工程陶瓷激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種工程陶瓷材料激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法，一種工程陶瓷材料激光誘導(dǎo)變質(zhì)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激光在無(wú)輔助氣體條件下對(duì)工程陶瓷零件表面進(jìn)行輻射，預(yù)先誘導(dǎo)工程陶瓷表面出現(xiàn)初始變質(zhì)層；步驟2、在所述工程陶瓷零件表面產(chǎn)生變質(zhì)層后，再進(jìn)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60m/s，磨削深度1.5mm，進(jìn)給速度2.0m/min。應(yīng)用本發(fā)明方法可獲得無(wú)裂紋、無(wú)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(jìn)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(shuō)明】工程陶瓷激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磨削加工方法，尤其涉及一種工程陶瓷激光誘導(dǎo)變質(zhì)磨削的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工程陶瓷以其諸多優(yōu)越性能，如高硬度、高抗壓強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性、高溫下強(qiáng)度保持不變以及低密度和低熱膨脹系數(shù)，在航空航天、電子電器、汽車以及制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。目前，它廣泛應(yīng)用于航天機(jī)械的噴嘴、發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫部件、陶瓷刀具、電子元器件、機(jī)械行業(yè)基礎(chǔ)瓷件，礦山冶金系統(tǒng)工程陶瓷部件、實(shí)驗(yàn)儀器等。
[0003]但是工程陶瓷難以采用傳統(tǒng)的車、銑等方法進(jìn)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(wèn)題。其加工難問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:
一是加工質(zhì)量差。工程陶瓷材料的脆性大，熱抗震性差，對(duì)加工過(guò)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。工程陶瓷材料的強(qiáng)度和硬度高，加工過(guò)程產(chǎn)生很大的磨削力，砂輪磨損嚴(yán)重。
[0004]由此可見(jiàn)，改善加工質(zhì)量和提高加工效率是工程陶瓷加工過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。
[0005]目前，對(duì)工程陶瓷材料的加工方法除了金剛石砂輪磨削加工以外，還包括采用光、電、聲、化學(xué)、離子弧等能量的特種加工，主要包括激光加工、輔助加熱加工、電火花加工、超聲輔助加工、化學(xué)輔助加工、等離子弧加工、水射流加工等。尤其是激光輔助加熱技術(shù)現(xiàn)已成為改善工程陶瓷材料加工性能的一種新的途徑。但現(xiàn)有技術(shù)，往往關(guān)注如何防止激光誘導(dǎo)或磨削過(guò)程中產(chǎn)生的損傷變質(zhì)層，從而獲得相對(duì)平坦的加工平面。例如，2013年7月10日公開(kāi)的，申請(qǐng)?zhí)枮?01310092938.6的專利公開(kāi)了一種“移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電方法及其應(yīng)用”;例如，2007年5月9日公開(kāi)的，申請(qǐng)?zhí)枮?00610134249.7的專利公開(kāi)了一種“一種硬脆晶體基片的無(wú)損傷磨削方法”。但現(xiàn)有技術(shù)從未研究過(guò)如何利用激光誘導(dǎo)或磨削過(guò)程中產(chǎn)生的變質(zhì)層，從而輔助完成超硬材料的加工。由于變質(zhì)層與工程陶瓷基體在物理、力學(xué)性能上呈現(xiàn)出完全不同的表現(xiàn)，在陶瓷零件的使用過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋和脫落，導(dǎo)致陶瓷表面的抗磨損性能降低，抗疲勞性能下降，從而大幅降低陶瓷零件的使用壽命和工作可靠性。
[0006]目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)人對(duì)工程陶瓷激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工進(jìn)行研究，因此深入系統(tǒng)地研究如何采用激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程陶瓷的低成本高質(zhì)量加工，是工程陶瓷加工研究中值得探討的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種工程陶瓷材料激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法，應(yīng)用該方法可獲得無(wú)裂紋、無(wú)熔凝變質(zhì)層、低粗糙度的高質(zhì)量加工表面，將大幅提高工程陶瓷材料的可加工性，與工程陶瓷傳統(tǒng)磨削加工相比，允許使用較大的磨削深度進(jìn)行加工。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種工程陶瓷材料激光誘導(dǎo)變質(zhì)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激光在無(wú)輔助氣體條件下對(duì)工程陶瓷零件表面進(jìn)行輻射，預(yù)先誘導(dǎo)工程陶瓷表面出現(xiàn)初始變質(zhì)層；
