CN102950387A - 工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法与装置，属于硬脆材料的加工技术领域，该方法包括：将激光束聚焦后倾斜照射于待加工工件表面；将引弧微爆炸发生器的喷嘴垂直向下对准该工件表面；工件随工作台持续做进给运动，先进行激光预热，将该微区温度升高至陶瓷材料的软化温度，再进行引弧微爆炸加工，直至待加工的工程陶瓷工件加工结束。该系统主要由专用脉冲电源、脉冲控制器、数控三维工作台、微爆炸发生器、供气装置、中小功率激光器、光纤、激光头组成；本发明提高了引弧微爆炸加工方法的材料去除效率，并减少了加工损伤，进一步推动了引弧微爆炸加工方法在工程陶瓷材料加工中的实际应用。

Description

工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法及装置

技术领域

本发明属于硬脆材料的加工技术领域，具体涉及一种工程陶瓷材料的特种加工方法。

背景技术

工程陶瓷材料因具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐热、抗腐蚀、抗氧化、防核辐射等优异的性能，被日益广泛地应用于机械、电子、航空航天、能源、军事等领域，但其高脆性、高硬度给加工带来了极大的困难。

目前国内外加工陶瓷的主要手段是用金刚石砂轮磨削，但只能加工简单的平面或圆弧曲面组成的零件，对于复杂的型腔或型面则无法加工，因而限制了陶瓷材料的应用与发展。另外，由于陶瓷烧结后收缩变形量大于20%，结构尺寸很难象金属那样精确控制，所以一般加工余量比金属要大50%左右，而磨削深度仅是金属的1/8-1/10，完全依靠磨削这种精加工的方法去做本应粗加工完成的主要材料去除工作，所以加工效率很低，且金刚石砂轮耗损过快，致使加工成本很高。据统计，工程陶瓷加工工艺的80%是采用金刚石砂轮进行磨削加工的，其加工成本占到陶瓷元件总成本的60-90％。由此看来，与金属加工相比，陶瓷加工效率低、加工成本高的根本原因，是缺乏适应陶瓷材料特性的粗加工方法。

近年来，特种加工技术在工程陶瓷加工领域得到了广泛的应用，如激光加工、激光加热辅助加工、电火花加工、等离子弧切割、高压磨料水射流加工、引弧微爆炸加工等。其中，引弧微爆炸加工作为一种可行的加工方法，已经在高效、低成本等方面显露出较为明显的优势。引弧微爆炸加工技术是一项针对工程陶瓷材料粗加工的特种加工方法，具有系统组成简单、加工成本低、效率高、参数可控性好、对陶瓷工件损伤较小、加工范围广泛等特点。加工系统工作时，以微爆炸发生器的喷嘴作为阳极，铪极为阴极，利用专用脉冲电源在通电后产生的高频电压击穿阳极与阴极间的间隙，形成火花放电使电流急剧增加，气体电离程度随之猛烈增长，从而诱导出微爆炸并产生具有高温高压特性的等离子体射流。等离子体射流由微爆炸发生器喷嘴喷射出，作用到下方的陶瓷工件，在极短的时间内，其高温高冲击能量使陶瓷表面材料熔化、汽化及裂纹扩展形成蚀坑，从而去除材料。随着数控工作台的三维进给运动，蚀坑按照点-线-面的顺序扩展，可完成各种形状工件的加工。由于引弧微爆炸加工是一种粗加工技术，因此加工后工件表面比较粗糙，并存在一些损伤。

激光辅助加工技术近年来在陶瓷零件加工领域得到了较快速的发展。工程陶瓷的激光辅助加工方法是使用激光作为外加热源先于刀具加热软化陶瓷工件，然后再使用刀具将软化的材料去除。陶瓷材料软化后，其屈服应力和硬度降低，其变形特征从脆性转变为塑性或者准塑性，切削力降低，在此条件下，可以用耐高温刀具对陶瓷材料进行像切削金属材料一样加工，从而提高切削效率和延长刀具使用寿命。激光辅助加工陶瓷的存在的问题主要包括两点，一是对激光束参数的控制，必须与工件材料性能和切削参数密切相关；二是刀具由于接触传热导致的温升使其硬度下降，刀具磨损仍然比较严重，尽管有人提出用液氮内循环降低刀具的温度，但效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是针对工程陶瓷等硬脆性材料的加工难题，提出一种工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法及装置，将激光辅助加工与引弧微爆炸加工相结合的、通过激光加热辅助方式使加工区域的陶瓷材料快速软化而后进行引弧微爆炸加工去除。

