氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法
【專利摘要】氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法，涉及一種超聲磨削加工方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有加工方法影響了半球陀螺諧振子的振動特性和敏感性，難以保證芯軸與薄壁凸曲面圓心同軸度，制造工藝復(fù)雜，制造成本高的問題，本發(fā)明步驟：對帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，確定旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工振動頻率；設(shè)計工裝，工裝設(shè)計為半球形凸模，其中心開工通孔，確定通孔尺寸；帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凸球面與工裝裝夾；計算超聲振動刀具的圓弧半徑和分層厚度；對超聲振動刀具和加工工藝參數(shù)優(yōu)化，刀具在超聲振動機床上進行加工；加工后將帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)與工裝分離并去除火漆。本發(fā)明用于對氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)進行加工。
【專利說明】氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鋁陶瓷材料的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法，特別是針對具有芯軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)一體化加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軸薄壁凸球面是半球陀螺諧振子的典型結(jié)構(gòu)，其加工方法和加工質(zhì)量直接決定了諧振子的振動特性。而氧化鋁陶瓷材料是典型的硬脆材料，具有較高的硬度和較低的斷裂韌性，采用普通磨削加工，由于切削力大，易造成薄壁曲面斷裂；且由于磨具磨損嚴重，加工精度難以滿足半球陀螺諧振子工作要求。目前，對于氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)加工方法，主要采用精密成型一薄壁凸曲面加工一芯軸加工一芯軸與薄壁凸曲面粘結(jié)，采用該加工方法存在以下問題:
(1)薄壁凸曲面與芯軸結(jié)構(gòu)采用分離加工，然后粘結(jié)一起，直接影響了半球陀螺諧振子的振動特性和敏感性，且難以保證芯軸與薄壁凸曲面圓心同軸度；
(2)薄壁凸曲面加工采用成型磨具加工，磨具制造精度難以滿足加工精度；且由于磨具磨損，其結(jié)構(gòu)不易修整；
制造工藝復(fù)雜，須針對不同尺寸的具有芯軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)制造不同類型成型模具和加工磨具，增加了制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，進而提供一種氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法的具體步驟為:
步驟一:對所加工的氧對化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，確定旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工振動頻率，旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工振動頻率遠離結(jié)構(gòu)振動變形大時的共振頻率值；
步驟二:針對在帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)設(shè)計專用工裝，專用工裝設(shè)計為與帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凹球面形狀相同的半球形凸模，且半球形凸模的直徑小于凹球面的直徑，半球形凸模的底面為水平面，半球形凸模的中心需開工通孔，所述通孔為階梯通孔，階梯通孔的下部孔徑大于上部孔徑，階梯通孔的上部孔徑大于帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的芯軸的直徑，由于兩者之間存在余量，導(dǎo)致諧振子芯軸中心線產(chǎn)生一定角度偏差，利用裝夾誤差數(shù)學(xué)模型，計算凸球面薄壁加工所準許的壁厚不均勻值下最大角度偏差，從而計算出階梯通孔的上部孔徑尺寸；
步驟四:帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凸球面與專用工裝裝夾時，首先將火漆加熱為液體，同時將專用工裝加熱，并將火漆均勻涂抹在半球形凸模上，然后將帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的芯軸插在半球形凸模上的通孔中，并采用火漆填充階梯通孔的下部，將芯軸固定在通孔內(nèi)；步驟五:根據(jù)超聲振動刀具與球面接觸數(shù)學(xué)模型，計算在滿足所要求的殘余高度下的超聲振動刀具的圓弧半徑和分層厚度；
