一种陶瓷材料风洞模型的加工方法
阅读说明：本技术 一种陶瓷材料风洞模型的加工方法 (Processing method of ceramic material wind tunnel model ) 是由 殷贵刚 毛代勇 周先平 于 2021-06-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及航空航天技术领域,提供了一种陶瓷材料风洞模型的加工方法,包括步骤有：1)准备生坯材料；2)车制内腔偏心孔和圆柱外形台阶轴；3)烧结生坯材料；4)精车削外圆基准和内腔偏心孔至最终尺寸,得到毛坯件；5)利用V型夹块将毛坯件固定于机床,进行粗加工、半精加工和精加工；6)利用去工艺头夹块将毛坯件固定于机床,先后去除头部工艺头和尾部工艺头；7)对工件进行整形、打磨、抛光,获得成品件。本发明解决了硬脆材料高效精密加工技术,制定了陶瓷零件异形曲面高效铣磨工艺工序及参数,加工陶瓷材料常见的振动及崩边现象得到了明显抑制,零件表面质量明显提升,实现了该类大尺寸异形复杂曲面氧化锆陶瓷零件的高效制造。(The invention relates to the technical field of aerospace, and provides a method for processing a ceramic material wind tunnel model, which comprises the following steps: 1) preparing a green body material; 2) turning an inner cavity eccentric hole and a cylindrical step shaft; 3) sintering the green body material; 4) finely turning the excircle reference and the inner cavity eccentric hole to a final size to obtain a blank; 5) fixing the blank piece on a machine tool by utilizing a V-shaped clamping block, and performing rough machining, semi-finish machining and finish machining; 6) fixing the blank piece on a machine tool by using a process head removing clamp block, and removing a head process head and a tail process head in sequence; 7) and shaping, grinding and polishing the workpiece to obtain a finished product. The invention solves the high-efficiency precision machining technology of hard and brittle materials, sets the high-efficiency milling and grinding process procedure and parameters of the special-shaped curved surface of the ceramic part, obviously inhibits the common vibration and edge breakage phenomena of the machined ceramic material, obviously improves the surface quality of the part, and realizes the high-efficiency manufacture of the large-size special-shaped complex curved surface zirconia ceramic part.)
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体而言，涉及一种陶瓷材料风洞模型的加工方法。
