專利名稱：工程陶瓷材料的激光加熱輔助引弧微爆炸加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硬脆材料的加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種工程陶瓷材料的特種加工方法。
背景技術(shù)：
工程陶瓷材料因具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、耐熱、抗腐蝕、抗氧化、防核輻射等優(yōu)異的性能，被日益廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天、能源、軍事等領(lǐng)域，但其高脆性、高硬度給加工帶來(lái)了極大的困難。目前國(guó)內(nèi)外加工陶瓷的主要手段是用金剛石砂輪磨削，但只能加工簡(jiǎn)單的平面或 圓弧曲面組成的零件，對(duì)于復(fù)雜的型腔或型面則無(wú)法加工，因而限制了陶瓷材料的應(yīng)用與發(fā)展。另外，由于陶瓷燒結(jié)后收縮變形量大于20%，結(jié)構(gòu)尺寸很難象金屬那樣精確控制，所以一般加工余量比金屬要大50%左右，而磨削深度僅是金屬的1/8-1/10，完全依靠磨削這種精加工的方法去做本應(yīng)粗加工完成的主要材料去除工作，所以加工效率很低，且金剛石砂輪耗損過(guò)快，致使加工成本很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程陶瓷加工工藝的80%是采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工的，其加工成本占到陶瓷元件總成本的60-90%。由此看來(lái)，與金屬加工相比，陶瓷加工效率低、加工成本高的根本原因，是缺乏適應(yīng)陶瓷材料特性的粗加工方法。近年來(lái)，特種加工技術(shù)在工程陶瓷加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如激光加工、激光加熱輔助加工、電火花加工、等離子弧切割、高壓磨料水射流加工、引弧微爆炸加工等。其中，引弧微爆炸加工作為一種可行的加工方法，已經(jīng)在高效、低成本等方面顯露出較為明顯的優(yōu)勢(shì)。引弧微爆炸加工技術(shù)是一項(xiàng)針對(duì)工程陶瓷材料粗加工的特種加工方法，具有系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、加工成本低、效率高、參數(shù)可控性好、對(duì)陶瓷工件損傷較小、加工范圍廣泛等特點(diǎn)。加工系統(tǒng)工作時(shí)，以微爆炸發(fā)生器的噴嘴作為陽(yáng)極，鉿極為陰極，利用專用脈沖電源在通電后產(chǎn)生的高頻電壓擊穿陽(yáng)極與陰極間的間隙，形成火花放電使電流急劇增加，氣體電離程度隨之猛烈增長(zhǎng)，從而誘導(dǎo)出微爆炸并產(chǎn)生具有高溫高壓特性的等離子體射流。等離子體射流由微爆炸發(fā)生器噴嘴噴射出，作用到下方的陶瓷工件，在極短的時(shí)間內(nèi)，其高溫高沖擊能量使陶瓷表面材料熔化、汽化及裂紋擴(kuò)展形成蝕坑，從而去除材料。隨著數(shù)控工作臺(tái)的三維進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，蝕坑按照點(diǎn)-線-面的順序擴(kuò)展，可完成各種形狀工件的加工。由于引弧微爆炸加工是一種粗加工技術(shù)，因此加工后工件表面比較粗糙，并存在一些損傷。激光輔助加工技術(shù)近年來(lái)在陶瓷零件加工領(lǐng)域得到了較快速的發(fā)展。工程陶瓷的激光輔助加工方法是使用激光作為外加熱源先于刀具加熱軟化陶瓷工件，然后再使用刀具將軟化的材料去除。陶瓷材料軟化后，其屈服應(yīng)力和硬度降低，其變形特征從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄曰蛘邷?zhǔn)塑性，切削力降低，在此條件下，可以用耐高溫刀具對(duì)陶瓷材料進(jìn)行像切削金屬材料一樣加工，從而提高切削效率和延長(zhǎng)刀具使用壽命。