使用金刚石车刀进行车削，本发明所提出的加工方式材料去除率提高了5000倍，大大地提高了加工效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，根据目标零件的尺寸，压制满足设定尺寸余量的陶瓷生胚，压制前需确定陶瓷生胚的形状，其中，

陶瓷生胚形成包络目标零件的最小圆柱体时所需体积设定为第一数值，陶瓷生胚形成包络目标零件的最小长方体时所需体积设定为第二数值；取第一数值与第二数值中较小的一个所对应的形状，完成陶瓷生胚的压制；

步骤2，陶瓷生胚的预加工：若陶瓷生胚为圆柱体，采用车削的方式将陶瓷生胚加工成为包络目标零件的最小圆柱台阶轴；

若陶瓷生胚为长方体，采用铣削的方法将陶瓷生胚加工成包络目标零件的最小包络体结构；

步骤3，对预加工后的陶瓷生胚进行烧结，得到陶瓷零件；

步骤4，采用金刚石车刀或金刚石电镀磨头完成陶瓷零件中的精基准加工；

步骤5，使用电镀金刚石磨头在铣床上对陶瓷零件复杂的外形面进行粗加工；

2.根据权利要求1所述的大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，其特征在于，所述步骤1中，陶瓷生胚采用静压成型或干压成型的方法进行压制。

3.根据权利要求2所述的大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，其特征在于，步骤1中，所述陶瓷生胚与目标零件之间的尺寸余量大于设定尺寸余量。

4.根据权利要求1所述的大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，其特征在于，步骤2中，若陶瓷生胚为圆柱体，将陶瓷生胚车削成最小圆柱台阶轴后，在最小台阶轴的两端预制工艺孔。

5.根据权利要求1所述的大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，其特征在于，步骤4中，若陶瓷生胚为圆柱体，对最小圆柱台阶轴的外圆进行精基准的加工，将精加工后的外圆作为精基准，准备下一步的外形面的铣削。

6.根据权利要求1所述的大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，其特征在于，步骤4中，若是生胚为长方体的情况，使用金刚石电镀磨头进行精基准的加工。

7.根据权利要求1所述的大尺寸复杂形面陶瓷零件的制造方法，其特征在于，在使用电镀金刚磨头或金刚石磨头进行铣削加工时，对陶瓷零件的外形面喷射冷却液。