本发明提出的一种工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1）将激光器发出的激光束经激光头聚焦后倾斜照射于待加工的工程陶瓷工件表面；将引弧微爆炸发生器的喷嘴垂直向下对准该工程陶瓷工件表面；

2）待加工的工程陶瓷工件随工作台持续做进给运动，调整激光的工作参数使激光光斑瞬间将工程陶瓷工件表面照射区域的微区温度升高至陶瓷材料的软化温度，对该微区先进行激光预热，造成该区陶瓷材料的硬度下降，塑性提高；

3）工作台继续进给，使工程陶瓷工件软化区域移进至引弧微爆炸发生器喷嘴下方，再进行引弧微爆炸加工，使微爆炸发生器喷射出的微爆炸等离子体射流随之作用于该软化区域，使软化的工程陶瓷工件材料在引弧微爆炸的热与爆炸冲击力的联合作用下被去除并抛离工件基体；

4）重复步骤2）-3）的过程，直至待加工的工程陶瓷工件加工结束。

所述激光器的工作参数为：激光功率范围为30-300W，激光光斑直径大小为0.5-1.5mm，光斑与引弧微爆炸作用点的距离为1-3mm；微爆炸发生器主要加工参数包括工作电流50-100A，工作气压为0.1-0.18MPa，工作脉冲宽度为60-120ms，脉冲间隙为0.75-2.75s；工作台进给速度为50-300mm/min，微爆炸发生器与工件距离为1-5mm。

所述的激光束被连续地或脉冲地发射，激光束聚焦后的光斑呈圆形地或椭圆形。

所述的激光头可以在水平、竖直方向调整，并可在0-90度范围内旋转，以获得最合适的光斑参数。

所述的工程陶瓷工件的材料包括氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅或莫来石。

本发明还提出一种采用所述方法的装置，其特征在于：该装置主要由专用脉冲电源、脉冲控制器、数控三维工作台、微爆炸发生器、供气装置、中小功率激光器、光纤、激光头组成；其中，专用脉冲电源的阴极接微爆炸发生器内部的铪电极，专用脉冲电源的阳极接微爆炸发生器的喷嘴，供气装置输出的高压气体通入微爆炸发生器的内腔作为工作气体及冷却气体；激光头内装聚焦透镜，通过光纤与激光器连接。

所述的供气装置为空气压缩机或气瓶，所输出的高压气体为压缩空气或氮气、氩气等惰性气体中的一种或一种以上的组合。

所述的中小功率激光器包括CO²激光器、YAG激光器或半导体激光器。

所述的中小功率激光器包括CO²激光器、YAG激光器或半导体激光器，激光头可以在水平、竖直方向调整，并可在0-90度范围内旋转，以获得最合适的光斑参数，激光束被连续地或脉冲地发射，激光束聚焦后的光斑呈圆形地或椭圆形。

本发明具有如下的特点及有益效果：

本发明借鉴激光辅助加工的原理，将激光能量引入工程陶瓷引弧微爆炸加工中，以改进加工后的工件质量并提高加工效率，对于推动引弧微爆炸加工方法的发展以及提高陶瓷工件的加工质量、降低加工成本具有重要意义。

本发明通过激光的辅助加热作用，控制激光的热量输出，使工件表面材料软化，后续的引弧微爆炸加工随之将软化的材料去除，激光能量的引入，使引弧微爆炸加工后工件的质量及加工效率明显提高。