激光輔助加工陶瓷的存在的問(wèn)題主要包括兩點(diǎn)，一是對(duì)激光束參數(shù)的控制，必須與工件材料性能和切削參數(shù)密切相關(guān)；二是刀具由于接觸傳熱導(dǎo)致的溫升使其硬度下降，刀具磨損仍然比較嚴(yán)重，盡管有人提出用液氮內(nèi)循環(huán)降低刀具的溫度，但效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)工程陶瓷等硬脆性材料的加工難題，提出一種工程陶瓷材料的激光加熱輔助引弧微爆炸加工方法及裝置，將激光輔助加工與引弧微爆炸加工相結(jié)合的、通過(guò)激光加熱輔助方式使加工區(qū)域的陶瓷材料快速軟化而后進(jìn)行引弧微爆炸加工去除。本發(fā)明提出的一種工程陶瓷材料的激光加熱輔助引弧微爆炸加工方法，其特征在于該方法包括以下步驟I)將激光器發(fā)出的激光束經(jīng)激光頭聚焦后傾斜照射于待加工的工程陶瓷工件表面；將引弧微爆炸發(fā)生器的噴嘴垂直向下對(duì)準(zhǔn)該工程陶瓷工件表面；2)待加工的工程陶瓷工件隨工作臺(tái)持續(xù)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，調(diào)整激光的工作參數(shù)使激光光斑瞬間將工程陶瓷工件表面照射區(qū)域的微區(qū)溫度升高至陶瓷材料的軟化溫度，對(duì)該微區(qū)先進(jìn)行激光預(yù)熱，造成該區(qū)陶瓷材料的硬度下降，塑性提高； 3)工作臺(tái)繼續(xù)進(jìn)給，使工程陶瓷工件軟化區(qū)域移進(jìn)至引弧微爆炸發(fā)生器噴嘴下方，再進(jìn)行引弧微爆炸加工，使微爆炸發(fā)生器噴射出的微爆炸等離子體射流隨之作用于該軟化區(qū)域，使軟化的工程陶瓷工件材料在引弧微爆炸的熱與爆炸沖擊力的聯(lián)合作用下被去除并拋離工件基體；4)重復(fù)步驟2)-3)的過(guò)程，直至待加工的工程陶瓷工件加工結(jié)束。所述激光器的工作參數(shù)為激光功率范圍為30-300W，激光光斑直徑大小為O. 5-1. 5mm，光斑與引弧微爆炸作用點(diǎn)的距離為l_3mm ;微爆炸發(fā)生器主要加工參數(shù)包括工作電流50-100A，工作氣壓為O. 1-0. 18MPa，工作脈沖寬度為60-120ms，脈沖間隙為
O.75-2. 75s ;工作臺(tái)進(jìn)給速度為50-300mm/min，微爆炸發(fā)生器與工件距離為l_5mm。所述的激光束被連續(xù)地或脈沖地發(fā)射，激光束聚焦后的光斑呈圓形地或橢圓形。所述的激光頭可以在水平、豎直方向調(diào)整，并可在0-90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以獲得最合適的光斑參數(shù)。所述的工程陶瓷工件的材料包括氮化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅或莫來(lái)石。本發(fā)明還提出一種采用所述方法的裝置，其特征在于該裝置主要由專用脈沖電源、脈沖控制器、數(shù)控三維工作臺(tái)、微爆炸發(fā)生器、供氣裝置、中小功率激光器、光纖、激光頭組成；其中，專用脈沖電源的陰極接微爆炸發(fā)生器內(nèi)部的鉿電極，專用脈沖電源的陽(yáng)極接微爆炸發(fā)生器的噴嘴，供氣裝置輸出的高壓氣體通入微爆炸發(fā)生器的內(nèi)腔作為工作氣體及冷卻氣體；激光頭內(nèi)裝聚焦透鏡，通過(guò)光纖與激光器連接。所述的供氣裝置為空氣壓縮機(jī)或氣瓶，所輸出的高壓氣體為壓縮空氣或氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w中的一種或一種以上的組合。所述的中小功率激光器包括CO2激光器、YAG激光器或半導(dǎo)體激光器。所述的中小功率激光器包括CO2激光器、YAG激光器或半導(dǎo)體激光器，激光頭可以在水平、豎直方向調(diào)整，并可在0-90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以獲得最合適的光斑參數(shù)，激光束被連續(xù)地或脈沖地發(fā)射，激光束聚焦后的光斑呈圓形地或橢圓形。本發(fā)明具有如下的特點(diǎn)及有益效果本發(fā)明借鑒激光輔助加工的原理，將激光能量引入工程陶瓷引弧微爆炸加工中，以改進(jìn)加工后的工件質(zhì)量并提高加工效率，對(duì)于推動(dòng)引弧微爆炸加工方法的發(fā)展以及提高陶瓷工件的加工質(zhì)量、降低加工成本具有重要意義。