[0001] 本发明属于硬脆材料加工领域，尤其涉及一种用于大长径比的硬脆管件内孔研磨的研磨工具及研磨方法。

[0002] 陶瓷管具有良好的物理化学性能，被广泛的应用到半导体、核能以及航天领域，例如：在核能领域，以碳化硅陶瓷管为内衬管，在半导体领域，以碳化硅管为换热管。此类管件一般长度超过1000mm，内径7～8mm，其不仅具有高硬度及脆性的材料特性，同时具有超大长径比且成品壁厚较薄的结构特点，这就导致大长径比的陶瓷管在加工内孔过程中容易产生损伤，且很难对其管内壁进行精加工，这使得该零件的加工也成为限制我国能源发展的痛点。

[0039] 以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

[0040] 实施例1：

[0041] 参见图1，本申请实施例提供一种用于大长径比的硬脆管件内孔研磨的研磨工具，其是由环形磨头和环形凹槽4交替排布而成的大长径比的节状研磨工具，沿研磨工具的长度方向，其被分为三段，依次为外径尺寸逐渐增加的引导段1、锥度段2和定径段3；所述的引导段1用于贯穿硬脆管件5的内孔，引导段1的环形磨头为等径的引导磨头1‑1。所述的锥度段2用于硬脆管件5的内孔的研磨和扩孔，锥度段2的环形磨头为带有锥度的扩径磨头2‑1，沿硬脆管件5的前进方向扩径磨头2‑1的外径逐渐增加。所述的定径段3用于硬脆管件5的内孔的研磨，定径段3的环形磨头为等径的定径磨头3‑1。在加工硬脆管件5过程中，研磨工具经由引导段1贯穿于硬脆管件5的内孔并拉直，研磨工具旋转，硬脆管件5沿研磨工具的长度方向由引导段1向定径段3的方向前进，同时还做往复运动，直至硬脆管件5移动至定径段3处并被研磨，以实现硬脆管件5的内孔的加工。环形凹槽4与环形磨头的长度一般为20～40mm，环形凹槽4的槽深一般为0.4～0.6mm。

[0042] 本实施例中的研磨工具采用节状结构，在加工硬脆管件5内孔过程中，仅环形磨头部分，如引导磨头1‑1、扩径磨头2‑1和定径磨头3‑1与硬脆管件5内壁有接触，实现内孔的加工，而环形凹槽4的部分可以有效降低研磨工具与管件内部的接触面积，从而降低管件研磨过程中的阻力，防止大长径比的管件在研磨过程中与研磨工具发生卡死的现象。同时，在加工过程中，环形凹槽4与硬脆管件5内壁之间形成环形空腔，能有效储存冷却液或者研磨液，如果环形空腔内存储的是冷却液，可以实现硬脆管件5内孔加工的冷却。如果环形空腔内存储的是研磨液，在研磨工具旋转过程中，研磨液会在环形空腔内产生旋流，在一定程度上可以对管件内壁产生研磨效果，提高硬脆管件5的加工精度。此外，硬脆管件5内孔在研磨过程中所产生的磨屑可以储存于冷却液或者研磨液中，避免磨屑对硬脆管件5内孔的内壁产生划痕，影响硬脆管件5的加工精度。且在硬脆管件5往复移动过程中，研磨液或冷却液会外流，以清理磨屑。由于硬脆管件5具有高硬度及脆性特性，在研磨工具旋转且硬脆管件5往复前进过程中，可以利用具有锥度的扩径磨头2‑1实现逐层递进的扩孔加工，如果研磨工具整体为等径结构，则容易导致硬脆管件5的低损伤。在扩孔加工后，利用定径磨头3‑1的反复研磨，可以进一步保证管件内孔的同轴度。

[0043] 由于研磨工具研磨的是硬脆管件5的内孔，所以需要插到硬脆管件5内孔中进行研磨，但是硬脆管件5具有大长径比的特性，较长的硬脆管件5可能达到4m左右，硬脆管件5的内径尺寸大约在7.5mm‑8.5mm之间，同时硬脆管件5内孔在研磨过程中需要大幅度的往复移动，这就需要研磨工具的长度至少是硬脆管件5长度的5倍，研磨工具在如此长度和较小的外径下容易弯曲，从而影响硬脆管件5表面的加工，所以需要贯穿硬脆管件5内孔并拉直。硬脆管件5在研磨前的起始位置为引导段1，所以引导段1的长度要大于硬脆管件5的长度，而定径段3是保证硬脆管件5内孔同轴度的，所以定径段3的长度也要大于硬脆管件5的长度。故本实施例的引导段1、锥度段2和定径段3的长度比为1：3：1～1：4：1，硬脆管件5与引导段1的长度比为5：6，即可以保证硬脆管件5与工具之间的合理比例长度，实现硬脆管件5的精加工，又不会导致工具过长，不利于旋转和支撑。研磨工具这三部分的比例如果过大，会导致加工工具极长，例如，加工的管材长度是1.2米，那么定径段3、引导段1的长度就至少要1.2米，锥度段的长度至少为3～3.6米，研磨工具的总长至少达到5米；如果研磨工具这三部分的比例为1：1：1，就会导致锥度部分的锥度跨度太大，硬脆管件5无法进行磨削；如果比例为
1：5：1，工具总长太大，不利于旋转和支撑。

