氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氧化鋁工程陶瓷材料激光誘導熱裂濕式磨削加工方法，一種氧化鋁工程陶瓷材料激光誘導熱裂濕式磨削加工方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：步驟1、采用Nd:YAG激光作為熱源對氧化鋁工程陶瓷零件表面進行加熱，并用Ar氣進行冷卻，預先誘導初始裂紋；步驟2、在所述氧化鋁工程陶瓷零件表面產(chǎn)生初始裂紋后，再進行精密濕式磨削加工，其中，選用水基冷卻液，供液壓力為6MPa，砂輪線速度80m/s，磨削深度2mm，進給速度2.2m/min。應用本發(fā)明方法可獲得無裂紋、無熔凝變質(zhì)層、低粗糙度的高質(zhì)量加工表面，將大幅提高陶瓷材料的可加工性，與氧化鋁工程陶瓷傳統(tǒng)磨削加工相比，允許使用較大的磨削深度進行加工。為工程陶瓷等硬脆難加工材料提供一種新的加工方法。
【專利說明】氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磨削加工方法，尤其涉及一種氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋁工程陶瓷以其諸多優(yōu)越性能如高強度、高硬度、耐磨、耐高溫和具有良好的絕緣性能等得到了日益廣泛的應用。可用于噴砂用的噴嘴、紡織用的導熱器及火箭用倒流罩，也可作高溫實驗儀器及化工零件、軸承、內(nèi)燃機火花塞、活塞和觸媒載體。用氧化鋁工程陶瓷來替代金屬材料的運動零件(活塞、活塞銷等)可以減輕零件的質(zhì)量，使內(nèi)燃機減少摩擦、節(jié)約能源和減小振動。用氧化鋁工程陶瓷材料制成的機械密封環(huán)，可以延長密封環(huán)的使用壽命，減少拆換次數(shù)，降低成本，提高效率。
[0003]但是氧化鋁工程陶瓷難以采用傳統(tǒng)的車、銑等方法進行加工，目前主要采用金剛石砂輪磨削，存在加工效率低、金剛石砂輪消耗大、制造成本高(幾乎占陶瓷零件成本的75%以上)等問題。其加工難問題主要體現(xiàn)在以下兩個方面:
一是加工質(zhì)量差。氧化鋁工程陶瓷材料的脆性大，熱抗震性差，對加工過程中的力和熱影響非常敏感，工件容易產(chǎn)生崩碎性破壞和熱裂紋；二是加工效率低，成本高。氧化鋁工程陶瓷材料的強度和硬度高，加工過程產(chǎn)生很大的磨削力，砂輪磨損嚴重。
[0004]由此可見，改善加工質(zhì)量和提高加工效率是氧化鋁工程陶瓷加工過程中亟待解決的問題。
[0005]激光輔助加熱技術(shù)現(xiàn)已成為改善氧化鋁工程陶瓷材料加工性能的一種新的途徑。而現(xiàn)有技術(shù)，往往關(guān)注如何防止激光誘導或磨削過程中產(chǎn)生的工藝裂紋，從而獲得相對平坦的加工平面。例如，2013年7月10日公開的，申請?zhí)枮?01310092938.6的專利公開了一種“移動激光焦點誘導的脈沖微弧放電方法及其應用”;例如，2007年5月9日公開的，申請?zhí)枮?00610134249.7的專利公開了一種“一種硬脆晶體基片的無損傷磨削方法”。但現(xiàn)有技術(shù)集中于如何避免工藝裂紋的出現(xiàn)，從未研究過如何利用激光誘導或磨削過程中產(chǎn)生的工藝裂紋，從而輔助完成超硬材料的加工。
[0006]事實上，利用高功率激光束聚焦加熱切削區(qū)，實現(xiàn)被切削區(qū)材料軟化，去除機理由脆性轉(zhuǎn)化為延展性，從而降低氧化鋁陶瓷材料加工難度。然而，由于磨削加工具有比能高、砂輪/工件接觸長度大和散熱性能差等特點，將激光輔助加工技術(shù)應用于磨削加工會出現(xiàn)一些新的技術(shù)問題:
1)激光輔助加熱加工過程中激光聚焦區(qū)的溫度很高(超過1000°c)，被加熱軟化的材料必須即時高效地予以去除，這意味著聚焦光斑中心與切削區(qū)之間的相對位置應盡可能近，但距離過近又將導致刀具出現(xiàn)熱損傷，因此激光輔助加熱加工后的工件表面極易出現(xiàn)表面
/亞表面裂紋；
2)磨削加工氧化鋁工程陶瓷等難加工材料時，磨削能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能積聚在磨削區(qū)內(nèi)，導致磨削區(qū)的溫度急劇升高。激光輔助加熱技術(shù)的特點又限制了冷卻液的使用，也就無法從根本上消除因熱量積累而產(chǎn)生的表面/亞表面裂紋。裂紋將導致氧化鋁工程陶瓷表面的抗磨損性能降低，應力銹蝕靈敏性增加，抗疲勞性能下降，從而大幅降低工程陶瓷零件的使用壽命和工作可靠性。
