專利名稱：陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料的特種加工工具，特別涉及采用同軸微波輔助加熱的切削刀具。
背景技術：
陶瓷是最重要的無機非金屬材料，與金屬或有機高分子材料相比，具有密度小、硬度高、熱膨脹系數低、抗壓強度高、化學穩(wěn)定性好、絕緣性能好、耐熱、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能。同時，陶瓷材料也因為其自身的出色特性在眾多領域有著廣泛應用。
陶瓷材料的一般制造工藝是將陶瓷粉末和粘接劑等原料混合，通過冷壓成型然后高溫燒結或者熱壓燒結形成工件。然而在燒結過程中陶瓷工件通常會發(fā)生較大的收縮，引起工件的尺寸偏差和變形，造成大部分工件需要經過再加工才能達到工程應用所需的尺寸精度要求。
而陶瓷在常溫下陶瓷硬度很高，必須采用材料硬度更高的刀具才能進行金屬切削原理式的加工；而且陶瓷材料呈示出很大的脆性，在加工過程中很容易出現工件崩裂。正是由于陶瓷的這種高硬度和脆性使其成為典型的難加工材料。難加工性已經嚴重阻礙了具有許多優(yōu)良特性的陶瓷材料在眾多領域的進一步推廣應用。
二十世紀五十年代以后，為了改善陶瓷材料的加工工藝，國內外陸續(xù)有學者對陶瓷的加熱輔助切削提出了自己的設想，并進行了相關的實驗。陶瓷的加熱輔助切削是指通過工件進行輔助加熱，使陶瓷材料原子的活動能力增加，使其更容易產生滑移，塑性提高，使材料在塑性狀下切削，并產生連續(xù)切削?，F有的輔助加熱方式，包括電流加熱、氧乙炔焰加熱、等離子弧加熱、激光加熱等。
然而，由于等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱時熱量的傳遞是由表及里，熱量要通過陶瓷的導熱才能達到陶瓷里面，但大部分陶瓷的導熱系數很低，從而在材料的被加工區(qū)會形成很大的溫度梯度，易產生很大的熱應力，導致亞表層損傷，強度降低。在加工過程中產生的切屑會妨礙陶瓷表面熱的吸收。而且等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱設備昂貴，技術復雜。這也是近年來陶瓷等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱塑性切削技術僅處于實驗室的研究而很難推廣實用的原因。因此尋求低成本、均勻加熱的熱源就成為陶瓷加熱塑性切削技術實用化的關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，目的在于克服現有輔助加熱方式的不足，使得材料整體受熱，熱量均勻，減少內部熱應力，并保證加熱過程和切削過程協調一致。
本發(fā)明一種陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，切削刀具和最外層的金屬外殼之間具有絕緣層，切削刀具與同軸波導的芯極相連接，金屬外殼與同軸波導外導體相連接，同軸波導和微波發(fā)生與控制電路電信號連接；切削刀具、絕緣層和金屬外殼構成微波同軸天線，切削刀具為同軸天線內導體，金屬外殼成為同軸天線外導體。
所述的陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，所述金屬外殼上可以裝有反射板；所述微波發(fā)生與控制電路可以包括依次電信號連接的電源、微波源、調制器和阻抗匹配單元。
本發(fā)明采用微波的傳輸、定向、天線與刀具一體化設計，并配以加工中所需的溫度測量、切削力測量等裝置。整個微波裝置采取冷卻水管散熱，保障微波裝置的充分散熱和可靠工作。
微波加熱輔助切削是以微波作用的方式，使陶瓷溫度上升，使材料達到從脆性向塑性轉化的狀態(tài)，從而使用相關刀具以塑性切削的方式去除待加工材料。與前述的激光、等離子弧輔助加熱方式不同，微波加熱過程中材料整體受熱，熱量均勻，內部熱應力小。同時，采用切削刀具與微波發(fā)射天線同軸的設計，使得加熱過程和切削過程更加協調一致。
在陶瓷材料加工過程中，刀具與工件接觸準備切削前微波電磁能量通過刀具天線定向到被加工區(qū)實施預熱，當加工區(qū)溫度達到加工區(qū)陶瓷材料局部能發(fā)生從脆性斷裂到塑性變形的轉變而不是熔融時，就將刀具切入陶瓷材料實施切削，在切削同時刀具的熱影響區(qū)對待加工區(qū)實施預熱，對已加工區(qū)實施退火作用如圖3所示。通過高溫儀測量溫度，計算機進行瞬時溫度的精確控制，調節(jié)微波功率強度的辦法來防止陶瓷的局部熔融，實現穩(wěn)定的塑性切削。由于切削力集中在刃口附近，為了保證刀刃，提高刀頭強度，選取較小的正值前角、后角及刃傾角，為改善工件表面粗糙度，在刀具刃磨時應選取較小的正值主偏角、副偏角和較大的刀尖圓弧半徑。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)微波輔助加熱方式加熱快、效率高，而且微波能均勻地作用在陶瓷材料的整體之中，從而使材料內部的熱量分布十分均勻，工件溫度梯度小、內部熱應力小。