[0044] 由于需要向研磨工具的环形凹槽4内注入冷却液或者研磨液，但是硬脆管件5套在研磨工具上后，硬脆管件5与环形凹槽4之间形成接近封闭的环形空腔，冷却液或研磨液无法从外面注入，这就无法实现硬脆管件5以及工具的冷却，也不利于磨屑的排出。为此，本实施例在研磨工具内沿长度方向开有注液通道，注液通道的内径为2～4mm(由于硬脆管件5的内径仅有7.5mm‑8.5mm)，环形凹槽4处开有贯穿于注液通道的排液孔，通过泵送冷却液或者研磨液的方式向注液通道内注入研磨液或冷却液，研磨液或冷却液被甩至环形凹槽4处，以使冷却液和研磨液均匀的分布于研磨区域，保证硬脆管件5内孔的研磨质量，由于研磨工具较长，有些研磨液或冷却液可能会流出，可以将未参与研磨部分的排液孔用塞子6塞住，随着磨削过程的进行，手动控制排液孔的开放位置。本实施例对冷却液或者研磨液的输送还有另一种处理方式，即在研磨工具的两侧分别设有自由落体的冷却液/抛光液，基于伯努利原理，在研磨工具旋转过程中，研磨工具表面形成负压，冷却液或者研磨液被吸至环形凹槽4内，硬脆管件5向前移动过程中，将表面包裹有冷却液或研磨液的研磨工具罩住，以保证环形凹槽4与硬脆管件5的内壁之间含有冷却液/抛光液。此种方式，无需在研磨工具内开设注液通道，也无需打孔，保证研磨工具的刚度。另外需要说明的是，本实施例并没有采用喷射的方式向研磨工具上喷射冷却液或者研磨液，是因为喷射的话会对研磨工具产生冲击力，影响研磨工具在研磨过程的稳定性，进而影响硬脆管件5内孔的加工精度。

[0045] 由于硬脆管件5内孔需要分两次加工，分别为粗加工和精加工，所以本实施例的研磨工具包括两种，一种为用于粗加工阶段的粗加工工具，即在引导磨头1‑1、扩径磨头2‑1和定径磨头3‑1的表面电镀金刚石微粉，磨粒的粒径在5～10um，锥度段2的直径变化为由引导段1至定径段3方向+0.05mm/m。另一种为用于精加工阶段的精加工工具，即在引导磨头1‑1、扩径磨头2‑1和定径磨头3‑1的表面进行织构化处理，织构类型一般为交叉螺旋线，螺旋线的宽度一般为1mm,深度一般在100um左右，精加工工具表面的织构化处理能提升磨削液以及冷却液的流通。锥度段2的直径变化为由引导段1至定径段3方向+0.01mm/m。

[0046] 实施例2：

[0047] 本实施例提供一种用于大长径比的硬脆管件的内孔研磨方法，利用粗加工研磨工具和精加工研磨工具来实现，研磨步骤如下：

[0048] S1，确定硬脆管件的加工次数、研磨工具的数量以及每根研磨工具的外径尺寸：

[0049] 设硬脆管件的内孔的目标尺寸为Dn，硬脆管件的内孔实际最小直径为Dnmin，硬脆管件的单次研磨量Δd和锥度段的锥度差Δa(由锥度段的启示位置到终点位置的直径差)，研磨工具的数量为m；为了消除硬脆管件内孔的初始尺寸误差，通常利用第1根研磨工具对硬脆管件的内孔进行预处理，第1根研磨工具的定径段直径尺寸为硬脆管件的内圆最小直径Dnmin，当以硬脆管件的内圆最小直径Dnmin作为研磨工具定径段时，硬脆管件仍不能有效通过时，应考虑增加预处理研磨次数，故硬脆管件的加工次数n表示为：

[0050]

[0051] 第i根研磨工具的定径磨头的直径满足以下关系：

[0052] Di+1＝Δd+Di,i∈(0,n)

[0053] 第i根研磨工具的引导磨头的直径满足以下关系：

[0054] Dmin＝Di+1‑Δa,i∈(0,n)