步驟六:對超聲振動刀具和加工工藝參數(shù)優(yōu)化，超聲振動刀具在三軸超聲振動機床上進行加工；加工后將專用工裝加熱，把帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)取下，并放入酒精中浸泡，從而去除火漆。
[0005]優(yōu)選的:在步驟一中采用有限元分析軟件對所加工的氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。
[0006]優(yōu)選的:在步驟五和步驟六中采用的超聲振動刀具為陶瓷基平頭超聲振動刀具。由于球頭刀具易磨損且自銳性差，采用陶瓷基平頭超聲振動刀具可以進一步提高加工質(zhì)量。
[0007]優(yōu)選的:在步驟六中，超聲振動刀具的轉(zhuǎn)速為5000r/min,進給速度為400mm/min,刀具振幅為6 μ m。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:
本發(fā)明的優(yōu)點在于實現(xiàn)了帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)一體化制造，實現(xiàn)了氧化鋁陶瓷薄壁球面壁厚0.8mm的加工，提高了結(jié)構(gòu)振動性能，簡化了工藝流程，降低了對設(shè)備的依賴性，在三軸數(shù)控設(shè)備上即可實現(xiàn)，保證了批量加工的可靠性和一致性，降低了成本。
[0009]同時提高了氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的加工精度和加工質(zhì)量，加工精度達到0.005mm ;粗糙度Ra0.4 μ m，可滿足漂移量精度0.1° /h。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明所針對的氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為裝夾誤差數(shù)學(xué)模型示意圖；
圖3為所設(shè)計的專用工裝結(jié)構(gòu)圖:
圖4為球面加工殘余高度數(shù)學(xué)模型示意圖；
圖中為芯軸，2為凸球面,3為凹球面,4為半球形凸模,5為通孔,6為火漆。圖4中:CpB1分別為加工相鄰層時刀具的位置；C、B分別為補償后刀具位置，與最大加工位置時刀具圓心偏離的距離為刀具振動振幅A ;R為薄壁凸球面半徑；r為刀具圓弧半徑；Θ為相鄰層刀具位置與O點夾角。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
[0012]本發(fā)明氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法所針對的結(jié)構(gòu)類型可參照圖1，該結(jié)構(gòu)包括芯軸1、凸球面2和凹球面3。
[0013]氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法，應(yīng)對所加工結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，由于刀具縱向高頻振動，所加工結(jié)構(gòu)將受到與刀具振動頻率相同的振動，因此刀具振動頻率應(yīng)遠離結(jié)構(gòu)振動變形大時的共振頻率值。
[0014]參考圖2、圖3和圖4，氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法可通過如下步驟實現(xiàn):步驟一:對所加工的氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，確定旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工振動頻率，旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工振動頻率遠離結(jié)構(gòu)振動變形大時的共振頻率值；步驟二:針對在帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)設(shè)計專用工裝，專用工裝設(shè)計為與帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凹球面3形狀相同的半球形凸模4，且半球形凸模4的直徑小于凹球面3的直徑，半球形凸模4的底面為水平面，半球形凸模4的中心需開工通孔5，所述通孔5為階梯通孔，階梯通孔的下部孔徑大于上部孔徑，階梯通孔的上部孔徑大于帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的芯軸I的直徑，由于兩者之間存在余量，導(dǎo)致諧振子芯軸中心線產(chǎn)生一定角度偏差，利用裝夾誤差數(shù)學(xué)模型，計算凸球面薄壁加工所準許的壁厚不均勻值下最大角度偏差，從而計算出階梯通孔的上部孔徑尺寸；
步驟四:帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凸球面2與專用工裝裝夾時，首先將火漆加熱為液體，同時將專用工裝加熱，并將火漆6均勻涂抹在半球形凸模4上，然后將帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的芯軸I插在半球形凸模4上的通孔5中，并采用火漆填充階梯通孔的下部，將芯軸I固定在通孔5內(nèi)；
步驟五:根據(jù)超聲振動刀具與球面接觸數(shù)學(xué)模型，計算在滿足所要求的殘余高度下的超聲振動刀具的圓弧半徑和分層厚度；
