CN102172833A

CN102172833A - 基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷磨削加工方法

Info

Publication number: CN102172833A
Application number: CN2011100416028A
Authority: CN
Inventors: 刘志东; 田宗军; 邱明波; 汪炜; 王祥志; 黄因慧
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: CN102172833B

Abstract

一种基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是：采用导电的金属粘合剂砂轮作为磨轮，在磨轮和非导电工程陶瓷之间连续送入导电辅助电极，在脉冲电压作用下使磨轮与导电辅助电极之间产生火花放电，在此过程中向加工区域连续或间歇通入能与导电片状辅助电极材料产生烧蚀放热效应的助燃气体，使加工处于电火花诱导放电——辅助电极烧蚀——磨轮对非导电工程陶瓷磨削状态；磨轮与导电辅助电极在电火花放电作用下产生放电，导电辅助电极材料达到燃点温度以上而处于熔融甚至气化状态与通入的能产生烧蚀放热效应的助燃气体发生烧蚀反应，生成烧蚀产物，并物释放出大量的热，所述的热量作用于非导电工程陶瓷材料表面，使非导电工程陶瓷材料表面加热至软化甚至熔融状态，然后在磨轮的磨削作用下将其磨削去除。本发明具有加工效率高，绿色环保的优点。

Description

基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷磨削加工方法

技术领域

本发明涉及一种难加工材料的加工方法，尤其是一种非导电难加工材料的加工方法，具体地说是一种能提高非导电工程陶瓷加工效率，快速去除材料并保障加工表面质量与精度的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法。

背景技术

众所周知，非导电工程陶瓷（包括Al₂O₃、ZrO₂、Si₃N₄、SiC等）由于具有强度高、硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、非导电、热膨胀系数低等优良性能，日益广泛地应用于机械、电子、冶金、化工、石油地质钻探、航空航天和核工业等领域。现代工业对工程陶瓷构件的加工效率、表面质量和精度等要求越来越高，但是现有的热压、烧结、真空热挤压等工艺仅能成形出几何形状较为简单和精度较低的工程陶瓷构件，对于精度要求较高或形状较复杂的陶瓷构件，则必须进行后续加工。而多为共价键、离子键或其混合形式组成的晶体或粉末结构决定了工程陶瓷的硬脆性和难加工性。电火花加工是利用电、热能而不是机械能蚀除材料的，可以加工任何硬、脆、韧、软及高熔点的导电材料，且专长于难加工材料、复杂型面及薄壁件。由于非导电工程陶瓷是绝缘体，不能直接作为电极对之一而采用电火花加工，因此，非导电工程陶瓷电火花加工技术的研究与开发，就成为了当今电火花加工技术领域的一个研究难点。

目前对绝缘体的电火花加工主要有高压电火花加工方法、电解电火花加工方法及辅助电极法电火花加工等。高压电火花加工方法可以把绝缘体作为介质来进行加工，这种加工方法对绝缘体在粗加工时效率高、成本低，但加工表面形状粗糙，工件厚度受限，通常只用于打孔加工且深度不深，否则侧面放电严重，加工无法正常进行。日本学者福泽康、毛利尚武提出了绝缘陶瓷材料的辅助电极电解电火花加工方法，但仍未达到实用化的程度。电解电火花加工在本质上就是一种使用电解液作为辅助电极的电火花加工技术，该方法一直是国内外学者研究的热点，但是存在精度差、效率低、易锈蚀机床和对环境有污染等缺陷。日本学者黑松彰雄等开展了机械电解电火花复合磨削技术的研究工作，该复合磨削方法与单纯的机械磨削方法相比具有加工效率较高、表面质量好和成本低等优点，但加工过程中会排出一些有害气体，易污染环境和锈蚀机床，也未能在实际生产中得到推广应用。辅助电极法电火花加工是利用电极和辅助导电电极之间电火花放电使煤油工作液中产生热分解，其分解出的碳沉积在绝缘陶瓷加工表面不断形成导电膜，使绝缘陶瓷的加工表面具有导电性，从而实现了对绝缘陶瓷的电火花放电加工，但进行导电化处理而使加工成本提高，加工效率很低且不稳定。

