CN103801992B - 工程陶瓷激光诱导变质湿式磨削加工方法 - Google Patents

工程陶瓷激光诱导变质湿式磨削加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种工程陶瓷材料激光诱导变质湿式磨削加工方法，一种工程陶瓷材料激光诱导变质湿式磨削加工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1、采用Nd:YAG激光在无辅助气体条件下对工程陶瓷零件表面进行辐射，预先诱导工程陶瓷表面出现初始变质层；步骤2、在所述工程陶瓷零件表面产生变质层后，再进行精密湿式磨削加工，其中，选用水基冷却液，供液压力为6MPa，砂轮线速度60m/s，磨削深度1.5mm，进给速度2.0m/min。应用本发明方法可获得无裂纹、无熔凝变质层、低粗糙度的高质量加工表面，将大幅提高陶瓷材料的可加工性，与工程陶瓷传统磨削加工相比，允许使用较大的磨削深度进行加工。为工程陶瓷等硬脆难加工材料提供一种新的加工方法。

Description

工程陶瓷激光诱导变质湿式磨削加工方法
技术领域
本发明涉及一种磨削加工方法，尤其涉及一种工程陶瓷激光诱导变质磨削的加工方法。
背景技术
工程陶瓷以其诸多优越性能，如高硬度、高抗压强度、优异的耐磨性和耐腐蚀性、高温下强度保持不变以及低密度和低热膨胀系数，在航空航天、电子电器、汽车以及制造领域的应用日益广泛。目前，它广泛应用于航天机械的喷嘴、发动机的耐高温部件、陶瓷刀具、电子元器件、机械行业基础瓷件，矿山冶金系统工程陶瓷部件、实验仪器等。
但是工程陶瓷难以采用传统的车、铣等方法进行加工，目前主要采用金刚石砂轮磨削，存在加工效率低、金刚石砂轮消耗大、制造成本高（几乎占陶瓷零件成本的75%以上）等问题。其加工难问题主要体现在以下两个方面：
一是加工质量差。工程陶瓷材料的脆性大，热抗震性差，对加工过程中的力和热影响非常敏感，工件容易产生崩碎性破坏和热裂纹；二是加工效率低，成本高。工程陶瓷材料的强度和硬度高，加工过程产生很大的磨削力，砂轮磨损严重。
由此可见，改善加工质量和提高加工效率是工程陶瓷加工过程中亟待解决的问题。
目前，对工程陶瓷材料的加工方法除了金刚石砂轮磨削加工以外，还包括采用光、电、声、化学、离子弧等能量的特种加工，主要包括激光加工、辅助加热加工、电火花加工、超声辅助加工、化学辅助加工、等离子弧加工、水射流加工等。尤其是激光辅助加热技术现已成为改善工程陶瓷材料加工性能的一种新的途径。但现有技术，往往关注如何防止激光诱导或磨削过程中产生的损伤变质层，从而获得相对平坦的加工平面。例如，2013年7月10日公开的，申请号为201310092938.6的专利公开了一种“移动激光焦点诱导的脉冲微弧放电方法及其应用”；例如，2007年5月9日公开的，申请号为200610134249.7的专利公开了一种“一种硬脆晶体基片的无损伤磨削方法”。但现有技术从未研究过如何利用激光诱导或磨削过程中产生的变质层，从而辅助完成超硬材料的加工。由于变质层与工程陶瓷基体在物理、力学性能上呈现出完全不同的表现，在陶瓷零件的使用过程中易产生裂纹和脱落，导致陶瓷表面的抗磨损性能降低，抗疲劳性能下降，从而大幅降低陶瓷零件的使用寿命和工作可靠性。
目前在国内尚无人对工程陶瓷激光诱导变质湿式磨削加工进行研究，因此深入系统地研究如何采用激光诱导变质湿式磨削加工技术实现工程陶瓷的低成本高质量加工，是工程陶瓷加工研究中值得探讨的一个重要技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种工程陶瓷材料激光诱导变质湿式磨削加工方法，应用该方法可获得无裂纹、无熔凝变质层、低粗糙度的高质量加工表面，将大幅提高工程陶瓷材料的可加工性，与工程陶瓷传统磨削加工相比，允许使用较大的磨削深度进行加工。