本發(fā)明通過(guò)激光的輔助加熱作用，控制激光的熱量輸出，使工件表面材料軟化，后續(xù)的引弧微爆炸加工隨之將軟化的材料去除，激光能量的引入，使引弧微爆炸加工后工件的質(zhì)量及加工效率明顯提高。I、與常規(guī)引弧微爆炸加工相比，激光的預(yù)熱作用使陶瓷材料的性質(zhì)發(fā)生了脆塑轉(zhuǎn)變，從而使引弧微爆炸加工對(duì)陶瓷工件造成的損傷大大減少，提高了陶瓷工件的加工質(zhì)量。2、激光輔助引弧微爆炸加工后 ，生成的蝕坑尺寸在直徑方向上沒有顯著變化，而在深度方向上有明顯的增大，因此提高了加工效率。3、為陶瓷材料的高效率低成本加工提供了新的質(zhì)量控制手段，進(jìn)一步推動(dòng)工程陶瓷材料的工程實(shí)際應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明的加工裝置原理示意圖；圖2為氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷采用本發(fā)明的激光輔助引弧微爆炸加工與常規(guī)引弧微爆炸加工的工件實(shí)體照片。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體的實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出的一種激光加熱輔助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料的方法與裝置，屬于特種加工范疇，其特征在引弧微爆炸加工過(guò)程中，在待加工工件上方安裝一激光頭，由中小功率激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)聚焦后傾斜照射于陶瓷工件表面引弧微爆炸下一步要加工的位置，使加工區(qū)域處于先激光預(yù)熱后引弧微爆炸加工的狀態(tài)。在激光束的作用下，通過(guò)調(diào)整激光參數(shù)，使陶瓷表層材料被加熱軟化，軟化的材料隨之在引弧微爆炸的熱與爆炸沖擊力的聯(lián)合作用下被去除并拋離基體。所述的工程陶瓷材料包括氮化硅或氧化鋁或氧化鋯或碳化硅或莫來(lái)石。所述的激光加熱輔助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料的裝置由專用脈沖電源、脈沖控制器、數(shù)控三維工作臺(tái)、微爆炸發(fā)生器、供氣裝置、中小功率激光器、光纖、激光頭組成；專用脈沖電源的陰極接微爆炸發(fā)生器內(nèi)部的鉿電極，專用脈沖電源的陽(yáng)極接微爆炸發(fā)生器的噴嘴，供氣裝置輸出的高壓氣體通入微爆炸發(fā)生器的內(nèi)腔作為工作氣體及冷卻氣體；激光頭內(nèi)裝聚焦透鏡，通過(guò)光纖與激光器連接。所述的激光加熱輔助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料的方法，其主要加工參數(shù)及取值范圍為工作電流50-100A，由專用脈沖電源控制；工作氣壓為O. 1-0. 18MPa，由供氣裝置控制；工作脈沖寬度為60-120ms，脈沖間隙為O. 75-2. 75s，由脈沖控制器控制；工作臺(tái)進(jìn)給速度為50-300mm/min，工作距離為l_5mm，由三維數(shù)控工作臺(tái)控制；激光器功率范圍為30-300W,由激光器控制；激光光斑直徑大小為O. 5-1. 5mm，光斑與引弧微爆炸作用點(diǎn)的距離為l-3mm,通過(guò)調(diào)整激光頭的位置獲得。所述的供氣裝置為空氣壓縮機(jī)或氣瓶，所輸出的高壓氣體為壓縮空氣或氮?dú)?、氬氣等惰性氣體中的一種或一種以上的組合。
所述的中小功率激光器包括CO2激光器、YAG激光器或半導(dǎo)體激光器之任意一種，激光頭可以在水平、豎直方向調(diào)整，并可在0-90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以獲得最合適的光斑參數(shù)，激光束被連續(xù)地或脈沖地發(fā)射，激光束聚焦后的光斑呈圓形地或橢圓形。本發(fā)明的主要原理是在常規(guī)引弧微爆轟加工陶瓷時(shí)，材料去除是微爆炸等離子體射流的高溫和高沖擊力協(xié)同作用的結(jié)果，微爆炸作用點(diǎn)附近的材料直接在高溫作用下通過(guò)分解、熔化等方式去除，加工區(qū)域邊緣處的材料由于溫度升高不充分，在高沖擊力的作用下，以裂紋擴(kuò)展的方式去除，因此在邊緣處易造成崩碎等加工損傷。