[0055] S2，根据硬脆管件的加工次数，按第1根至第m根的研磨工具的顺序，依次加工硬脆管件的内孔；

[0056] S21，粗加工阶段：利用粗加工研磨工具的引导段1贯穿硬脆管件5的内孔，拉直粗加工研磨工具并由支撑装置支撑，粗加工研磨工具以100rpm/min的转速均匀旋转，同时在粗加工研磨工具的两侧分别设有自由落体的冷却液，冷却液被吸至粗加工研磨工具的环形凹槽4内，硬脆管件5向前移动，以保持环形凹槽4与硬脆管件5的内壁之间含有冷却液，硬脆管件5沿粗加工研磨工具的长度方向由引导段1向定径段3侧大跨度往复移动，直至硬脆管件5移动至定径段3处并被研磨，以实现硬脆管件5的内孔的粗加工；

[0057] S22，精加工阶段：利用精加工研磨工具的引导段1贯穿硬脆管件5的内孔，拉直精加工研磨工具并由支撑装置支撑，精加工研磨工具以100rpm/min的转速均匀旋转，同时在精加工研磨工具的两侧分别设有自由落体的抛光液，抛光液被吸至精加工研磨工具的环形凹槽4内，硬脆管件5向前移动，以保证环形凹槽4与硬脆管件5的内壁之间含有抛光液，硬脆管件5沿精加工研磨工具的长度方向由引导段1向定径段3侧大跨度往复移动，直至硬脆管件5移动至定径段3处并被研磨，以实现硬脆管件5的内孔的精加工。

[0058] 实施例3：

[0059] 本实施例提供一种用于大长径比的硬脆管件的内孔研磨方法，利用带有注液通道的粗加工研磨工具和带有注液通道的精加工研磨工具来实现，研磨步骤如下：

[0060] S1，确定硬脆管件的加工次数、研磨工具的数量以及每根研磨工具的外径尺寸：

[0061] 设硬脆管件的内孔的目标尺寸为Dn，硬脆管件的内孔实际最小直径为Dnmin，硬脆管件的单次研磨量Δd和锥度段的锥度差Δa(由锥度段的启示位置到终点位置的直径差)，研磨工具的数量为m；为了消除硬脆管件内孔的初始尺寸误差，通常利用第1根研磨工具对硬脆管件的内孔进行预处理，第1根研磨工具的定径段直径尺寸为硬脆管件的内圆最小直径Dnmin，当以硬脆管件的内圆最小直径Dnmin作为研磨工具定径段时，硬脆管件仍不能有效通过时，应考虑增加预处理研磨次数，故硬脆管件的加工次数n表示为：

[0062]

[0063] 第i根研磨工具的定径磨头的直径满足以下关系：

[0064] Di+1＝Δd+Di,i∈(0,n)

[0065] 第i根研磨工具的引导磨头的直径满足以下关系：

[0066] Dmin＝Di+1‑Δa,i∈(0,n)

[0067] S2，根据硬脆管件的加工次数，按第1根至第m根的研磨工具的顺序，依次加工硬脆管件的内孔；

[0068] S21，粗加工阶段：利用粗加工研磨工具的引导段1贯穿硬脆管件5的内孔，并拉直粗加工研磨工具，粗加工研磨工具以100rpm/min的转速均匀旋转，同时通过泵送冷却液的方式向注液通道内注入冷却液，冷却液被甩至环形凹槽4处，以保持环形凹槽4与硬脆管件5的内壁之间含有冷却液，硬脆管件5沿粗加工研磨工具的长度方向由引导段1向定径段3侧往复移动，直至硬脆管件5移动至定径段3处并被研磨，以实现硬脆管件5的内孔的粗加工；

[0069] S22，精加工阶段：利用精加工研磨工具的引导段1贯穿硬脆管件5的内孔，并拉直精加工研磨工具，精加工研磨工具以100rpm/min的转速均匀旋转，同时通过泵送研磨液的方式向注液通道内注入研磨液，研磨液被甩至环形凹槽4处，以保证环形凹槽4与硬脆管件5的内壁之间含有抛光液，硬脆管件5沿精加工研磨工具的长度方向向定径段3侧往复移动，直至硬脆管件5移动至定径段3处并被研磨，以实现硬脆管件5的内孔的精加工。

[0070] 实施例2与实施例3除了通液方式不同，其余步骤均相同，对于同一根硬脆管件采用多根尺寸等比例增加的研磨工具分次加工，不仅可以保证工件的研磨精度，还可以减小硬脆管件产生低损伤的概率。对于粗加工阶段所采用的粗加工研磨工具的数量和精加工研磨阶段所采用的精加工研磨工具的数量依据实际情况而定。

[0071] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。