CN103236392B - 成型电极大气等离子体加工回转零件方法 - Google Patents

成型电极大气等离子体加工回转零件方法 Download PDF

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Abstract

成型电极大气等离子体加工回转零件方法，它属于等离子体加工碳化硅或融石英等硅基材料回转类零件的技术领域。针对目前加工方法效率低和质量差的问题，提出了这种方法。它的步骤一：将旋转成形电极的上端面连接在转轴上；步骤二：将待加工零件装卡在载物台上；步骤三：使旋转成形电极靠近待加工零件的待加工表面；步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源；步骤五：使旋转成形电极做回转运动，启动射频电源；步骤六：控制旋转成形电极的运动轨迹和在零件表面的驻留时间；步骤七：取出待加工零件。本发明专利采用成型电极大气等离子体加工，实现了全表面复映去除，同时解决了高精度回转零件的加工效率和质量问题。

Description

成型电极大气等离子体加工回转零件方法
技术领域
本发明属于等离子体加工碳化硅或融石英等硅基材料回转类零件的技术领域。
背景技术
近年来，对于高精度回转类零件，如半球陀螺谐振子、大曲率非球面光学透镜、聚光非球面透镜等，在航空航天、军事、能源、芯片制造领域需求越来越强烈，同时对加工表面的要求越来越苛刻。加工表面需要达到Ra 1nm的表面粗糙度值，并严格限制由加工过程引起的材料表层及亚表层损伤。因为这类零件多为碳化硅、融石英等脆硬难加工材料，采用传统的超精密磨削以及后续的抛光过程，存在加工周期长、加工表面及亚表面存在损伤、工件合格率低等问题，远远不能满足实际需求。例如，现代惯性陀螺中的关键零件半球陀螺谐振子，其材料是石英玻璃，目前采用的磨削工艺存在效率低、废品率高、壁厚加工不均匀等问题。即使采用近些年来新提出的加工方法，如磁流变抛光、子口径等离子抛光，虽然可以达到表面质量，其加工效率还是十分低，远远满足不了实际要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种成型电极大气等离子体加工回转零件方法，为了解决高精度回转零件的加工效率和质量问题，从而大大缩短加工周期，有效降低加工成本，以满足航天航空、能源等领域的对该类零件需求的问题。
所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种成型电极大气等离子体加工回转零件方法，它的步骤方法是：
步骤一：将旋转成形电极的上端面绝缘连接在升降装置的竖直运动工作转轴上，旋转成形电极的中心开有出气孔；在加工内表面时，旋转成形电极的工作面直径尺寸需要比待加工零件的内表面直径尺寸小5mm-15mm，在加工外表面时，旋转成形电极的工作面直径尺寸需要比待加工零件的外表面直径尺寸大5mm-15mm；出气孔通过气管与混合等离子体气源导气连通；使旋转成形电极与射频电源的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
步骤二：将待加工零件装卡在载物台上，将载物台接地作为大气等离子体放电的阴极；
步骤三：使旋转成形电极靠近待加工零件的待加工表面，并使它们之间保持放电间隙，放电间隙范围为5mm-15mm；
步骤四：预热射频电源和混合等离子体气源，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源，使等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶50；辅助气体与反应气体的流量比为1∶10～1∶1；
步骤五：当旋转成形电极和待加工零件的待加工表面之间的区域内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动升降装置的转轴转动，使旋转成形电极做回转运动，启动射频电源，逐步增加射频电源的功率，使功率达到100W-400W，同时控制射频电源的反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使旋转成形电极和待加工零件的待加工表面之间的放电区域产生稳定的等离子体放电；
步骤六：根据去除量的要求，控制旋转成形电极的运动轨迹和在零件表面的驻留时间，用上述产生的大气等离子体对零件表面进行加工；
步骤七：待加工完成后，关闭射频电源的电源，关闭混合等离子体气源5，取出待加工零件，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
本发明专利的技术优势：
1、本发明专利采用成型电极大气等离子体加工，实现了全表面复映去除，同时解决了高精度回转零件的加工效率和质量问题，克服了传统加工周期长、表面存在变质层等缺点；
2、成型电极的制造简单、精度高，只需采用导电材料，可选择加工性能良好的金属材料制备电极，如铝、铜、铁等，避免了对硬脆难加工材料的直接加工，而且加工对电极损耗几乎为零；
3、通过调整反应气体流量及射频功率，对于同一电极，可实现去除量可根据需要调整，即同一成型电极可以加工不同尺寸的工件，这是传统成型加工不具备的优点，能够减少成型电极的类型，有效降低了加工的成本；
4、应用本发明专利的加工方法，可以大大简化加工设备的构成，只需要两个轴的运动便可实现高精度的加工，避免了复杂的运动控制，减少了加工周期，提高了加工的稳定性和确定性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中旋转成形电极1与待加工零件4之间的位置关系结构示意图；
图3是旋转成形电极1为圆形内凹形的结构示意图；
图4是旋转成形电极1为圆管形的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2所示，它的步骤方法是：
步骤一：将旋转成形电极1的上端面绝缘连接在升降装置2的竖直运动工作转轴2-1上，旋转成形电极1的中心开有出气孔1-1；在加工内表面时，旋转成形电极1的工作面直径尺寸需要比待加工零件4的内表面直径尺寸小5mm-15mm，在加工外表面时，旋转成形电极1的工作面直径尺寸需要比待加工零件4的外表面直径尺寸大5mm-15mm；出气孔1-1通过气管5-1与混合等离子体气源5导气连通；使旋转成形电极1与射频电源3的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
步骤二：将待加工零件4装卡在载物台2-2上，将载物台2-2接地作为大气等离子体放电的阴极；
步骤三：使旋转成形电极1靠近待加工零件4的待加工表面，并使它们之间保持放电间隙，放电间隙范围为5mm-15mm；
步骤四：预热射频电源3和混合等离子体气源5，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源5，使等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶50；辅助气体与反应气体的流量比为1∶10～1∶1；
步骤五：当旋转成形电极1和待加工零件4的待加工表面之间的区域内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动升降装置2的转轴2-1转动，使旋转成形电极1做回转运动，启动射频电源3，逐步增加射频电源3的功率，使功率达到100W-400W，同时控制射频电源3的反射功率为零，在射频电源3工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使旋转成形电极1和待加工零件4的待加工表面之间的放电区域产生稳定的等离子体放电；
步骤六：根据去除量的要求，控制旋转成形电极1的运动轨迹和在零件表面的驻留时间，用上述产生的大气等离子体对零件表面进行加工；
步骤七：待加工完成后，关闭射频电源3的电源，关闭混合等离子体气源5，取出待加工零件4，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
所述旋转成形电极1的材质为铝、铜、铁。
所述射频电源3的频率为13.56MHz，最大功率为2KW。
所述混合等离子体气源3为三元气体混合系统，供气流量为20-100L/min。
所述混合等离子体气源5中的等离子体气体为氦气、氩气惰性气体；反应气体为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；辅助气体为氧气、氢气、氮气等。
所述待加工零件4的材质为碳化硅或融石英等硅基材料。
具体实施方式二：结合图2所示，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述旋转成形电极1为圆形外凸形。其它步骤方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3所示，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述旋转成形电极1为圆形内凹形。其它步骤方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图4所示，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述旋转成形电极1为圆管形。其它步骤方法与具体实施方式一相同。
工作原理：由射频电源3输出端连接转成形电极1作为大气等离子体放电的阳极，零件工作台接地作为大气等离子体放电的地电极，由混合等离子体气源5提供激发产生等离子体的气体充满等离子体成形电极和零件之间的间隙，由射频电源3提供输出电能，在转成形电极1和待加工零件4的放电间隙产生等离子体，同时反应气体被激发，产生具有反应活性的原子与待加工零件4的表面发生化学反应，并生成挥发性的反应产物被旋转的等离子体电极带离零件表面，由此实现对待加工零件的无损伤快速加工。