本发明的技术解决方案是提供一种工程陶瓷材料激光诱导变质湿式磨削加工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1、采用Nd:YAG激光在无辅助气体条件下对工程陶瓷零件表面进行辐射，预先诱导工程陶瓷表面出现初始变质层；
其中：激光诱导变质方法条件：a.激光输出功率：15W-50W；b.光斑直径：0.2mm-0.5mm；c.重复频率：50KHz-100KHz；d.扫描速度：50mm/min-200mm/min；
步骤2、在所述工程陶瓷零件表面产生初始变质层后，再进行精密湿式磨削加工，其中，选用水基冷却液，供液压力为6MPa，砂轮线速度60m/s，磨削深度1.5mm，工件进给速度2.0m/min。
优选地，所述激光诱导变质方法条件为：激光输出功率：20W，光斑直径：0.3mm，重复频率：60KHz，扫描速度：50mm/min。
优选地，所述激光诱导变质方法条件为：激光输出功率：30W，光斑直径：0.4mm，重复频率：80KHz，扫描速度：150mm/min。
优选地，所述激光诱导变质方法条件为：激光输出功率：50W，光斑直径：0.3mm，重复频率：90KHz，扫描速度：200mm/min。
本发明的有益效果是：
1、本发明所述的激光诱导变质技术应用于工程陶瓷的加工能极大地提高工程陶瓷的加工效率、降低加工成本，并能得到高的表面质量；
2、本发明中，激光输出功率增加，采用较小的光斑直径，提高重复频率，采用较小的扫描速度等方法可以使激光诱导变质湿式磨削加工过程磨削力减小，比磨削能增加，加工表面塑性去除痕迹增多。但是当激光输出功率过高，光斑直径过小、重复频率过高、扫描速度过低时，加工表面反而出现较多的微裂纹和熔融层，这是变质层扩展深度超过磨削深度的缘故，结果导致了加工表面恶化。
3、在本发明中，激光诱导变质湿式磨削加工过程中采用较小的光斑直径，会有效降低激光诱导变质湿式磨削加工中的磨削力，有利于加工表面质量的提高。激光光斑直径为0.3mm-0.4mm时的磨削表面加工质量最好。
4、本发明中，提高重复频率，能提高工件被辐照范围内激光辐照区域温度，从而有效地使待去除材料吸收热量而得到分布理想的变质层，降低其强度，降低磨削力和砂轮磨损状况，改善加工条件。试验发现在其他条件相同的情况下，重复频率为60KHz-90KHz时的磨削表面加工质量最好。
5、本发明中，激光诱导变质湿式磨削加工过程中采用较小的扫描速度，会有效降低激光诱导变质湿式磨削加工中的磨削力，有利于加工表面质量的提高。扫描速度为50mm/min-200mm/min时的磨削表面加工质量最好。
附图说明
图1是氮化硅激光诱导变质层表面型貌图；
图2 是99%氧化铝激光诱导变质层表面型貌图；
图3是氧化锆激光诱导变质层表面型貌图；
图4是氮化硅激光诱导变质层磨削加工后表面型貌图；
图5 是99%氧化铝激光诱导变质层磨削加工后表面型貌图；
图6是氧化锆激光诱导变质层磨削加工后表面型貌图；
图7是激光诱导装置示意图。
其中：1－Nd:YAG激光器，2－第一反射镜，3－第二反射镜，4－第三反射镜，5－第四反射镜，6－聚焦镜，7－工程陶瓷工件。
图8是磨削装置示意图，其中：8－砂轮，9－喷嘴，10－激光诱导变质后工程陶瓷工件，11－测力仪。
具体实施方式
以下将结合附图1-8对本发明做出进一步说明。
现有的研究工作都集中于如何避免或尽可能减少加工过程中变质层的出现这一问题。鉴于变质层结构疏松、易于磨削去除，本发明采用逆向思维，提出主动引入变质层以提高工程陶瓷可加工性的新方法，即激光诱导变质湿式磨削加工方法，该方法具体包括以下步骤：
第一步，采用脉冲激光诱导工程陶瓷表面产生变质层，并精确控制变质层的深度和分布；