中国专利01261619.2提出了双极性砂轮电火花机械复合磨削加工方法，可以实现非导电工程陶瓷材料的高效精密加工，但此方法放电难以控制、电能利用率低，并且存在电解液锈蚀机床污染环境的问题。中国专利CN200410023547.X涉及一种非导电超硬材料电火花机械复合磨削方法及机床，此加工方法综合利用了电火花加工和机械磨削的能量，并能在去除材料的同时对磨轮进行修整，时刻保持磨轮磨粒的锐利，降低了成本，提高了材料去除率和表面质量，但因技术需要其选用的磨轮为45钢轮，硬度较低，机械磨削作用难以全部磨除电火花蚀除作用在工件表面上形成的变质层和镀覆层，因而加工后的表面留有部分变质层的材料，并且加工效率也不高。电火花机械复合磨削加工方法的总体思路均是利用电火花加工放电所释放的热量加热在放电通道附件区域的绝缘材料，改变其硬度、脆性及韧性，然后再通过机械加工的方法加以去除。加热的效果主要依赖于脉冲电源的能量输出。但电火花加工放电释放出的热量只是集中在很小的放电通道附近区域，传输到绝缘体的热量十分有限且利用率很低，导致对绝缘体的“软化作用有限”，使得上述方法的加工效率均不高。

发明内容

本发明的目的是针对目前绝缘材料加工效率低的问题，发明一种通过辅助电极可控烧蚀方式使被加工的非导电工程陶瓷材料快速软化而后磨削去除的加工方法。

本发明的技术方案是：

一种基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是：采用导电的金属粘合剂砂轮作为磨轮，并做高速旋转运动，在磨轮和非导电工程陶瓷之间依靠送进机构连续送入导电辅助电极，并使导电辅助电极前端贴紧加工区域的非导电工程陶瓷材料的表面，在脉冲电压作用下使磨轮与导电辅助电极之间产生火花放电，在此过程中向加工区域连续或间歇通入能与导电片状辅助电极材料产生烧蚀放热效应的助燃气体，使加工处于电火花诱导放电——辅助电极烧蚀——磨轮对非导电工程陶瓷磨削状态；磨轮与导电辅助电极在电火花放电作用下产生放电，导电辅助电极材料达到燃点温度以上而处于熔融甚至气化状态与通入的能产生烧蚀放热效应的助燃气体发生烧蚀反应，并释放出大量的热，所述的热量作用于非导电工程陶瓷材料表面，使非导电工程陶瓷材料加热至软化甚至熔融状态，然后在磨轮的磨削作用下将其磨削去除；在加工过程中，部分烧蚀的热量传递到磨轮表面，以保持磨轮的形状精度和自锐性，降低磨轮所受到的磨削力，从而延长磨轮的使用寿命；以上过程重复进行，可控烧蚀与磨削加工两种状态始终交替进行直至加工结束。

所述的导电辅助电极为片状电极，该片状导电辅助电极的厚度选择以尽可能接近磨削区域为原则，一般在0.20 mm左右，可在0.1-0.30 mm之间。

所述的导电辅助电极为能与助燃气体发生剧烈放热反应的铁基材料或有色金属合金（如钛合金）。

本发明在向加工区域连续或间歇通入能与导电片状辅助电极材料产生烧蚀放热效应的气体的同时还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液（如乳化液或复合工作液）。

所述的非导电工程陶瓷为Al₂O₃陶瓷、ZrO₂陶瓷、Si₃N₄陶瓷或SiC陶瓷。

所述的助燃气体为氧气、氯气、氮气和氟气中的一种或一种以上的组合。

本发明可通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用磨轮的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体并达到控制烧蚀释放的热量的目的

所述的助燃气体的工作压力为0.01~90 MPa。

本发明可用于平面磨削，也可以用于外圆磨削或内圆磨削。

本发明的加工方法还可进一步描述为：

第一、导电片状辅助电极与金属粘合剂砂轮分别接脉冲电源的正负极，对加工区域通入氧气（或其它助燃气体），先在金属粘合剂砂轮与导电片状辅助电极之间产生放电，从而使片状辅助电极达到燃点，然后在氧气（或其它助燃气体）作用下形成高温烧蚀，释放热量。

第二、烧蚀的热量传导作用于非导电工程陶瓷材料表面，使基体表面材料加热至软化状态。烧蚀热量的控制可以依靠气体的间歇供给或气体连续供给时气体流量、压力、砂轮转速及导电片状辅助电极的送进速度、材料及尺寸等进行调整。所述的气体的工作压力为0.01~90 MPa。

第三、在砂轮的磨削作用下将软化区工程陶瓷材料表面磨削去除，并露出新的基体材料表面。随着工件的进给以及导电片状辅助电极的送进，重复上述加工过程。

整个加工过程中可以利用高压液体工作介质冲刷加工区域，包裹气体，也可以采用将整个加工区域浸入工作液并结合高压冲液的方式以压迫气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出。所述的电火花加工的工作介质为水或非可燃水溶性工作液（乳化液、复合工作液等）

