CN102179635A

CN102179635A - 脆性材料微波切割的加工方法及加工装置

Info

Publication number: CN102179635A
Application number: CN2011101043439A
Authority: CN
Inventors: 王扬; 张宏志; 宋志星; 杨立军
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: CN102179635B

Abstract

本发明涉及一种以聚焦微波切割脆性材料的加工方法，通过锥形波导实现微波能流密度聚焦，将微波束在传输波导前端以高能量密度的束流形式发射到工件表面来加热工件，根据热裂法原理实现切割加工。波导中包含一个锥形模式变换器，可实现微波聚焦，加工装置具有三维工作台，可以实现任意曲线的加工要求。本发明还涉及利用该加工方法进行脆性材料微波切割的加工装置。

Description

脆性材料微波切割的加工方法及加工装置

技术领域

本发明涉及一种通过波导改变微波光斑面积对脆性材料切割加工的方法，其中微波束对准工件表面并在工作点加工工件，本发明还涉及通过微波束加工工件的装置。

背景技术

脆性材料在断裂前变形较小，塑性指标较低，其抗拉强度远低于抗压强度，应用范围非常广泛。近年来脆性材料应用领域的不断发展与材料加工效率低、加工成本高的矛盾日益突出。因此，开发出高率、低耗和环保的脆性材料加工方法将有效的改善这一矛盾。

目前，脆性材料主要通过激光加工、激光辅助加工、电火花加工、等离子切割等技术进行加工，但是这些技术都存在不足之处：

激光加工：激光加工能够直接作用于陶瓷材料局部表面，产生瞬时高温足以使局部点熔融或气化而去除，但是由于脆性材料热导率低，高能激光束可能会在材料表面产生热应力集中，形成微裂纹、大的碎屑甚至使材料断裂，会极大的降低脆性材料的强度，而且激光器价格昂贵，加工成本高。

激光辅助加工：其基本原理是用激光瞬时加热脆性材料局部表面使之软化再用刀具切削，从未获得连续切屑并减小切削力。与常规加工方法相比，激光辅助加工可提高加工效率1～10倍，并能够改善表面质量，提高刀具耐用度。但其存在两个难点：其一是在于激光束参数的控制，其与工件材料和切削参数密切相关；其二是接触传热导致的温升使刀具硬度不断下降，刀具磨损仍然比较严重。

电火花加工：电火花加工是基于工具和工件电极之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象蚀除多余材料的加工方法，其可以不降低材料表面质量的条件下可提高加工效率，而且特别适于陶瓷等脆性异型件的加工。但其目前仍处于实验室阶段，提高其加工效率的关键在于辅助电极技术、电参数的选择以及放电间隙的控制等。

等离子切割：等离子弧对陶瓷等非金属脆性薄材进行切割取得了较好的效果，但受弧柱形状和温度场分布限制，很难进行较大厚度的非金属材料切割工作。

脆性材料日益广泛的应用对其制品的加工精度、加工效率和表面质量的需求也越来越高。因此申请人为此目标开发了一种更好的解决这个问题的切割方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高脆性材料切割效率及降低加工成本的切割方法和可提高脆性材料切割效率及降低加工成本的微波切割装置。

微波与脆性材料作用时微波会进入到物质内部，其电磁场与物质相互作用，使电磁场能量转化为物质的热能，为体积性加热。本发明的原理是利用锥形的微波波导将微波聚焦，以获得高能流密度微波束后定向加热脆性材料表面，使材料在加热方向产生较大的温度梯度，当产生的热应力超过材料的强度极限时，裂纹开始产生，并能够沿加热部位断裂。由于微波能够穿透脆性材料从而对材料厚度方向均匀加热，因此不会在材料表面产生热应力集中，加工后的材料表面质量好，不会降低脆性材料的强度。

本发明主要针对硬脆材料的切割加工，根据上述原理利用磁控管作为微波发射源，微波束聚焦波导采用空心锥形波导，波导输入/输出端的截面尺寸和长度尺寸、侧锥面的结构形状和锥角以及波导的材料根据不同的工件所需的切削能量设定。切割工件时，工件放置在微波的焦点处，并保证波导输出端距工件的加工位置距离不变，通过工作台带动工件运动，实现微波切割。