第二步，在湿式磨削条件下磨除表面变质层。
由于陶瓷材料性能对激光诱导变质湿式磨削加工机理有较大的影响，本发明选用了应用广泛且力学性能和化学性能差异较大的氮化硅、99%氧化铝和氧化锆这三种材料作为试验材料。
氮化硅陶瓷材料的热膨胀系数小，因此具有较好的抗热震性能。在陶瓷材料中，氮化硅的弯曲强度比较高，硬度也很高，同时具有自润滑性，摩擦系数小，作为机械耐磨材料使用具有较大的潜力。氮化硅陶瓷耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀，也不被铅、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸润与腐蚀。高温氧化时材料表面形成的氧化硅膜可以阻碍进一步氧化，抗氧化温度达1800℃。
氧化铝陶瓷在高温氧化物陶瓷中属化学性能稳定、机械强度高、硬度大、耐磨性能好的一种高性能多用途工程陶瓷，是一种以α-Al2O3为主晶相的技术陶瓷，氧化铝的含量高于95%的Al2O3陶瓷具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗等特点，而且机械强度高、硬度大、熟膨胀系数小，耐磨性、耐腐蚀和耐冲击性能好。
氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，人们把这种强度和韧性都非常优异的陶瓷称为“陶瓷钢”。
参见附图7和图8，本发明所述激光诱导变质磨削方法使用的试验台，Nd:YAG激光器（1）发出激光束后，激光束经第一反射镜（2）、第二反射镜（3）和第三反射镜（4）调节到合适的高度。激光束经第四反射镜（5）和聚焦镜（6）辐照于图7中的工程陶瓷工件（7）表面。其中激光器为自制300W声光调Q YAG激光器，采用掺钕钇铝石榴石晶体Nd: YAG(Nd3+:Y3A15O12)作为工作物质，双椭圆柱光腔双氪灯泵浦方式，电流调节范围7～30A，激光光束的远场发散角θ(半角)约为3mrad，冷却气体为Ar气。其他参数如表1所示。
表1 激光器参数
因素 参数
焦斑直径 0.26mm
激光模式 多模
输出功率 0～300W
激光波长 1.06μm
脉冲频率 200Hz～100kHz
脉冲宽度 150～700ns
透镜焦距 60mm
将激光诱导变质后工程陶瓷工件（10）固定于测力仪（11）上，砂轮（8）安装于精密平面磨削实验台主轴上，冷却液通过喷嘴（9）注入，实现工件表面变质层的湿式磨削去除。其中精密平面磨削实验台主轴功率达40KW，最高转速为20000rpm。工作台电机驱动功率为5KW，采用SBS4500砂轮动平衡系统对砂轮8进行实时动平衡，不平衡量<0.1μm。冷却系统压力范围为0-25Mpa，磨削过程采用水基冷却液，供液压力为6-10Mpa。所述试验采用树脂结合剂金刚石砂轮，其参数如表2所示。砂轮修整方式选择80#碳化硅制动式修整器，滚轮修整速度为20mm/min，滚轮移动速度为100mm/min，滚轮修整量为0.001mm。
表2 砂轮参数
磨料 外径(mm) 宽度(mm) 粒度 浓度 结合剂
金刚石 348 6 120/140# 100 B
该试验分两步进行，首先采用四组试验方案，分别考察了不同激光输出功率、光斑直径、重复频率、扫描速度对工程陶瓷激光诱导变质性能的影响。所采用的激光诱导变质方法参数如表3所示。
表3 激光诱导变质方法参数
序号 激光输出功率(W) 光斑直径(mm) 重复频率(KHz) 扫描速度(mm/min)
1 15，20，25，30，35，40，45，50 0.3 60 50,150
2 30,50 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 80 150