其中:激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件:a.激光輸出功率:15W-50W ；b.光斑直徑:0.2mm~0.5mm ;c.重復(fù)頻率:50KHz_100KHz ；d.掃描速度:50mm/min-200mm/min ；
步驟2、在所述工程陶瓷零件表面產(chǎn)生初始變質(zhì)層后，再進(jìn)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60m/s，磨削深度1.5mm，工件進(jìn)給速度
2.0m/mino
[0009]優(yōu)選地，所述激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件為:激光輸出功率:20W，光斑直徑:0.3mm,重復(fù)頻率:60KHz,掃描速度:50mm/min。
[0010]優(yōu)選地，所述激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件為:激光輸出功率:30W，光斑直徑:0.4mm,重復(fù)頻率:80KHz,掃描速度:150mm/min。
[0011]優(yōu)選地，所述激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件為:激光輸出功率:50W，光斑直徑:0.3mm，重復(fù)頻率:90KHz，掃描速度:200mm/min。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明所述的激光誘導(dǎo)變質(zhì)技術(shù)應(yīng)用于工程陶瓷的加工能極大地提高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；
2、本發(fā)明中，激光輸出功率增加，采用較小的光斑直徑，提高重復(fù)頻率，采用較小的掃描速度等方法可以使激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工過(guò)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(dāng)激光輸出功率過(guò)高,光斑直徑過(guò)小、重復(fù)頻率過(guò)高、掃描速度過(guò)低時(shí)，加工表面反而出現(xiàn)較多的微裂紋和熔融層，這是變質(zhì)層擴(kuò)展深度超過(guò)磨削深度的緣故，結(jié)果導(dǎo)致了加工表面惡化。
[0013]3、在本發(fā)明中，激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工過(guò)程中采用較小的光斑直徑，會(huì)有效降低激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式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0.3mm-0.4mm時(shí)的磨削表面加工質(zhì)量最好。
[0014]4、本發(fā)明中，提高重復(fù)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變質(zhì)層，降低其強(qiáng)度，降低磨削力和砂輪磨損狀況，改善加工條件。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在其他條件相同的情況下，重復(fù)頻率為60KHz-90KHz時(shí)的磨削表面加工質(zhì)量最好。
[0015]5、本發(fā)明中，激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工過(guò)程中采用較小的掃描速度，會(huì)有效降低激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式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50_/min-200mm/min時(shí)的磨削表面加工質(zhì)量最好。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是氮化硅激光誘導(dǎo)變質(zhì)層表面型貌圖；
圖2是99%氧化鋁激光誘導(dǎo)變質(zhì)層表面型貌圖； 圖3是氧化鋯激光誘導(dǎo)變質(zhì)層表面型貌圖；
圖4是氮化硅激光誘導(dǎo)變質(zhì)層磨削加工后表面型貌圖；
圖5是99%氧化鋁激光誘導(dǎo)變質(zhì)層磨削加工后表面型貌圖；
圖6是氧化鋯激光誘導(dǎo)變質(zhì)層磨削加工后表面型貌圖；
圖7是激光誘導(dǎo)裝置示意圖。
[0017]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 一工程陶瓷工件。
[0018]圖8是磨削裝置示意圖，其中:8 —砂輪，9 —噴嘴，10 —激光誘導(dǎo)變質(zhì)后工程陶瓷工件，11 一測(cè)力儀。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下將結(jié)合附圖1-8對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020]現(xiàn)有的研究工作都集中于如何避免或盡可能減少加工過(guò)程中變質(zhì)層的出現(xiàn)這一問(wèn)題。鑒于變質(zhì)層結(jié)構(gòu)疏松、易于磨削去除，本發(fā)明采用逆向思維，提出主動(dòng)引入變質(zhì)層以提高工程陶瓷可加工性的新方法，即激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法，該方法具體包括以下步驟:
第一步，采用脈沖激光誘導(dǎo)工程陶瓷表面產(chǎn)生變質(zhì)層，并精確控制變質(zhì)層的深度和分
布；
第二步，在濕式磨削條件下磨除表面變質(zhì)層。