本发明提出的脆性材料的切割加工方法包括以下步骤：

(1)将工件在微波加工工位装夹，通过可微波加工定位观测光学系统进行定位和检测；

(2)移动工作台到加工工位，利用实时观测显微镜检测工件加工中心位置，调整工作台使工件处于微波焦点处；

(3)在观测显微镜下通过工作台控制使微波焦点对准工件要加工位置，同时固定波导与工件垂直方向的相对位置；

(4)通过控制工作台带动工件运动，使微波能够按照预定轨迹加热陶瓷材料，从而能够达到所需的加工轨迹；

(5)在加工过程中通过热成像仪和观测光学系统实时观测工件表面的温度场分布及加工效果，待达到加工要求后停止加工；

(6)清理加工余料，取下工件完成加工。

本发明提出的硬脆材料的切割加工方法主要有以下特征：

(1)本发明提出的微波聚焦手段实现硬脆材料的切割的加工，实现手段及装置简单易行，可以实现工件的高质量切口表面和高效率的加工，可以保证切口边缘和工件质量；

(2)本发明的装置可以通过控制三维工作台对被加工工件进行位置定位，通过控制系统控制工作台的运动，实现工作台、磁控管相对位置的调整；

(3)本发明提出的加工方法不仅适合于工件直线切割的加工，通过工作台的移动和前后导轨位置的移动还可以实现任意轨迹、任意曲面的加工。

本发明采用的微波切割装置包括：磁控管及其加工定位观测光学系统、使微波聚焦的锥形波导模式变换器、改变微波输出功率的控制系统、保持被加工材料的夹紧机构、使脆性材料能够实现预定轨迹运动的控制机构、对由夹紧机构夹持的脆性材料进行局部加热的微波发射装置、对微波辐射进行屏蔽的防护装置、加工装置内部的照明设备、对被加热材料的温度场检测的热成像仪。

本发明提出的硬脆材料的切割加工装置主要有以下特征：

(1)磁控管与波导连接在一起固定在防护板的外侧，之间通过螺栓刚性固定连接，所述的防护板材料为1Cr18Ni9不锈钢，通过螺栓刚性固定连接在角铁框架上，防护板之间没有间隙；

(2)本发明所述的工作台安装在防护板内部，工作台能够实现三维坐标运动，工作台的材料为不锈钢；

(3)本发明所述的夹具体通过螺栓安装在工作台上，其安装方向与波导孔轴线平行，夹具体为金属材料；

(4)本发明所述的照明装置需经不锈钢薄网包裹处理，安装在防护装置顶部；

(5)本发明所述的波导为标准的BJ26型波导，然后采用渐变的方式将波导口面积聚焦到规定的范围，如果理论上合理，也可以选择其他形式的波导；

(6)本发明所述的微波发生装置能够改变功率，以适应对不同脆性材料的加工要求，保证切割所需要的能量密度。

附图说明

图1为微波加热装置的结构示意图，图2为装置的俯视图，图3为磁控管与波导的放大图。

其中：1-防护板，2-角铁架，3-磁控管功率改变系统，4-磁控管及其加工定位观测光学系统，5-波导，6-脆性试件，7-夹具体，8-机座，9-X轴导轨，10-工作台，11-Y轴导轨，12-热成像仪，13-Z轴导轨，14-照明设备，15-玻璃窗，16-波导聚焦机构(虚线表示被聚焦的微波束)。

装置搭建在机座上，磁控管的位置为正对工作台；在装置的一侧摆放功率改变系统；玻璃窗安装在装置侧面；热成像仪安装在工作台上，正对着工件；照明装置安装在装置顶部。

具体实施方式

本发明适于在常温下对脆性材料进行切割加工，图中的微波切割脆性材料的加工装置主要包括磁控管及其加工定位观测光学系统4、使微波聚焦的锥形波导模式变换器、改变微波输出功率的磁控管功率改变系统3、保持被加工材料的夹具体7、使脆性材料能够实现预定轨迹运动的X轴导轨9，Y轴导轨11，Z轴导轨13，工作台10、对由夹具体7夹持的脆性材料6进行局部加热的微波发射装置、对微波辐射进行屏蔽的防护板1、加工装置内部的照明设备14、对被加热材料的温度场检测的热成像仪12。

防护板1通过螺栓连接到角铁架1上，防护板1与角铁架2构成装置的防护部分，它能够将未被材料吸收的微波屏蔽在装置内部，防止微波外泄。同时，还要在防护板1的一侧开一个窗口15以便观察工作时装置内部材料的加工情况，窗口15在关闭时要严格贴紧防护装置表面，且在窗口15表面要粘一层不锈钢薄网。特别的是，照明设备14要通过螺栓固定在装置的上部，其导线及底座等非金属材料部位均不能置于装置内部，其它部位也要用不锈钢网进行包裹处理。微波功率改变系统3与磁控管4相连，能够改变磁控管的功率，微波束通过波导5导向并通过聚焦机构16聚焦后对工件6进行加工，用热成像仪12对工件温度场进行监测。