3 50 0.2,0.3 50,60, 70, 80, 90,100 200
4 50 0.3 90 50,100,150,200
然后，采用精密磨削方法，选用水基冷却液，供液压力为6MPa，砂轮线速度80m/s，磨削深度2mm，进给速度2.2m/min，分析了不同激光诱导变质方法参数条件下工程陶瓷表面变质层对工程陶瓷磨削性能的影响。
本发明对所述工程陶瓷材料进行了以上试验方案的研究，获取了大量的数据，通过对数据的分析、比较和整理，得出了以下试验结果。
1）工件激光诱导变质层表面型貌
图1、2、3分别是氮化硅、99%氧化铝和氧化锆这三种材料在某种试验条件下的激光诱导变质层表面型貌。
根据图1并结合氮化硅陶瓷的特性来分析激光诱导变质层的形成原理。在激光高温辐射作用下，氮化硅陶瓷工件表面的N-Si共价键被破坏，大量的N元素和Si元素从Si3N4中被还原出来，因此，并不会出现熔融状态而是直接升华分解为N2气体和Si单质。在图1中可以观察到的颗粒状物质即为Si单质。由于氮气密度小，因此，直接挥发掉，而Si元素密度大，部分Si单质在高温下熔化为液态硅，与空气中的氧发生反应生成SiO2，冷却后迅速凝结在工件表面，因此，变质层组织是由Si单质结晶相、SiO2结晶相以及无定型非晶态组织三部分组成。
根据图2并结合99%氧化铝的特性来分析激光诱导变质层的形成原理。在激光高温辐射作用下，发现Al2O3工件在加工过程中有明显的熔化以及液滴的流动现象，熔融状态的Al2O3具有一定的粘度，由于冷却速度很快，其粘度随着温度降低而急剧增高，因此，转变为玻璃态。并可推断在Al2O3陶瓷的激光诱导变质过程中，材料达到其熔点时直接熔化后，熔融状态的Al2O3在压力作用下向四周飞溅，在诱导部位形成一个蚀坑，而飞溅出蚀坑范围的Al2O3冷却后形成呈放射性分布的非晶态熔渣。
变质层表面/亚表面的裂纹是由于热冲击过程中产生的瞬态热应力造成的。当激光辐射到工件表面时，表面材料受热体积膨胀，而亚表面层还处于冷却状态，于是表面层受到来自亚表面的压应力，而亚表面受到来自表面的拉应力。由于陶瓷材料的抗拉强度很低，当亚表面受到的拉应力超过其抗拉强度时，则裂纹形成并扩展。
从图3分析可知，氧化锆陶瓷激光诱导变质层的形成原理与氧化铝相似。
2）工件激光诱导变质层磨削加工后表面型貌
图4、5、6分别是氮化硅、99%氧化铝和氧化锆这三种材料在某种试验条件下的激光诱导变质层磨削加工后表面型貌。
通过试验结果的观察，我们发现激光输出功率增加可以使激光诱导变质湿式磨削加工过程磨削力减小，比磨削能增加，加工表面塑性去除痕迹增多。但是当激光输出功率达到非常高时，加工表面反而出现较多的微裂纹和熔融层，这是增大激光输出功率导致变质层扩展深度超过磨削深度的缘故，结果导致了加工表面恶化。试验发现在其他条件相同的情况下，激光输出功率为20W-50W时的磨削表面型貌最为平整，微裂纹和熔融层并未出现。
试验发现在其他条件相同的情况下，激光诱导变质湿式磨削加工过程中采用较小的光斑直径，会有效降低激光诱导变质湿式磨削加工中的磨削力，有利于加工表面质量的提高。激光光斑直径为0.3mm-0.4mm时的磨削表面加工质量最好。
提高重复频率，能提高工件被辐照范围内激光辐照区域温度，从而有效地使待去除材料吸收热量而得到分布理想的变质层，降低其强度，降低磨削力和砂轮磨损状况，改善加工条件。试验发现在其他条件相同的情况下，重复频率为60KHz-90KHz时的磨削表面加工质量最好。
试验发现在其他条件相同的情况下，激光诱导变质湿式磨削加工过程中采用较小的扫描速度，会有效降低激光诱导变质湿式磨削加工中的磨削力，有利于加工表面质量的提高。扫描速度为50mm/min-200mm/min时的磨削表面加工质量最好。
基于上述试验获得参数，可获得本发明所述的工程陶瓷材料激光诱导变质湿式磨削加工方法，其包括如下步骤：