背景技术
随着高空高速飞行器的发展，开展相应的风洞试验研究越来越多，要求越来越高，制造出能满足风洞试验精准度研究、风洞标准数据库建立、风洞性能考核、风洞性能校测等一系列科学研究的风洞试验模型迫在眉睫。
Y-TZP材料是以Y203作为稳定剂的四方氧化锆多晶体陶瓷材料，Y203的组成在1.5％～3.0％(摩尔分数)之间，在Y203稳定的氧化锆粉体中，掺杂少量纳米级Al2O3微粉，以促进ZrO2胚体烧结致密，增加机械性能，一般在1400～1600℃温度范围内在四方或四方和立方的2相区烧结，晶界存在少量玻璃相。Y-TZP陶瓷可通过应力诱导相变增韧机制，使材料具有极佳的力学性能、线性膨胀系数与钢铁接近。
氧化锆陶瓷的莫氏硬度为8.5，与蓝宝石相仿，耐磨、防刮痕；氧化锆陶瓷热导率低，触感温润如玉，氧化锆陶瓷为非导电材料，不会屏蔽信号，不会影响天线布局，可方便一体成型；氧化锆陶瓷的介电常数是蓝宝石的3倍，具有较好的高温力学性能、抗化学侵蚀性能、电绝缘性、较高的硬度和耐磨性等。
如图1所示为一种大型Y-TZP氧化锆成品零件，该成品零件1具有长的、深的三级内腔偏心孔、鸭嘴异形外表面，整体长度400mm，最大椭圆外径130mm,最大内方孔边长75mm，最大内圆孔直径40mm，该零件具有高韧性、高强度、高致密度的特点，加工过程中难以保证制造的精确度。因此，如何解决上述问题成为本领域人员研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷材料风洞模型的加工方法，以解决现有技术不足的问题。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种陶瓷材料风洞模型的加工方法，包括以下步骤：
1)准备生坯材料；
2)在生胚材料上车削出外形圆柱和内腔偏心孔，并在外形圆柱上车削出若干台阶轴，在台阶轴的顶端车削出对顶中心孔；
3)烧结生胚；
4)采用金刚石镶片涂层车刀，以Aa＝0.25～0.5mm，F＝0.03～0.1mm/S,V＝25m/min为车削参数，精车削外圆基准和内腔偏心孔至最终尺寸，得到毛坯件；
5)使用V型夹块配合压板将毛坯件固定于机床，采用液压刀柄、硬质合金刀杆的可转位250#金刚石颗粒涂层刀头进行粗加工，刀具路径采用振荡切削的方式，切削参数选用Aa＝0.2mm，Ar＝0.2mm，F＝0.05mm/S,V＝150m/min，加工余量为0.3mm～0.6mm；
6)采用液压刀柄、硬质合金刀杆的可转位400#金刚石颗粒涂层刀头进行半精加工，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.1mm，F＝1500mm/min,S＝9000r/min，加工余量为0.2mm；
7)采用液压刀柄、硬质合金刀杆的可转位800#金刚石颗粒涂层刀头进行精加工，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.02～0.05mm，F＝1500mm/min,S＝20000r/min；
8)卸下V型夹块和压板，使用去工艺头夹块将5)中精加工后的工件固定在机床，按照先去除7)中获得工件的头部工艺头，再去除尾部工艺头；
9)卸下工件，整形、打磨、抛光，获得最终零件。
进一步地，步骤1)中，生坯材料的准备方法是：根据设计的包络生坯外形，采用干混压制成型工艺，压制圆柱形生坯，中部孔由钢芯压制而成。
进一步地，步骤3)中，烧结温度为1400～1600℃。
进一步地，步骤5)中，所述V型夹块包括头部V型夹块和尾部V型夹块，所述头部V型夹块和尾部V型夹块均包括支撑块，所述支撑块上设置有一与工件外轮廓面贴合的V型槽，所述头部V型夹块的支撑块底部还设置有垫块，以保持与尾部V型夹块等高。
进一步地，步骤8)中，所述去工艺头夹块包括上夹块和下夹块，上夹块和下夹块的相对面上均是有与工件外轮廓贴合的弧形槽，所述上夹块和下夹块通过螺钉固定于一体。
进一步地，步骤8)中，上夹块和下夹块在弧形槽处通过胶粘剂与工件临时固定。
进一步地，步骤8)中，去除工艺头之前，需要将带去工艺头夹块的工件在机床上进行三坐标测量，调整去工艺头夹块，减少去工艺头夹块与陶瓷零件之间的装配误差。
进一步地，步骤8)中，去除头部工艺头后，需要对工件头部进行粗加工、半精加工、精加工。