[0021]由于陶瓷材料性能對(duì)激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工機(jī)理有較大的影響，本發(fā)明選用了應(yīng)用廣泛且力學(xué)性能和化學(xué)性能差異較大的氮化硅、99%氧化鋁和氧化鋯這三種材料作為試驗(yàn)材料。
[0022]氮化硅陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，因此具有較好的抗熱震性能。在陶瓷材料中，氮化硅的彎曲強(qiáng)度比較高，硬度也很高，同時(shí)具有自潤(rùn)滑性，摩擦系數(shù)小，作為機(jī)械耐磨材料使用具有較大的潛力。氮化硅陶瓷耐氫氟酸以外的所有無(wú)機(jī)酸和某些堿液的腐蝕，也不被鉛、錫、銀、黃銅、鎳等熔融金屬合金所浸潤(rùn)與腐蝕。高溫氧化時(shí)材料表面形成的氧化硅膜可以阻礙進(jìn)一步氧化，抗氧化溫度達(dá)1800°C。
[0023]氧化鋁陶瓷在高溫氧化物陶瓷中屬化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)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a-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(diǎn)，而且機(jī)械強(qiáng)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。
[0024]氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強(qiáng)度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點(diǎn)，人們把這種強(qiáng)度和韌性都非常優(yōu)異的陶瓷稱為“陶瓷鋼”。
[0025]參見(jiàn)附圖7和圖8，本發(fā)明所述激光誘導(dǎo)變質(zhì)磨削方法使用的試驗(yàn)臺(tái)，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7中的工程陶瓷工件(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(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角0 (半角)約為3mrad，冷卻氣體為Ar氣。其他參數(shù)如表I所示。[0026]表1激光器參數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種工程陶瓷材料激光誘導(dǎo)變質(zhì)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激光在無(wú)輔助氣體條件下對(duì)工程陶瓷零件表面進(jìn)行輻射，預(yù)先誘導(dǎo)工程陶瓷表面出現(xiàn)初始變質(zhì)層； 其中:激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件:a.激光輸出功率:15W-50W ；b.光斑直徑:0.2mm~0.5mm ;c.重復(fù)頻率:50KHz_100KHz ；d.掃描速度:50mm/min-200mm/min ； 步驟2、在所述工程陶瓷零件表面產(chǎn)生初始變質(zhì)層后，再進(jìn)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60m/s，磨削深度1.5mm,工件進(jìn)給速度2.0m/mino
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述工程陶瓷激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法，其特征在于:所述激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件為:激光輸出功率:20W，光斑直徑:0.3mm，重復(fù)頻率:60KHz，掃描速度:50mm/mino
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述工程陶瓷激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法，其特征在于:所述激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件為:激光輸出功率:30W，光斑直徑:0.4mm，重復(fù)頻率:80KHz，掃描速度:150mm/mino
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述工程陶瓷激光誘導(dǎo)變質(zhì)濕式磨削加工方法，其特征在于:所述激光誘導(dǎo)變質(zhì)方法條件為:激光輸出功率:50W，光斑直徑:0.3mm，重復(fù)頻率:90KHz，掃描速度:200mm/mino
5.一種工程陶瓷材料激光誘導(dǎo)變質(zhì)磨削方法使用的試驗(yàn)臺(tái)，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(cè)力儀(11)和精密平面磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)；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)輻照于工程陶瓷工件(7)表面； 將激光誘導(dǎo)變質(zhì)后工程陶瓷工件(10)固定于測(cè)力儀(11)上，砂輪(8)安裝于精密平面磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)主軸上，冷卻液通過(guò)噴嘴(9)注入，實(shí)現(xiàn)工件表面變質(zhì)層的濕式磨削去除。
【文檔編號(hào)】B24B1/00GK103801992SQ201410061535
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:湖南理工學(xué)院