[0007]目前在國內(nèi)尚無人對氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工進行研究，因此深入系統(tǒng)地研究如何采用激光誘導熱裂磨削加工技術(shù)實現(xiàn)氧化鋁工程陶瓷的低成本高質(zhì)量加工，是氧化鋁陶瓷加工研究中值得探討的一個重要技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種氧化鋁工程陶瓷材料激光誘導熱裂濕式磨削加工方法，應用該方法可獲得無裂紋、無熔凝變質(zhì)層、低粗糙度的高質(zhì)量加工表面，將大幅提高氧化鋁陶瓷材料的可加工性，與氧化鋁工程陶瓷傳統(tǒng)磨削加工相比，允許使用較大的磨削深度進行加工。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種氧化鋁工程陶瓷材料激光誘導熱裂濕式磨削加工方法，其特征在于:該方法包括如下步驟:
步驟1、采用Nd: YAG激光作為熱源對氧化鋁工程陶瓷零件表面進行加熱，并用Ar氣進行冷卻，預先誘導初始裂紋；
其中:激光誘導熱裂方法條件:a.激光輸出功率:50W-120W ；b.光斑直徑:0.1mm-Q.5mm ;c.重復頻率:10KHz_30KHz ；d.掃描速度:100mm/min-600mm/miη ；
步驟2、在所述氧化鋁工程陶瓷零件表面產(chǎn)生初始裂紋后，再進行精密濕式磨削加工，其中，選用水基冷卻液，供液壓力為6MPa，砂輪線速度80m/s，磨削深度2mm，進給速度2.2m/min0
[0010]優(yōu)選地，所述激光誘導熱裂方法條件為:激光輸出功率:100W，光斑直徑:0.3mm,重復頻率:IOKHz,掃描速度:300mm/min。
[0011]優(yōu)選地，所述激光誘導熱裂方法條件為:激光輸出功率:60W，光斑直徑:0.2mm，重復頻率:20KHz,掃描速度:400mm/min。
[0012]優(yōu)選地，所述激光誘導熱裂方法條件為:激光輸出功率:100W，光斑直徑:0.3mm,重復頻率:30KHz，掃描速度:500mm/min。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明所述的激光誘導熱裂技術(shù)應用于氧化鋁工程陶瓷的加工能極大地提高氧化鋁工程陶瓷的加工效率、降低加工成本，并能得到高的表面質(zhì)量。
[0014]2、本發(fā)明中，激光輸出功率增加可以使激光誘導熱裂磨削加工過程磨削力減小，比磨削能增加，加工表面塑性去除痕跡增多。但是當激光輸出功率達到非常高時，加工表面反而出現(xiàn)較多的微裂紋，這是增大激光輸出功率導致熱裂紋擴展深度超過磨削深度的緣故，結(jié)果導致了加工表面惡化。激光輸出功率為60W-100W時的磨削表面型貌最為平整，微裂紋并未出現(xiàn)。
[0015]3、在本發(fā)明中，激光誘導熱裂磨削加工過程中采用較小的光斑直徑，會有效降低激光誘導熱裂磨削加工中的磨削力，有利于加工表面質(zhì)量的提高。激光光斑直徑為0.2mm-0.3mm時的磨削表面加工質(zhì)量最好。
[0016]4、本發(fā)明中，提高重復頻率，能提高工件被輻照范圍內(nèi)激光輻照區(qū)域溫度，從而有效地使待去除材料吸收熱量而得到分布理想的熱裂紋。重復頻率為10KHz-30KHz時的磨削
表面加工質(zhì)量最好。
[0017]5、本發(fā)明中，激光誘導熱裂磨削加工過程中采用較小的掃描速度，有效降低激光誘導熱裂磨削加工中的磨削力，有利于加工表面質(zhì)量的提高。掃描速度為300mm/min-500mm/min時的磨削表面加工質(zhì)量最好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1 (a)和圖1 (b)是激光輸出功率為60WU20W時氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工后工件表面型貌；
圖2 (a)和圖2 (b)是光斑直徑為0.2mm、0.5mm時氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工后工件表面型貌；
圖3 (a)和圖3 (b)是重復頻率為10KHz、30KHz時氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工后工件表面型貌；
圖4 (a)和圖4 (b)是掃描速度為300mm/min、600mm/min時氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工后工件表面型貌；
圖5是激光誘導裝置示意圖。
[0019]其中:1 一 Nd:YAG激光器,2—第一反射鏡,3—第二反射鏡,4 一第三反射鏡,5 —第四反射鏡，6 一聚焦鏡，7 一氧化鋁工程陶瓷工件。