本发明的有益效果：

本发明通过在金属粘合剂砂轮与紧贴着绝缘工程陶瓷的片状辅助电极的电火花诱导作用下，连续或间歇地通入能与辅助电极（铁基金属或钛等有色金属）发生烧蚀反应的气体（如氧气），释放出大量的热（比为同一时间内电火花放电能量高出3～4个数量级），这些热量能够直接扩散至绝缘工程陶瓷表面，使陶瓷材料产生软化效应，然后在磨轮的磨削作用下去除。少量的热量会传递到磨轮表面，对磨轮表面进行在线修整，保持磨轮的自锐性。加工过程中磨轮所受到的磨削力很小，因此可以进行大深度磨削，同时也延长了磨轮的使用寿命，并且由于磨削力很小，使得对机床的刚性要求可适当降低。

本发明通过电火花的诱导作用，利用导电片状辅助电极材料可控烧蚀释放的大量化学能，软化了加工区域非导电工程陶瓷材料表面，大大提高了蚀除效率。由于大大的减小了磨削力，使得磨轮损耗较小，延长了磨轮的使用寿命。烧蚀热量的控制可以依靠气体的间歇供给或气体连续供给时气体流量、压力、砂轮转速及导电片状辅助电极的送进速度、材料及尺寸等进行调整。

本发明可以对平面、圆柱等几何形状的绝缘材料进行表面加工。

本发明与常规电火花磨削加工相比可数倍甚至数十倍地提高材料蚀除效率，很好地解决了非导电工程陶瓷材料加工效率低的难题，对降低非导电工程陶瓷材料的加工成本，扩大应用范围有很大的作用。

本发明仍属于电火花磨削加工，但磨削力较小，对于机床刚性的要求可以适当降低；由于采用了水或非可燃水溶性工作液作为工作介质，不存在油性工作液电火花加工中产生的环境污染，火灾隐患等问题，是一种高效、低损耗、低成本、安全、无污染的加工方法。

附图说明

图1是本发明的一个加工装置原理示意图。

图2是本发明的加工过程示意图。

其中：

图2（a）是电火花放电诱导活化导电片状辅助电极材料示意图。

图2（b）是导电片状辅助电极材料活化区扩大和Al₂O₃陶瓷表面形成软化区过程示意图。

图2（c）是Al₂O₃陶瓷表面软化区继续扩大和机械磨削过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、2所示。

一种基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，它包括以下步骤：

首先，采用导电的金属粘合剂砂轮作为磨轮，并做高速旋转运动，在磨轮和非导电工程陶瓷（可为Al₂O₃陶瓷、ZrO₂陶瓷、Si₃N₄陶瓷或SiC陶瓷）之间依靠送进机构连续送入导电辅助电极，导电辅助电极应采用片状导电辅助电极，导电辅助电极的材料最好采用能与助燃气体（氧气、氯气、氮气和氟气中的一种或一种以上的组合）发生剧烈放热反应的铁基材料或有色金属合金（如钛合金），为使得可控烧蚀尽可能接近加工区，片状导电辅助电极的厚度应在0.20 mm左右；同时应使片状导电辅助电极前端尽可能地贴紧加工区域的非导电工程陶瓷材料的表面，在脉冲电压作用下使磨轮与导电辅助电极之间产生火花放电，在此过程中向加工区域连续或间歇通入能与导电片状辅助电极材料产生烧蚀放热效应的压力为0.01~90 MPa的助燃气体（间歇控制可主动采用常规的气流控制装置加以实现，也可直接利用磨轮的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇性供应助燃气体的目的），在向加工区域通入助燃气体的同时最好能同时向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液（如乳化液或复合工作液），这样可使加工处于电火花诱导放电——辅助电极烧蚀——磨轮对非导电工程陶瓷磨削状态；磨轮与导电辅助电极在电火花放电作用下产生放电，导电辅助电极材料达到燃点温度以上而处于熔融甚至气化状态与通入的能产生烧蚀放热效应的助燃气体发生烧蚀反应，生成烧蚀产物，并释放出大量的热，所述的热量作用于非导电工程陶瓷材料表面，使非导电工程陶瓷材料加热至软化甚至熔融状态，然后在磨轮的磨削作用下将其磨削去除；在加工过程中，部分烧蚀的热量传递到磨轮表面，保持磨轮的形状精度和自锐性，以降低磨轮所受到的磨削力，从而延长磨轮的使用寿命；以上过程重复进行，可控烧蚀与磨削加工两种状态始终交替进行直至加工结束。

本发明可用于平面磨削，也可以用于外圆磨削或内圆磨削。

下面结合Al₂O₃陶瓷的磨削加工方法对本发明作进一步的说明。对本领域的普通技术人员而言可参照本发明的思路和提供的步骤很容易得到其它类似材料的磨削加工方法，故不再一一罗列。