进一步地，步骤8)中，去除尾部工艺头的方法是：选用金刚石切割刀片先对大余量进行整体切割去除，然后进行精加工，精加工时采用液压刀柄、硬质合金刀杆、可转位800#金刚石颗粒涂层刀头，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.02～0.05mm，F＝1500mm/min,S＝20000转/min。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1、本发明根据产品结构特点，加工难点，针对具有复杂内腔、外腔异形曲面，开展了从陶瓷坯体制备、切削加工工艺规划、切削刀具设计、切削效率与质量研究，成功制造出了大型Y-TZP氧化锆成品零件，零件加工表面质量和尺寸精度达到设计和装配要求。
2、本发明解决了硬脆材料高效精密加工技术，制定了陶瓷零件异形曲面高效铣磨工艺工序及参数，加工陶瓷材料常见的振动及崩边现象得到了明显抑制，零件表面质量明显提升，实现了该类大尺寸异形复杂曲面氧化锆陶瓷零件的高效制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明提供的一种大型Y-TZP氧化锆成品零件的立体结构示意图；
图2是本发明提供的一种大型Y-TZP氧化锆成品零件的剖视图；
图3是本发明提供的一种大型Y-TZP氧化锆成品零件在加工过程中的形状变化图一；
图4是本发明提供的一种大型Y-TZP氧化锆成品零件在加工过程中的形状变化图二；
图5是本发明提供的一种大型Y-TZP氧化锆成品零件在加工过程中的形状变化图三；
图6是本发明提供的一种大型Y-TZP氧化锆成品零件在加工过程中的形状变化图四；
图7是本发明提供的一种大型Y-TZP氧化锆成品零件在加工过程中的形状变化图五
图8是头部V型夹块的结构示意图；
图9是尾部V型夹块的结构示意图；
图10是去工艺头夹块的结构示意图。
图标：1-成品零件，2-毛坯件，3-尾部V型夹块，4-头部V型夹块，5-垫块，6-压板，7-去工艺头夹块，701-上夹块，702-下夹块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1至图3所示，本实施例提供了一种陶瓷材料风洞模型的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：准备生坯材料；具体的，根据陶瓷材料风洞模型的理论外形，设计出包络生坯外形，根据包络生坯外形，采用干混压制成型工艺，压制圆柱形生坯，中部孔由钢芯压制而成；
步骤二：采用车床在生坯材料上车制内腔偏心孔、并将外轮廓车制成外形圆柱，外形圆柱车削为不同直径的台阶轴，并在工件的顶端中心车制对顶用中心孔；
步骤三：以1400～1600℃的温度烧结成型生坯；
步骤四：采用金刚石镶片涂层车刀，以Aa＝0.25～0.5mm，F＝0.03～0.1mm/S,V＝25m/min为切削参数精车削外圆基准和内腔偏心孔到最终尺寸，获得毛坯件2；
步骤五:设计两种V型夹块，将毛坯件2固定在机床，使烧结生坯装夹后其轴心与加工工作平台平行；其中，所述V型夹块包括头部V型夹块4和尾部V型夹块3，所述头部V型夹块4和尾部V型夹块3均包括支撑块，所述支撑块上设置有一与工件外轮廓面贴合的V型槽，所述头部V型夹块4的支撑块底部还设置有垫块5，以保持与尾部V型夹块3等高；
步骤六：把圆柱形毛坯放置到两V型块内，找正轴线，找正工艺平台基准，左右用压板6施加压力压紧工件，选用高精度、高转速、高刚度数控机床对模型零件第一面进行粗加工。铣削时采用液压刀柄、硬质合金刀杆、可转位250#金刚石颗粒涂层刀头，刀具路径采用振荡切削的方式，切削参数选用Aa＝0.2mm，Ar＝0.2mm，F＝0.05mm/S,V＝150m/min。粗加工时，在零件型面上均匀留0.3～0.6mm半精加工、精加工余量；
步骤七：拆卸加工工件，翻面重新装夹找正工件，采用和步骤六相同的工艺方法和工艺参数对零件的第二面进行粗加工，粗加工时，在零件型面上均匀留0.3～0.6mm半精加工、精加工余量；
步骤八：在步骤七的状态下，对零件第二面进行半精加工，半精加工时，采用液压刀柄、硬质合金刀杆、可转位400#金刚石颗粒涂层刀头，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.1mm，F＝1500mm/min,S＝9000r/min。半精加工时，在零件型面上均匀留0.2mm精加工余量；