[0020]圖6是磨削裝置示意圖。
[0021]其中:8 —砂輪，9 一噴嘴，10 —激光誘導熱裂后氧化鋁工程陶瓷工件，11 一測力儀。
【具體實施方式】
[0022]以下將結(jié)合附圖1-6對本發(fā)明做出進一步說明。
[0023]鑒于裂紋將導致氧化鋁工程陶瓷表面的抗磨損性能降低，本發(fā)明采用逆向思維方法，提出主動引入熱裂紋以降低氧化鋁工程陶瓷抗磨損性能的方法，即激光誘導熱裂磨削加工方法，該方法具體包括以下步驟:
第一步，通過低功率激光輻射誘導氧化鋁工程陶瓷表面產(chǎn)生熱裂紋，并合理控制裂紋的擴展；
第二步，在濕式磨削狀態(tài)下磨除氧化鋁工程陶瓷表面熱裂層。
[0024]由于氧化鋁陶瓷材料性能對激光誘導熱裂磨削加工機理有較大的影響，本實施例中，選用了應用廣泛的99%氧化鋁材料作為試驗材料。
[0025]氧化鋁陶瓷在高溫氧化物陶瓷中屬化學性能穩(wěn)定、機械強度高、硬度大、耐磨性能好的一種高性能多用途工程陶瓷，是一種以C1-Al2O3為主晶相的技術(shù)陶瓷，氧化鋁的含量高于95%的Al2O3陶瓷具有優(yōu)異的電絕緣性能和較低的介質(zhì)損耗等特點，而且機械強度高、硬度大、熟膨脹系數(shù)小，耐磨性、耐腐蝕和耐沖擊性能好。
[0026]參見附圖5和圖6，本發(fā)明所述激光誘導熱裂磨削方法使用的試驗臺，Nd:YAG激光器(I)發(fā)出激光束后，激光束經(jīng)第一反射鏡(2)、第二反射鏡(3)和第三反射鏡(4)調(diào)節(jié)到合適的高度。激光束經(jīng)第四反射鏡(5)和聚焦鏡(6)輻照于圖5中的氧化鋁工程陶瓷工件(7)表面。其中激光器為自制300W聲光調(diào)Q YAG激光器，采用摻釹釔鋁石榴石晶體Nd:YAG(Nd3+: Y3A15O12)作為工作物質(zhì)，雙橢圓柱光腔雙氪燈泵浦方式，電流調(diào)節(jié)范圍7~30A，激光光束的遠場發(fā)散角Θ (半角)約為3mrad，冷卻氣體為Ar氣。其他參數(shù)如表1所示。
[0027]表1激光器參數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋁工程陶瓷材料激光誘導熱裂濕式磨削加工方法，其特征在于:該 方法包括如下步驟: 步驟1、采用Nd: YAG激光作為熱源對氧化鋁工程陶瓷零件表面進行加熱，并用Ar氣進行冷卻，預先誘導初始裂紋； 其中:激光誘導熱裂方法條件:a.激光輸出功率:50W-120W ；b.光斑直徑:0.1mm-Q.5mm ;c.重復頻率:10KHz_30KHz ；d.掃描速度:10Omm/min-600mm/miη ； 步驟2、在所述氧化鋁工程陶瓷零件表面產(chǎn)生初始裂紋后，再進行精密濕式磨削加工，其中，選用水基冷卻液，供液壓力為6MPa，砂輪線速度80m/s，磨削深度2mm，進給速度2.2m/mirio
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工方法，其特征在于:所述激光誘導熱裂方法條件為:激光輸出功率:100W，光斑直徑:0.3mm，重復頻率:10KHz，掃描速度:300mm/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工方法，其特征在于:所述激光誘導熱裂方法條件為:激光輸出功率:60W，光斑直徑:0.2mm，重復頻率:20KHz，掃描速度:400mm/mi η。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述氧化鋁工程陶瓷激光誘導熱裂磨削加工方法，其特征在于:所述激光誘導熱裂方法條件為:激光輸出功率:100W，光斑直徑:0.3mm，重復頻率:30KHz，掃描速度:500mm/min。
5.一種氧化鋁工程陶瓷材料激光誘導熱裂磨削方法使用的試驗臺，包括:Nd:YAG激光器(I)、第一反射鏡(2)、第二反射鏡(3)和第三反射鏡(4)、第四反射鏡(5)、聚焦鏡(6)，砂輪(8)、測力儀(11)和精密平面磨削實驗臺；其特征在于: 發(fā)出激光束后，激光束經(jīng)第一反射鏡(2)、第二反射鏡(3)和第三反射鏡(4)調(diào)節(jié)到合適的高度，激光束經(jīng)第四反射鏡(5)和聚焦鏡(6)輻照于氧化鋁工程陶瓷工件(7)表面； 將激光誘導熱裂后氧化鋁工程陶瓷工件(10)固定于測力儀(11)上，砂輪(8)安裝于精密平面磨削實驗臺主軸上，冷卻液通過噴嘴(9)注入，實現(xiàn)工件表面熱裂層的濕式磨削去除。
【文檔編號】B24B1/00GK103831674SQ201410061230
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】張曉紅, 安偉科, 陳根余, 鄧朝暉, 周志雄 申請人:湖南理工學院