而在激光加熱輔助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料時(shí)，由于激光的照射作用使輸入的能量密度提高，使工件整體溫度升高，邊緣處的材料得到軟化，材料性質(zhì)由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕瑥亩谝∥⒈ǖ母邲_擊力作用下被去除，減少了脆性斷裂帶來(lái)的不可控破壞，因此加工區(qū)域邊緣處的損傷得到控制。整體溫度的升高，使得材料去除范圍擴(kuò)大，因此材料去除效率升高。實(shí)施例 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。一種氣壓燒結(jié)氮化硅工程陶瓷激光加熱輔助引弧微爆炸加工方法，它包括以下步驟第一步、構(gòu)建加工系統(tǒng)。如圖I所示，激光加熱輔助引弧微爆炸加工系統(tǒng)由專用脈沖電源11、脈沖控制器12、供氣裝置13、微爆炸發(fā)生器(鉿陰極14、陽(yáng)極噴嘴15)、數(shù)控三維工作臺(tái)18、激光器19、光纖110、激光頭111組成。第二步、激光輔助加熱。激光器19發(fā)射出激光束，經(jīng)光纖傳輸至激光頭，聚焦后的激光束112照射于陶瓷工件17表面，形成一橢圓形光斑，工件材料表面溫度瞬間升高至1200°C左右，加熱區(qū)域材料軟化。陶瓷工件17為氣壓燒結(jié)法制成的氮化硅陶瓷塊，尺寸為60 X 30 X IOmm0激光功率200W，生成的橢圓形光斑短軸半徑O. 8mm，激光加熱點(diǎn)引弧微爆炸作用點(diǎn)距離為I. 5mm,三維數(shù)控工作臺(tái)18的進(jìn)給速度為80mm/min。第三步、引弧微爆炸加工。隨著三維數(shù)控工作臺(tái)18的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，陶瓷工件表面軟化區(qū)域運(yùn)動(dòng)至引弧微爆炸發(fā)生器噴嘴15下方，啟動(dòng)專用脈沖電源11，在脈沖控制器12的作用下，微爆炸等離子體射流16由噴嘴15噴出，利用微爆炸的高溫及高壓作用，對(duì)下方的氮化硅陶瓷工件17進(jìn)行加工，生成一個(gè)圓形蝕坑。引弧微爆炸加工時(shí)的主要技術(shù)參數(shù)為工作電流80A，工作氣壓O. 14MPa，工作距離4mm，工作脈寬80ms，脈沖間隙O. 5s。隨著工作臺(tái)18的持續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，蝕坑逐步擴(kuò)展，形成一個(gè)矩形槽。圖2為氮化硅陶瓷工件實(shí)施例的實(shí)物照片，常規(guī)引弧微爆炸加工生成的槽見圖21，激光加熱輔助引弧微爆炸加工生成的槽見圖22。由圖21和圖22的對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)激光加熱輔助引弧微爆炸加工后生成的槽的邊緣沒有明顯的破損，另外槽的深度由顯著增大，所以激光加熱輔助弓I弧微爆炸加工在加工質(zhì)量及加工效率方面要優(yōu)于常規(guī)弓I弧微爆炸加工。
權(quán)利要求
1.一種工程陶瓷材料的激光加熱輔助引弧微爆炸加工方法，其特征在于該方法包括以下步驟 1)將激光器發(fā)出的激光束經(jīng)激光頭聚焦后傾斜照射于待加工的工程陶瓷工件表面；將引弧微爆炸發(fā)生器的噴嘴垂直向下對(duì)準(zhǔn)該工程陶瓷工件表面； 2)待加工的工程陶瓷工件隨工作臺(tái)持續(xù)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，調(diào)整激光的工作參數(shù)使激光光斑瞬間將工程陶瓷工件表面照射區(qū)域的微區(qū)溫度升高至陶瓷材料的軟化溫度，對(duì)該微區(qū)先進(jìn)行激光預(yù)熱，造成該區(qū)陶瓷材料的硬度下降，塑性提高； 3)工作臺(tái)繼續(xù)進(jìn)給，使工程陶瓷工件軟化區(qū)域移進(jìn)至引弧微爆炸發(fā)生器噴嘴下方，再進(jìn)行引弧微爆炸加工，使微爆炸發(fā)生器噴射出的微爆炸等離子體射流隨之作用于該軟化區(qū)域，使軟化的工程陶瓷工件材料在引弧微爆炸的熱與爆炸沖擊力的聯(lián)合作用下被去除并拋離工件基體； 4)重復(fù)步驟2)-3)的過(guò)程，直至待加工的工程陶瓷工件加工結(jié)束。