Claims (6)

1.成型电极大气等离子体加工回转零件方法，其特征在于它的步骤方法是：
步骤一：将旋转成形电极(1)的上端面绝缘连接在升降装置(2)的竖直运动工作转轴(2-1)上，旋转成形电极(1)的中心开有出气孔(1-1)；在加工内表面时，旋转成形电极(1)的工作面直径尺寸需要比待加工零件(4)的内表面直径尺寸小5mm-15mm，在加工外表面时，旋转成形电极(1)的工作面直径尺寸需要比待加工零件(4)的外表面直径尺寸大5mm-15mm；出气孔(1-1)通过气管(5-1)与混合等离子体气源(5)导气连通；使旋转成形电极(1)与射频电源(3)的输出端连接作为大气等离子体放电的阳极；
步骤二：将待加工零件(4)装卡在载物台(2-2)上，将载物台(2-2)接地作为大气等离子体放电的阴极；
步骤三：使旋转成形电极(1)靠近待加工零件(4)的待加工表面，并使它们之间保持放电间隙，放电间隙范围为5mm-15mm；
步骤四：预热射频电源(3)和混合等离子体气源(5)，预热时间为5-10分钟；然后打开混合等离子体气源(5)，使等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶50；辅助气体与反应气体的流量比为1∶10～1∶1；
步骤五：当旋转成形电极(1)和待加工零件(4)的待加工表面之间的区域内充满等离子体气体、反应气体与辅助气体的混合气体后，启动升降装置(2)的转轴(2-1)转动，使旋转成形电极(1)做回转运动，启动射频电源(3)，逐步增加射频电源(3)的功率，使功率达到100W-400W，同时控制射频电源(3)的反射功率为零，在射频电源(3)工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使旋转成形电极(1)和待加工零件(4)的待加工表面之间的放电区域产生稳定的等离子体放电；
步骤六：根据去除量的要求，控制旋转成形电极(1)的运动轨迹和在零件表面的驻留时间，用上述产生的大气等离子体对零件表面进行加工；
步骤七：待加工完成后，关闭射频电源(3)的电源，关闭混合等离子体气源(5)，取出待加工零件(4)，对加工去除深度进行测量，以判断是否达到加工要求。
2.根据权利要求1所述的成型电极大气等离子体加工回转零件方法，其特征在于所述旋转成形电极(1)为圆形外凸形。
3.根据权利要求1所述的成型电极大气等离子体加工回转零件方法，其特征在于所述旋转成形电极(1)为圆形内凹形。
4.根据权利要求1所述的成型电极大气等离子体加工回转零件方法，其特征在于所述旋转成形电极(1)为圆管形。
5.根据权利要求1所述的成型电极大气等离子体加工回转零件方法，其特征在于所述旋转成形电极(1)的材质为铝、铜、铁。
6.根据权利要求1所述的成型电极大气等离子体加工回转零件方法，其特征在于所述混合等离子体气源(5)中的等离子体气体为氦气、氩气惰性气体；反应气体为六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮；辅助气体为氧气。
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