(2)陶瓷材料微波受熱后表現出一定塑性，可采用較大的切深進行切削，因此本發(fā)明有較好的加工效率和經濟成本。
(3)同時微波加熱能抑制陶瓷晶粒異常生長，可得到高質量的加工表面，微波退火也可提高加工后的表面質量。
(4)采用切削刀具與微波天線一體化同軸設計，局部加熱區(qū)與切削區(qū)一致，從而可能提高加熱效率。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為整個加工裝置的電路結構圖；圖3為使用本發(fā)明車削時微波熱影響區(qū)示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明詳細說明。
圖1中的切削刀具1為實施加工的主體，它可以是車刀、銑刀或其他類型的刀具。切削刀具1為硬質合金刀柄，前端刀頭為金剛石，刀具外裹有絕緣層8，絕緣層為聚四氟乙烯包層，將刀具與最外層的金屬外殼7分隔開，構成同軸天線9。在金屬外殼7上，可加裝有反射板3，以加強微波的能量集中。同軸天線9和微波同軸波導10是通過內、外兩級連接耦合在一起。在內部，同軸波導10的芯極6通過芯極連接頭2與切削刀具1相連；在外部，同軸波導10的外導體5通過外導體連接頭4與金屬外殼7連接。芯極連接頭2和外導體連接頭4均為緊固件。
工作過程中，切削刀具1是切削過程的直接承擔者。同時，切削刀具1和金屬外殼7共同構成了同軸天線，將微波能量直接注入到待加工區(qū)域，實現陶瓷材料的輔助加熱塑性化過程。
圖2是整個加工裝置的電路結構圖。電源14為整個系統供電。微波源13采用2.45GHz可調功率的磁控管，并受調制器12的調制，可產生連續(xù)或脈沖的微波振蕩功率，通過阻抗匹配單元11、同軸波導10傳遞到同軸天線9上，同軸波導10可用同軸電纜等來實現。同軸天線9的內導體做成車刀的形狀，以形成能量較為集中、強度較為均勻的微波輻射到工件加工區(qū)實施加熱。通過反射板3反射和天線定向作用，提高控制微波方向性的能力，使微波對操作者輻射達到安全標準內。
圖3是對整個微波輔助加熱切削過程的直觀表示，圖3中切削刀具1，金屬外殼7，加工區(qū)17，預熱區(qū)16，退火區(qū)18。預熱區(qū)16在未被車刀直接加工的時候，就已經處于同軸天線引出的微波能作用范圍內。陶瓷材料在預熱區(qū)16中被加熱，產生一定塑性，以備切削。在加工區(qū)17中，被預熱過的陶瓷材料直接受到車刀的切除作用，材料被去除。在退火區(qū)18，已完成切削過程的材料表面繼續(xù)受微波作用退火，消除殘余應力。
權利要求
1.一種陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，切削刀具和最外層的金屬外殼之間具有絕緣層，切削刀具與同軸波導的芯極相連接，金屬外殼與同軸波導外導體相連接，同軸波導和微波發(fā)生與控制電路電信號連接；切削刀具、絕緣層和金屬外殼構成微波同軸天線，切削刀具為同軸天線內導體，金屬外殼成為同軸天線外導體。
2.如權利要求1所述的陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，其特征在于所述金屬外殼上裝有反射板；所述微波發(fā)生與控制電路包括依次電信號連接的電源、微波源、調制器和阻抗匹配單元。
全文摘要
陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，屬于陶瓷材料的特種加工工具，目的在于克服現有輔助加熱方式的不足，使得材料整體受熱，熱量均勻，減少內部熱應力，并保證加熱過程和切削過程協調一致。本發(fā)明切削刀具和最外層的金屬外殼之間具有絕緣層，切削刀具與同軸波導的芯極相連接，金屬外殼與同軸波導外導體相連接，同軸波導和微波發(fā)生與控制電路電信號連接；切削刀具、絕緣層和金屬外殼構成微波同軸天線，切削刀具為同軸天線內導體，金屬外殼成為同軸天線外導體。使用本發(fā)明既是微波天線也是切削刀具，將輔助加熱過程和切削過程統一起來，可使陶瓷材料產生一定塑性，從而實現普通的機床切削過程，實現更佳的加工效果。
文檔編號B28D1/32GK1850473SQ20061001916
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權日2006年5月26日
發(fā)明者汪學方, 張鴻海, 甘志銀, 劉瑋欽 申請人:華中科技大學