1、与常规引弧微爆炸加工相比，激光的预热作用使陶瓷材料的性质发生了脆塑转变，从而使引弧微爆炸加工对陶瓷工件造成的损伤大大减少，提高了陶瓷工件的加工质量。

2、激光辅助引弧微爆炸加工后，生成的蚀坑尺寸在直径方向上没有显著变化，而在深度方向上有明显的增大，因此提高了加工效率。

3、为陶瓷材料的高效率低成本加工提供了新的质量控制手段，进一步推动工程陶瓷材料的工程实际应用。

附图说明

图1为本发明的加工装置原理示意图；

图2为气压烧结氮化硅陶瓷采用本发明的激光辅助引弧微爆炸加工与常规引弧微爆炸加工的工件实体照片。

具体实施方式

下面通过具体的实施例及附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

本发明提出的一种激光加热辅助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料的方法与装置，属于特种加工范畴，其特征在引弧微爆炸加工过程中，在待加工工件上方安装一激光头，由中小功率激光器产生的激光束经聚焦后倾斜照射于陶瓷工件表面引弧微爆炸下一步要加工的位置，使加工区域处于先激光预热后引弧微爆炸加工的状态。在激光束的作用下，通过调整激光参数，使陶瓷表层材料被加热软化，软化的材料随之在引弧微爆炸的热与爆炸冲击力的联合作用下被去除并抛离基体。

所述的工程陶瓷材料包括氮化硅或氧化铝或氧化锆或碳化硅或莫来石。

所述的激光加热辅助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料的装置由专用脉冲电源、脉冲控制器、数控三维工作台、微爆炸发生器、供气装置、中小功率激光器、光纤、激光头组成；专用脉冲电源的阴极接微爆炸发生器内部的铪电极，专用脉冲电源的阳极接微爆炸发生器的喷嘴，供气装置输出的高压气体通入微爆炸发生器的内腔作为工作气体及冷却气体；激光头内装聚焦透镜，通过光纤与激光器连接。

所述的激光加热辅助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料的方法，其主要加工参数及取值范围为：工作电流50-100A，由专用脉冲电源控制；工作气压为0.1-0.18MPa，由供气装置控制；工作脉冲宽度为60-120ms，脉冲间隙为0.75-2.75s，由脉冲控制器控制；工作台进给速度为50-300mm/min，工作距离为1-5mm，由三维数控工作台控制；激光器功率范围为30-300W，由激光器控制；激光光斑直径大小为0.5-1.5mm，光斑与引弧微爆炸作用点的距离为1-3mm，通过调整激光头的位置获得。

所述的供气装置为空气压缩机或气瓶，所输出的高压气体为压缩空气或氮气、氩气等惰性气体中的一种或一种以上的组合。

所述的中小功率激光器包括CO²激光器、YAG激光器或半导体激光器之任意一种，激光头可以在水平、竖直方向调整，并可在0-90度范围内旋转，以获得最合适的光斑参数，激光束被连续地或脉冲地发射，激光束聚焦后的光斑呈圆形地或椭圆形。

本发明的主要原理是：

在常规引弧微爆轰加工陶瓷时，材料去除是微爆炸等离子体射流的高温和高冲击力协同作用的结果，微爆炸作用点附近的材料直接在高温作用下通过分解、熔化等方式去除，加工区域边缘处的材料由于温度升高不充分，在高冲击力的作用下，以裂纹扩展的方式去除，因此在边缘处易造成崩碎等加工损伤。而在激光加热辅助引弧微爆炸加工工程陶瓷材料时，由于激光的照射作用使输入的能量密度提高，使工件整体温度升高，边缘处的材料得到软化，材料性质由脆性转变为塑性，从而在引弧微爆炸的高冲击力作用下被去除，减少了脆性断裂带来的不可控破坏，因此加工区域边缘处的损伤得到控制。整体温度的升高，使得材料去除范围扩大，因此材料去除效率升高。

实施例

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种气压烧结氮化硅工程陶瓷激光加热辅助引弧微爆炸加工方法，它包括以下步骤：

第一步、构建加工系统。如图1所示，激光加热辅助引弧微爆炸加工系统由专用脉冲电源11、脉冲控制器12、供气装置13、微爆炸发生器（铪阴极14、阳极喷嘴15）、数控三维工作台18、激光器19、光纤110、激光头111组成。