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述激光器的工作參數(shù)為激光功率范圍為30-300W，激光光斑直徑大小為O. 5-1. 5mm，光斑與引弧微爆炸作用點(diǎn)的距離為l_3mm ;微爆炸發(fā)生器主要加工參數(shù)包括工作電流50-100A，工作氣壓為O. 1-0. 18MPa，工作脈沖寬度為60-120ms，脈沖間隙為O. 75-2. 75s ;工作臺(tái)進(jìn)給速度為50-300mm/min，微爆炸發(fā)生器與工件距離為I _5mm。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的激光束被連續(xù)地或脈沖地發(fā)射，激光束聚焦后的光斑呈圓形地或橢圓形。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的激光頭可以在水平、豎直方向調(diào)整，并可在0-90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以獲得最合適的光斑參數(shù)。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的工程陶瓷工件的材料包括氮化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅或莫來(lái)石。
6.一種采用如權(quán)利要求I所述方法的裝置，其特征在于該裝置主要由專用脈沖電源、脈沖控制器、數(shù)控三維工作臺(tái)、微爆炸發(fā)生器、供氣裝置、中小功率激光器、光纖、激光頭組成；其中，專用脈沖電源的陰極接微爆炸發(fā)生器內(nèi)部的鉿電極，專用脈沖電源的陽(yáng)極接微爆炸發(fā)生器的噴嘴，供氣裝置輸出的高壓氣體通入微爆炸發(fā)生器的內(nèi)腔作為工作氣體及冷卻氣體；激光頭內(nèi)裝聚焦透鏡，通過(guò)光纖與激光器連接。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述的供氣裝置為空氣壓縮機(jī)或氣瓶，所輸出的高壓氣體為壓縮空氣或氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w中的一種或一種以上的組合。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述的中小功率激光器包括CO2激光器、YAG激光器或半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
本發(fā)明涉及工程陶瓷材料的激光加熱輔助引弧微爆炸加工方法與裝置，屬于硬脆材料的加工技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括將激光束聚焦后傾斜照射于待加工工件表面；將引弧微爆炸發(fā)生器的噴嘴垂直向下對(duì)準(zhǔn)該工件表面；工件隨工作臺(tái)持續(xù)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，先進(jìn)行激光預(yù)熱，將該微區(qū)溫度升高至陶瓷材料的軟化溫度，再進(jìn)行引弧微爆炸加工，直至待加工的工程陶瓷工件加工結(jié)束。該系統(tǒng)主要由專用脈沖電源、脈沖控制器、數(shù)控三維工作臺(tái)、微爆炸發(fā)生器、供氣裝置、中小功率激光器、光纖、激光頭組成；本發(fā)明提高了引弧微爆炸加工方法的材料去除效率，并減少了加工損傷，進(jìn)一步推動(dòng)了引弧微爆炸加工方法在工程陶瓷材料加工中的實(shí)際應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23K28/02GK102950387SQ20121046866
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月18日
發(fā)明者田欣利, 張保國(guó), 李富強(qiáng), 王健全, 唐修檢, 張建坤 申請(qǐng)人:田欣利, 張保國(guó)