步骤1、采用Nd:YAG激光在无辅助气体条件下对工程陶瓷零件表面进行辐射，预先诱导工程陶瓷表面出现初始变质层；
其中：激光诱导变质方法条件：a. a.激光输出功率：15W-50W；b.光斑直径：0.2mm-0.5mm；c.重复频率：50KHz-100KHz；d.扫描速度：50mm/min-200mm/min。
步骤2、在所述工程陶瓷零件表面产生初始变质层后，再进行精密湿式磨削加工，其中，选用水基冷却液，供液压力为6MPa，砂轮线速度60m/s，磨削深度1.5mm，工件进给速度2.0m/min。
三组最佳激光诱导变质工艺条件：
1）激光输出功率：20W，光斑直径：0.3mm，重复频率：60KHz，扫描速度：50mm/min；
2）激光输出功率：30W，光斑直径：0.4mm，重复频率：80KHz，扫描速度：150mm/min；
3）激光输出功率：50W，光斑直径：0.3mm，重复频率：90KHz，扫描速度：200mm/min。
采用树脂结合剂金刚石砂轮，其参数见前述表2；
采用80#碳化硅制动式修整器进行砂轮修整，滚轮修整速度为20mm/min，滚轮移动速度为100mm/min，滚轮修整量为0.001mm。
尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (5)

1.一种工程陶瓷材料激光诱导变质湿式磨削加工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1、采用Nd:YAG激光在无辅助气体条件下对工程陶瓷零件表面进行辐射，预先诱导工程陶瓷表面出现初始变质层；
其中：激光诱导变质方法条件：a.激光输出功率：15W-50W；b.光斑直径：0.2mm-0.5mm；c.重复频率：50KHz-100KHz；d.扫描速度：50mm/min-200mm/min；
步骤2、在所述工程陶瓷零件表面产生初始变质层后，再进行精密湿式磨削加工，其中，选用水基冷却液，供液压力为6MPa，砂轮线速度60m/s，磨削深度1.5mm，工件进给速度2.0m/min；采用树脂结合剂金刚石砂轮；将激光诱导变质后工程陶瓷工件（10）固定于测力仪（11）上，砂轮（8）安装于精密平面磨削实验台主轴上，冷却液通过喷嘴（9）注入，实现工件表面变质层的湿式磨削去除。
2.根据权利要求1所述工程陶瓷激光诱导变质湿式磨削加工方法，其特征在于：所述激光诱导变质方法条件为：激光输出功率：20W，光斑直径：0.3mm，重复频率：60KHz，扫描速度：50mm/min。
3.根据权利要求1所述工程陶瓷激光诱导变质湿式磨削加工方法，其特征在于：所述激光诱导变质方法条件为：激光输出功率：30W，光斑直径：0.4mm，重复频率：80KHz，扫描速度：150mm/min。
4.根据权利要求1所述工程陶瓷激光诱导变质湿式磨削加工方法，其特征在于：所述激光诱导变质方法条件为：激光输出功率：50W，光斑直径：0.3mm，重复频率：90KHz，扫描速度：200mm/min。
5.一种工程陶瓷材料激光诱导变质磨削方法使用的试验台，包括：Nd:YAG激光器（1）、第一反射镜（2）、第二反射镜（3）和第三反射镜（4）、第四反射镜（5）、聚焦镜（6），砂轮（8）、测力仪（11）和精密平面磨削实验台；其特征在于：
发出激光束后，激光束经第一反射镜（2） 、第二反射镜（3）和第三反射镜（4）调节到合适的高度，激光束经第四反射镜（5）和聚焦镜（6）辐照于工程陶瓷工件（7）表面；
将激光诱导变质后工程陶瓷工件（10）固定于测力仪（11）上，砂轮（8）安装于精密平面磨削实验台主轴上，冷却液通过喷嘴（9）注入，实现工件表面变质层的湿式磨削去除。
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