第二步、激光辅助加热。激光器19发射出激光束，经光纤传输至激光头，聚焦后的激光束112照射于陶瓷工件17表面，形成一椭圆形光斑，工件材料表面温度瞬间升高至1200℃左右，加热区域材料软化。陶瓷工件17为气压烧结法制成的氮化硅陶瓷块，尺寸为60×30×10mm。激光功率200W，生成的椭圆形光斑短轴半径0.8mm，激光加热点引弧微爆炸作用点距离为1.5mm，三维数控工作台18的进给速度为80mm/min。

第三步、引弧微爆炸加工。随着三维数控工作台18的进给运动，陶瓷工件表面软化区域运动至引弧微爆炸发生器喷嘴15下方，启动专用脉冲电源11，在脉冲控制器12的作用下，微爆炸等离子体射流16由喷嘴15喷出，利用微爆炸的高温及高压作用，对下方的氮化硅陶瓷工件17进行加工，生成一个圆形蚀坑。引弧微爆炸加工时的主要技术参数为：工作电流80A，工作气压0.14MPa，工作距离4mm，工作脉宽80ms，脉冲间隙0.5s。随着工作台18的持续进给运动，蚀坑逐步扩展，形成一个矩形槽。

图2为氮化硅陶瓷工件实施例的实物照片，常规引弧微爆炸加工生成的槽见图21，激光加热辅助引弧微爆炸加工生成的槽见图22。由图21和图22的对比，可发现激光加热辅助引弧微爆炸加工后生成的槽的边缘没有明显的破损，另外槽的深度由显著增大，所以激光加热辅助引弧微爆炸加工在加工质量及加工效率方面要优于常规引弧微爆炸加工。

Claims (8)

1.一种工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1）将激光器发出的激光束经激光头聚焦后倾斜照射于待加工的工程陶瓷工件表面；将引弧微爆炸发生器的喷嘴垂直向下对准该工程陶瓷工件表面；

2）待加工的工程陶瓷工件随工作台持续做进给运动，调整激光的工作参数使激光光斑瞬间将工程陶瓷工件表面照射区域的微区温度升高至陶瓷材料的软化温度，对该微区先进行激光预热，造成该区陶瓷材料的硬度下降，塑性提高；

3）工作台继续进给，使工程陶瓷工件软化区域移进至引弧微爆炸发生器喷嘴下方，再进行引弧微爆炸加工，使微爆炸发生器喷射出的微爆炸等离子体射流随之作用于该软化区域，使软化的工程陶瓷工件材料在引弧微爆炸的热与爆炸冲击力的联合作用下被去除并抛离工件基体；

4）重复步骤2）-3）的过程，直至待加工的工程陶瓷工件加工结束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光器的工作参数为：激光功率范围为30-300W，激光光斑直径大小为0.5-1.5mm，光斑与引弧微爆炸作用点的距离为1-3mm；微爆炸发生器主要加工参数包括工作电流50-100A，工作气压为0.1-0.18MPa，工作脉冲宽度为60-120ms，脉冲间隙为0.75-2.75s；工作台进给速度为50-300mm/min，微爆炸发生器与工件距离为1-5mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的激光束被连续地或脉冲地发射，激光束聚焦后的光斑呈圆形地或椭圆形。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的激光头可以在水平、竖直方向调整，并可在0-90度范围内旋转，以获得最合适的光斑参数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的工程陶瓷工件的材料包括氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化硅或莫来石。

6.一种采用如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：该装置主要由专用脉冲电源、脉冲控制器、数控三维工作台、微爆炸发生器、供气装置、中小功率激光器、光纤、激光头组成；其中，专用脉冲电源的阴极接微爆炸发生器内部的铪电极，专用脉冲电源的阳极接微爆炸发生器的喷嘴，供气装置输出的高压气体通入微爆炸发生器的内腔作为工作气体及冷却气体；激光头内装聚焦透镜，通过光纤与激光器连接。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的供气装置为空气压缩机或气瓶，所输出的高压气体为压缩空气或氮气、氩气等惰性气体中的一种或一种以上的组合。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的中小功率激光器包括CO²激光器、YAG激光器或半导体激光器。

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