[发明专利]氧化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构的旋转超声磨削加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化铝陶瓷材料的旋转超声磨削加工方法，特别是针对具有芯轴薄壁凸球面结构一体化加工方法。

背景技术

轴薄壁凸球面是半球陀螺谐振子的典型结构，其加工方法和加工质量直接决定了谐振子的振动特性。而氧化铝陶瓷材料是典型的硬脆材料，具有较高的硬度和较低的断裂韧性，采用普通磨削加工，由于切削力大，易造成薄壁曲面断裂；且由于磨具磨损严重，加工精度难以满足半球陀螺谐振子工作要求。目前，对于氧化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构加工方法，主要采用精密成型→薄壁凸曲面加工→芯轴加工→芯轴与薄壁凸曲面粘结，采用该加工方法存在以下问题：

（1）      薄壁凸曲面与芯轴结构采用分离加工，然后粘结一起，直接影响了半球陀螺谐振子的振动特性和敏感性，且难以保证芯轴与薄壁凸曲面圆心同轴度；

（2）      薄壁凸曲面加工采用成型磨具加工，磨具制造精度难以满足加工精度；且由于磨具磨损，其结构不易修整；

制造工艺复杂，须针对不同尺寸的具有芯轴薄壁凸球面结构制造不同类型成型模具和加工磨具，增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，进而提供一种氧化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构的旋转超声磨削加工方法。

本发明的技术方案是：氧化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构的旋转超声磨削加工方法的具体步骤为：

步骤一：对所加工的氧对化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构进行模态分析，确定旋转超声磨削加工振动频率，旋转超声磨削加工振动频率远离结构振动变形大时的共振频率值；

步骤二：针对在带轴薄壁凸球面结构设计专用工装，专用工装设计为与带轴薄壁凸球面结构的凹球面形状相同的半球形凸模，且半球形凸模的直径小于凹球面的直径，半球形凸模的底面为水平面，半球形凸模的中心需开工通孔，所述通孔为阶梯通孔，阶梯通孔的下部孔径大于上部孔径，阶梯通孔的上部孔径大于带轴薄壁凸球面结构的芯轴的直径，由于两者之间存在余量，导致谐振子芯轴中心线产生一定角度偏差，利用装夹误差数学模型，计算凸球面薄壁加工所准许的壁厚不均匀值下最大角度偏差，从而计算出阶梯通孔的上部孔径尺寸；

步骤四：带轴薄壁凸球面结构的凸球面与专用工装装夹时，首先将火漆加热为液体，同时将专用工装加热，并将火漆均匀涂抹在半球形凸模上，然后将带轴薄壁凸球面结构的芯轴插在半球形凸模上的通孔中，并采用火漆填充阶梯通孔的下部，将芯轴固定在通孔内；

步骤五：根据超声振动刀具与球面接触数学模型，计算在满足所要求的残余高度下的超声振动刀具的圆弧半径和分层厚度；

步骤六：对超声振动刀具和加工工艺参数优化，超声振动刀具在三轴超声振动机床上进行加工；加工后将专用工装加热，把带轴薄壁凸球面结构取下，并放入酒精中浸泡，从而去除火漆。

优选的：在步骤一中采用有限元分析软件对所加工的氧化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构进行模态分析。

优选的：在步骤五和步骤六中采用的超声振动刀具为陶瓷基平头超声振动刀具。由于球头刀具易磨损且自锐性差，采用陶瓷基平头超声振动刀具可以进一步提高加工质量。

优选的：在步骤六中，超声振动刀具的转速为5000r/min,进给速度为400mm/min，刀具振幅为6μm。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明的优点在于实现了带轴薄壁凸球面结构一体化制造，实现了氧化铝陶瓷薄壁球面壁厚0.8mm的加工，提高了结构振动性能，简化了工艺流程，降低了对设备的依赖性，在三轴数控设备上即可实现，保证了批量加工的可靠性和一致性，降低了成本。 

同时提高了氧化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构的加工精度和加工质量，加工精度达到0.005mm；粗糙度Ra0.4μm，可满足漂移量精度0.1°/h。

附图说明

图1为本发明所针对的氧化铝陶瓷材料带轴薄壁凸球面结构示意图；

图2为装夹误差数学模型示意图；

图3为所设计的专用工装结构图：

图4为球面加工残余高度数学模型示意图；

图中：1为芯轴，2为凸球面，3为凹球面，4为半球形凸模，5为通孔，6为火漆。图4中：C₁、B₁分别为加工相邻层时刀具的位置； C、B分别为补偿后刀具位置，与最大加工位置时刀具圆心偏离的距离为刀具振动振幅A；R为薄壁凸球面半径；r为刀具圆弧半径；θ为相邻层刀具位置与O点夹角。

具体实施方式