一種基于空化效應(yīng)的軟脆材料加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于空化效應(yīng)的軟脆材料加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的軟脆材料是硬度低、脆性大材料的總稱。在工程中常用的軟脆材料主要有砷化鎵(GaAs)晶體、氟化鈣(CaF2)、磷酸二氫鉀(KDP)等，由于其具有許多金屬難以比擬的優(yōu)異性能，在電子、光學(xué)、儀器儀表、航空航天、國防及民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域有著越來越廣泛的作用。這些軟脆電子材料雖具有優(yōu)異的物理性能，但它們既脆又軟(如GaAs的莫氏硬度為4.5，InP的莫氏硬度為3)，與硅的硬度相比(Si的莫氏硬度為7)相差甚遠(yuǎn)。因為軟脆材料的特性，加工時表面易產(chǎn)生劃痕、凹坑、磨粒嵌入或吸咐等加工缺陷，這大大的限制了軟脆材料的應(yīng)用和發(fā)展。因此，如何實現(xiàn)軟脆材料的高質(zhì)高效、低成本精密超精密加工已成為當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)注的課題。
[0003]目前，對于軟脆材料，其加工方法主要有:單點金剛石飛刀切削技術(shù)、研磨拋光技術(shù)、固結(jié)磨粒拋光、水合拋光等。
[0004]單點金剛石切削技術(shù)采用天然單晶金剛石作刀具，車削加工光學(xué)零件表面。它通常采用“飛刀”切削加工方式，高速旋轉(zhuǎn)的飛刀去除工件表面一層材料，直接獲得超光滑表面，不需再進(jìn)行拋光加工。這種方法雖然加工效率高，但由于國內(nèi)機床精度和剛度不足，飛刀切削時，機床床身與主軸發(fā)生共振在晶體表面產(chǎn)生小尺度波紋，嚴(yán)重影響元器件的性能。研磨拋光是實現(xiàn)軟脆材料的精密超精密加工的最主要方法，傳統(tǒng)的研磨拋光采用的是游離磨料方式加工，在加工軟脆材料時，會有硬質(zhì)磨粒劃傷、嵌入或吸附在材料表面形成加工缺陷，而且加工時磨料隨機分布易造成材料去除量不均勻和面形難以控制，加工效率不高，且磨料利用率極低，成本高(磨料成本占加工成本的70% )，加工完成后材料表面清洗困難。為了提高材料的去除效率，國內(nèi)外專家提出了固結(jié)磨粒拋光技術(shù)。這種固結(jié)磨料技術(shù)雖然加工效率高，但由于磨粒固結(jié)在拋光墊上，加工時磨粒易掉落，使軟脆材料表面形成劃痕、凹坑等缺陷，同時其對拋光墊的要求較高，拋光墊的制作、自我修整等都有待于解決。為了解決軟脆材料表面質(zhì)量問題，國內(nèi)外專家又提出了水合拋光方法。這種方法采用了無磨粒加工技術(shù)，可以獲得無損傷表面質(zhì)量，但其加工效率很低。
[0005]綜上所述，雖然軟脆材料加工方法很多，但它們不是加工效率低，就是材料表面容易形成劃痕、凹坑等表面質(zhì)量問題，可見要想獲得加工效率高且低損傷的工件表面相當(dāng)困難，因此，為解決這一問題，迫切需要開發(fā)一種設(shè)備簡單、高效、高加工質(zhì)量和低成本的加工方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的軟脆材料加工方法的復(fù)雜成本高、加工效率低、加工質(zhì)量低的問題，本發(fā)明提出了一種設(shè)備簡單、高效、高質(zhì)量與低成本的基于空化效應(yīng)的軟脆材料加工方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于空化效應(yīng)的軟脆材料加工方法，利用空化裝置使加工區(qū)域的水基加工液發(fā)生空化，所形成的空泡潰滅在加工液中產(chǎn)生微射流、沖擊波和氧化自由基；微射流和沖擊波以機械作用的形式對工件表面反復(fù)作用，在工件表面形成厚度極小的疲勞破壞層，氧化自由基與工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化層；
[0009]加工過程中，彈性摩擦輪與工件做相對運動，對工件表面的化學(xué)氧化層和疲勞破壞層施加機械摩擦作用；從而在機械與化學(xué)的共同作用下，實現(xiàn)對工件表面的材料去除。
[0010]進(jìn)一步，所述的水基加工液是純凈水、電解質(zhì)溶液、非電解質(zhì)溶液或混合溶液。
[0011]再進(jìn)一步，所述水基加工液中產(chǎn)生的微射流速度為70?180m/s，微射流直徑為I?4 μ m，工件表面受到微射流沖擊次數(shù)為100?1000次/ (s.cm2);所述沖擊波的沖擊壓力為 140 ?170MPa。
[0012]所述的彈性摩擦輪的輪體由剛性材料制成，輪體外圍包裹一層軟質(zhì)或彈性材料。
[0013]所述的工件與彈性摩擦輪之間的相對運動包括:工件的上下左右前后運動，彈性摩擦輪的上下左右前后及旋轉(zhuǎn)運動以及工件與彈性摩擦輪之間的各種復(fù)合運動。
[0014]所述空化裝置將流經(jīng)的水流速度突然增大，水流壓力突然降低，從而使在工件表面產(chǎn)生空化效應(yīng)。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:利用空化裝置在水基加工液中產(chǎn)生大量的空泡；空泡潰滅時，會釋放大量的能量，能量轉(zhuǎn)化為強烈的微射流并在工件表面產(chǎn)生一定的沖擊壓力；沖擊壓力以微小值反復(fù)作用于工件表面，引起工件表面的疲勞破壞，以機械作用的形式去除工件表面的材料；另一方面，H2O的化學(xué)鍵在能量的作用下被打開，生成自由基，在基液中產(chǎn)生局部的高濃度氧化劑，氧化劑與工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在表面生成極微的氧化層；加工過程中，工件與彈性摩擦輪之間做相對運動，對工件表面的化學(xué)氧化層和疲勞破壞層施加機械摩擦作用；在機械與化學(xué)的共同作用下，從而實現(xiàn)對工件表面的材料去除。這種方法由于無磨料使用，不必?fù)?dān)心工件表面出現(xiàn)劃痕、磨粒嵌入、凹坑等加工缺陷，從而可以對工件材料進(jìn)行高效高質(zhì)量的加工。
[0016]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:1、適用范圍廣，可以加工各種材料；2、加工效率高；3、由于加工過程中不使用任何磨料，表面無劃痕、凹坑、磨粒嵌入等損傷，加工表面質(zhì)量好，且易清洗；4、由于空化效應(yīng)易于實現(xiàn)，因而使用成本低，對加工設(shè)備要求較低。
【附圖說明】
[0017]圖1是利用空化效應(yīng)對工件的加工原理圖。
[0018]圖2是對平面工件進(jìn)行加工的具體實施實例示意圖，其中，(a)是空泡初生；(b)是空泡增多；(C)是空泡膨脹；(d)是空泡壓縮；(e)是空泡繼續(xù)壓縮；(f)是空泡潰滅。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0020]參照圖1和圖2，一種基于空化效應(yīng)的軟脆材料加工方法，利用空化裝置I使加工區(qū)域的水基加工液6發(fā)生空化，所形成的空泡2潰滅在加工液中產(chǎn)生微射流、沖擊波10和氧化自由基5 ;微射流和沖擊波10以機械作用的形式對工件4表面反復(fù)作用，在工件4表面形成厚度極小的疲勞破壞層，氧化自由基5與工件4表