步驟六:對超聲振動刀具和加工工藝參數(shù)優(yōu)化，超聲振動刀具在三軸超聲振動機床上進行加工；加工后將專用工裝加熱，把帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)取下，并放入酒精中浸泡，從而去除火漆。
[0015]在設(shè)計半球形凸模4時，為便于安裝和防止硬接觸，通孔5尺寸大于芯軸I的直徑。正是由于兩者之間存在余量，導(dǎo)致諧振子芯軸中心線產(chǎn)生一定角度偏差，利用裝夾誤差數(shù)學(xué)模型，計算凸球面薄壁加工所準許的壁厚不均勻值下最大角度偏差，從而計算出通孔尺寸。
[0016]將專用工裝設(shè)計成與與帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凹球面3形狀相同的半球形凸模4，由于采用火漆粘結(jié)，半球形凸模4的直徑應(yīng)小于凹球面3的直徑；所設(shè)計的半球形凸模4下端水平面，保證了裝夾時與薄壁凸球面接觸；半球形凸模4上的通孔作用為定位，為實現(xiàn)精確定位，芯軸I與通孔上部不采用火漆粘結(jié)。如果芯軸I與工裝接觸面積過大，加工過程中切削力作用容易造成芯軸根部斷裂，因此在通孔設(shè)計為階梯通孔，芯軸只有小部分與專用工裝接觸，通孔下部孔內(nèi)可采用火漆填充固定，所設(shè)計專用工裝如圖3所示，材料為鋁。
[0017]步驟2中，由于階梯通孔的上部孔徑大于帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的芯軸I的直徑，安裝時通孔中心線與芯軸中心線不一致，造成的加工后殼體壁厚表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法，其特征在于:氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法的具體步驟為: 步驟一:對所加工的氧對化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，確定旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工振動頻率，旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工振動頻率遠離結(jié)構(gòu)振動變形大時的共振頻率值； 步驟二:針對在帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)設(shè)計專用工裝，專用工裝設(shè)計為與帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凹球面(3)形狀相同的半球形凸模(4)，且半球形凸模(4)的直徑小于凹球面(3)的直徑，半球形凸模(4)的底面為水平面，半球形凸模(4)的中心需開工通孔(5)，所述通孔(5)為階梯通孔，階梯通孔的下部孔徑大于上部孔徑，階梯通孔的上部孔徑大于帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的芯軸(I)的直徑，由于兩者之間存在余量，導(dǎo)致諧振子芯軸中心線產(chǎn)生一定角度偏差，利用裝夾誤差數(shù)學(xué)模型，計算凸球面薄壁加工所準許的壁厚不均勻值下最大角度偏差，從而計算出階梯通孔的上部孔徑尺寸； 步驟四:帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的凸球面(2)與專用工裝裝夾時，首先將火漆加熱為液體，同時將專用工裝加熱，并將火漆(6)均勻涂抹在半球形凸模(4)上，然后將帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的芯軸(I)插在半球形凸模(4)上的通孔(5)中，并采用火漆填充階梯通孔的下部，將芯軸⑴固定在通孔(5)內(nèi)； 步驟五:根據(jù)超聲振動刀具與球面接觸數(shù)學(xué)模型，計算在滿足所要求的殘余高度下的超聲振動刀具的圓弧半徑和分層厚度； 步驟六:對超聲振動刀具和加工工藝參數(shù)優(yōu)化，超聲振動刀具在三軸超聲振動機床上進行加工；加工后將專用工裝加熱，把帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)取下，并放入酒精中浸泡，從而去除火漆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法，其特征在于:在步驟一中采用有限元分析軟件對所加工的氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法，其特征在于:在步驟五和步驟六中采用的超聲振動刀具為陶瓷基平頭超聲振動刀具。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的氧化鋁陶瓷材料帶軸薄壁凸球面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工方法，其特征在于:在步驟六中，超聲振動刀具的轉(zhuǎn)速為5000r/min，進給速度為400mm/min,刀具振幅為6 μ m。
【文檔編號】B24B1/04GK103934732SQ201410200696
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】魏士亮, 荊君濤, 劉運鳳, 高丹, 劉璐 申請人:航天科工哈爾濱風(fēng)華有限公司