一种基于放电诱导可控烧蚀及放电磨削加工Al₂O₃陶瓷的新方法（如图1、2所示），包括以下步骤：

第一步、构建加工装置系统。如图1所示，导电片状辅助电极与金属粘合剂砂轮分别接脉冲电源的正负极，产生电火花放电，导电片状辅助电极前端尽量贴紧在陶瓷表面。采用复合工作液作为液体工作介质，高压氧气周围由复合工作液包围，直接利用磨轮的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到在加工区域实现间歇性气流供气的效果，通过向加工区域喷射复合工作液以压迫可燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出。

第二步、放电诱导可控烧蚀及放电磨削加工。该加工方法从微观上分为三个过程：

1、如图2(a)所示，在电火花放电诱导作用下，片状辅助电极与金属粘合剂砂轮之间形成放电通道，少量片状辅助电极材料被火花放电蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近辅助电极材料由于温度较高，形成活化区，表面材料达到燃点；

2、如图2(b)所示，活化区材料在氧气的作用下，发生剧烈的烧蚀反应，释放出大量的热量，使活化区进一步扩大。此外，由于片状辅助电极很薄（厚度可在0.1-0.30 mm 之间选取，一般以0.20 mm左右为宜）并贴紧陶瓷表面，释放的热量作用于Al₂O₃陶瓷材料，使其加热至软化甚至熔化状态，从而在Al₂O₃陶瓷表面形成软化区；

3、如图2(c)所示，在氧气的持续作用下，由于片状辅助电极材料边烧蚀边送进，使被加工Al₂O₃陶瓷基体材料软化区也进一步扩大，然后在金属粘合剂砂轮的作用下，仅需要很小的磨削力便可将Al₂O₃陶瓷的软化区磨削去除。通入氧气的压力可在0.01~90 MPa之间选择。重复上述过程直至加工完成。

第三步、进给及轨迹控制。导电片状辅助电极根据极间状态沿工件表面向高速旋转的金属粘合剂砂轮作进给运动，同时工件相对于金属粘合剂砂轮也作伺服进给运动，并采用轨迹控制蚀除Al₂O₃陶瓷，完成加工。

表1为对Al₂O₃陶瓷采用放电诱导可控烧蚀及电火花磨削加工、常规电火花磨削加工和常规机械磨削加工的方法对比。

本发明的放电诱导加工的进一步的工作原理可参见申请号为201010545526.X和201010544351.0的中国专利申请的相关内容。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是：采用导电的金属粘合剂砂轮作为磨轮，在磨轮和非导电工程陶瓷之间连续送入导电辅助电极，并使导电辅助电极前端贴紧加工区域的非导电工程陶瓷材料表面，在脉冲电压作用下使磨轮与导电辅助电极之间产生火花放电，在此过程中向加工区域连续或间歇通入能与导电片状辅助电极材料产生烧蚀放热效应的助燃气体，使加工处于电火花诱导放电——辅助电极烧蚀——磨轮对非导电工程陶瓷磨削状态；磨轮与导电辅助电极在电火花放电作用下产生放电，导电辅助电极材料达到燃点温度以上而处于熔融甚至气化状态与通入的能产生烧蚀放热效应的助燃气体发生烧蚀反应，生成烧蚀产物，该烧蚀过程释放出大量的热量，所述的热量作用于非导电工程陶瓷材料表面，使非导电工程陶瓷材料加热软化甚至达到熔融状态，然后在磨轮的磨削作用下将其磨削去除；在加工过程中，部分烧蚀产生的热量传递到磨轮表面，使磨轮保持形状精度和自锐性，以降低磨轮所受到的磨削力，从而延长磨轮的使用寿命；以上过程重复进行，可控烧蚀与磨削加工两种状态始终交替进行直至加工结束。

2.根据权利要求1所述的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是所述的导电辅助电极为片状电极，该片状导电辅助电极的厚度0.1-0.30 mm。

3.根据权利要求1或2所述的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是所述的导电辅助电极为能与助燃气体发生剧烈放热反应的铁基材料或有色金属合金。

4.根据权利要求1所述的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是在向加工区域连续或间歇通入能与导电片状辅助电极材料产生烧蚀放热效应的气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液。

5.根据权利要求1所述的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是所述的非导电工程陶瓷为Al₂O₃陶瓷、ZrO₂陶瓷、Si₃N₄陶瓷或SiC陶瓷。

6.根据权利要求1所述的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是所述的助燃气体为氧气、氯气、氮气和氟气中的一种或一种以上的组合。

7.根据权利要求1所述的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用磨轮的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体从而达到控制烧蚀释放的热量的目的。

8.根据权利要求1所述的基于放电诱导可控烧蚀的非导电工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是所述的助燃气体的工作压力为0.01~90 MPa。