步骤九：拆卸加工工件，翻面重新装夹找正工件，装夹状态与步骤八相同，对零件第一面进行半精加工，半精加工时，采用液压刀柄、硬质合金刀杆、可转位400#金刚石颗粒涂层刀头，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.1mm，F＝1500mm/min,S＝9000r/min。半精加工时，在零件型面上均匀留0.2mm精加工余量；
步骤十：装夹状态与步骤九相同，对零件第一面进行精加工，精加工时，采用液压刀柄、硬质合金刀杆、可转位800#金刚石颗粒涂层刀头，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.02～0.05mm，F＝1500mm/min,S＝20000转/min。精加工时，型面不留余量，加工到位。
步骤十一：拆卸加工工件，翻面重新装夹找正工件，装夹状态与步骤十相同，对零件第一面进行精加工，精加工时，采用液压刀柄、硬质合金刀杆、可转位800#金刚石颗粒涂层刀头，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.02～0.05mm，F＝1500mm/min,S＝20000r/min。精加工时，型面不留余量，加工到位。
步骤十二:设计两种去工艺头夹块7，所述去工艺头夹块7包括上夹块701和下夹块702，上夹块701和下夹块702的相对面上均是有与工件外轮廓贴合的弧形槽，去工艺头夹块7的异型型面按陶瓷风洞模型主体的外型面进行精加工到位，上夹块701和下夹块702之间贴面对紧贴死，用胶粘剂把上夹块701和下夹块702与陶瓷零件临时固定牢固，上夹块701和下夹块702之间用销钉定位、螺钉拉紧连接。
步骤十三:对带去工艺头夹块7的工件进行三坐标测量，保证工件与去工艺头夹块7的相对位置准确，此时如果出现装配误差，可重新修调去工艺头夹块7，使其与陶瓷零件之间的相对位置准确可靠。
步骤十四:首先去除头部工艺头，转换工艺基准到去工艺头夹块7上，利用去工艺头夹块7对工件进行装夹、找正、对刀，对工件的头部进行粗加工、半精加工、精加工，其中，此处粗加工、半精加工、精加工所采用的工艺方法与上述加工第一、第二型面的方法相同。
步骤十五:去除尾部工艺头，装夹、找正、对刀方式同步骤十四。由于尾部工艺头材料较大，选用金刚石切割刀片先对大余量进行整体切割去除，然后进行精加工，精加工时采用液压刀柄、硬质合金刀杆、可转位800#金刚石颗粒涂层刀头，刀具路径采用等高切削的方式，切削参数选用Aa＝0.02～0.05mm，F＝1500mm/min,S＝20000r/min。精加工时，型面不留余量，加工到位。
步骤十七:去除工件中间两处粘接的去工艺头夹块7，对陶瓷零件进行整型、打磨、抛光，获得最终的质量要求。
由上述内容可知，本发明提供的一种陶瓷材料风洞模型的加工方法，其有益效果在于：
1、本发明根据产品结构特点，加工难点，针对具有复杂内腔、外腔异形曲面，开展了从陶瓷坯体制备、切削加工工艺规划、切削刀具设计、切削效率与质量研究，成功制造出了大型Y-TZP氧化锆成品零件，零件加工表面质量和尺寸精度达到设计和装配要求。
2、本发明解决了陶瓷零件近净成形工艺技术，制备出了高韧性、高强度、高致密度氧化锆陶瓷毛坯件，解决了该类零件整体毛坯料制造的难题，克服了毛坯件分解制备再组装带来的精度难以保证的难题，为后续成品零件的高精度装配打下基础。
3、本发明解决了硬脆材料高效精密加工技术，制定了陶瓷零件异形曲面高效铣磨工艺工序及参数，加工陶瓷材料常见的振动及崩边现象得到了明显抑制，零件表面质量明显提升，实现了该类大尺寸异形复杂曲面氧化锆陶瓷零件的高效制造。
4、本发明应用涵盖了陶瓷材料制备、硬脆材料切削加工、刀具设计、工艺规划等材料和机械交叉学科的知识。通过该方法，能加工出一种高耐磨、防刮痕、化学稳定性好，比热和导热系数小，高温绝缘风洞试验模型；该类风洞试验模型能满足风洞试验精准度研究、风洞标准数据库建立、风洞性能考核、风洞性能校测等一系列科学研究。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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