首先依据脆性试件6的材料特性和加工工艺选择合适的微波切割参数对试件进行加工，然后将脆性材料6通过机械夹紧装夹在夹具体7上，夹紧程度需控制在一定限度内：应使试件能够不随工作台10的运动而摆动且不至于夹坏试件。夹具体通过螺栓连接到工作台10上，工作台可以带动夹具体沿导轨9、导轨11、导轨13三个方向联动，从而可以实现对脆性材料的预定轨迹加工。通过加工定位光学系统4可以观测加工部位的具体位置及加工情况，通过热成像仪12对加工过程中的脆性材料6进行监测，能够得到脆性材料温度场的分布，便于调节磁控管的功率及工件与磁控管之间的距离。

依据目标轨迹对三维工作台10选择合适的运动轨迹并在工作台所带的计算机控制系统上编程进行控制。启动磁控管4前先运行工作台10进行轨迹往复运动，使其按预定运动轨迹程序运行。

Claims

1.一种微波切割脆性材料的加工方法，使微波穿透脆性材料并对其局部进行内外同时加热，通过热应力使被加工工件断裂，其特征在于：包括以下步骤：

将工件在微波加工工位装夹，通过可微波加工定位观测光学系统进行定位和检测；

移动工作台到加工工位，利用实时观测显微镜检测工件加工中心位置，调整工作台使工件处于微波焦点处；

在观测显微镜下通过工作台控制使微波焦点对准工件要加工位置，同时固定波导与工件垂直方向的相对位置；

通过控制工作台带动工件运动，使微波能够按照预定轨迹加热陶瓷材料，从而能够达到所需的加工轨迹；

在加工过程中通过热成像仪和观测光学系统实时观测工件表面的温度场分布及加工效果，待达到加工要求后停止加工；

清理加工余料，取下工件完成加工。

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述的脆性材料的加工尺寸不小于1mm且加工表面无裂纹。

3.如权利要求1-2中的一项所述的加工方法，其特征在于：所述加工方法还可以加工多层材料，且各层材料的切割轮廓与第一层材料的轮廓相同。

4.如权利要求1-3中的一项所述的加工方法，其特征在于：所述的加工方法还可以用于加工尺度在毫米尺度之上的材料。

5.如权利要求1-4中的一项所述的加工方法，其特征在于：微波的波导采用渐变的方式将输出端宽度缩小至5mm的范围内，微波束通过波导后能够聚焦到规定的范围内。

6.如权利要求1-5中的一项所述的方法，其特征在于：脆性材料需被夹持在一个可运动的工作台上，且脆性材料距微波发射源在100mm以内，工作台能够使微波焦点聚集在被加工材料上。

7.一种微波切割脆性材料的加工装置，主要包括磁控管及其加工定位观测光学系统、使微波聚焦的锥形波导模式变换器、改变微波输出功率的控制系统、保持被加工材料的夹紧机构、使脆性材料能够实现预定轨迹运动的控制机构、对由夹紧机构夹持的脆性材料进行局部加热的微波发射装置、对微波辐射进行屏蔽的防护装置、加工装置内部的照明设备、对被加热材料的温度场检测的热成像仪；整个装置安装在机座上，控制机构包括X、Y、Z轴导轨和工作台，由X、Y、Z轴导轨带动工作台实现三维联动，脆性材料试件由夹紧机构安装在工作台上，热成像仪安装在工作台上且背对脆性材料试件，工作台带动试件运动，磁控管及其加工定位观测光学系统安装在工作台的正对面，波导与磁控管及其加工定位观测光学系统通过螺栓刚性连接一起，磁控管功率改变系统固接到磁控管及其加工定位观测光学系统的输入端，波导聚焦机构与波导相连，照明装置安装在整个加工装置的顶部方便对加工过程进行观察。

8.如权利要求7所述的加工装置，其特征在于：在所述的防护装置上开设窗口，该窗口用夹有不锈钢网的玻璃板或表面有不锈钢网孔的玻璃板封盖。

9.如权利要求7-8中的一项所述的加工装置，其特征在于：防护装置由厚度介于0.5mm至1.5mm之间的不锈钢制成。

10.如权利要求7-9中的一项所述的加工装置，其特征在于：所述的加工装置可以与超声波加工设备或激光加工设备和车床、铣床等组成复合加工装置。