CN103831674A - 氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法 - Google Patents

氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氧化铝工程陶瓷材料激光诱导热裂湿式磨削加工方法，一种氧化铝工程陶瓷材料激光诱导热裂湿式磨削加工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1、采用Nd:YAG激光作为热源对氧化铝工程陶瓷零件表面进行加热，并用Ar气进行冷却，预先诱导初始裂纹；步骤2、在所述氧化铝工程陶瓷零件表面产生初始裂纹后，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80m/s，磨削深度2mm，进给速度2.2m/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，与氧化铝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

氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法
技术领域
本发明涉及一种磨削加工方法，尤其涉及一种氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削的加工方法。
背景技术
氧化铝工程陶瓷以其诸多优越性能如高强度、高硬度、耐磨、耐高温和具有良好的绝缘性能等得到了日益广泛的应用。可用于喷砂用的喷嘴、纺织用的导热器及火箭用倒流罩，也可作高温实验仪器及化工零件、轴承、内燃机火花塞、活塞和触媒载体。用氧化铝工程陶瓷来替代金属材料的运动零件(活塞、活塞销等)可以减轻零件的质量，使内燃机减少摩擦、节约能源和减小振动。用氧化铝工程陶瓷材料制成的机械密封环，可以延长密封环的使用寿命，减少拆换次数，降低成本，提高效率。
但是氧化铝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。氧化铝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。氧化铝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氧化铝工程陶瓷加工过程中亟待解决的问题。
激光辅助加热技术现已成为改善氧化铝工程陶瓷材料加工性能的一种新的途径。而现有技术，往往关注如何防止激光诱导或磨削过程中产生的工艺裂纹，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”。但现有技术集中于如何避免工艺裂纹的出现，从未研究过如何利用激光诱导或磨削过程中产生的工艺裂纹，从而辅助完成超硬材料的加工。
事实上，利用高功率激光束聚焦加热切削区，实现被切削区材料软化，去除机理由脆性转化为延展性，从而降低氧化铝陶瓷材料加工难度。然而，由于磨削加工具有比能高、砂轮/工件接触长度大和散热性能差等特点，将激光辅助加工技术应用于磨削加工会出现一些新的技术问题：
1）激光辅助加热加工过程中激光聚焦区的温度很高（超过1000℃），被加热软化的材料必须即时高效地予以去除，这意味着聚焦光斑中心与切削区之间的相对位置应尽可能近，但距离过近又将导致刀具出现热损伤，因此激光辅助加热加工后的工件表面极易出现表面/亚表面裂纹；
2）磨削加工氧化铝工程陶瓷等难加工材料时，磨削能几乎全部转化为热能积聚在磨削区内，导致磨削区的温度急剧升高。激光辅助加热技术的特点又限制了冷却液的使用，也就无法从根本上消除因热量积累而产生的表面/亚表面裂纹。裂纹将导致氧化铝工程陶瓷表面的抗磨损性能降低，应力锈蚀灵敏性增加，抗疲劳性能下降，从而大幅降低工程陶瓷零件的使用寿命和工作可靠性。
目前在国内尚无人对氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工进行研究，因此深入系统地研究如何采用激光诱导热裂磨削加工技术实现氧化铝工程陶瓷的低成本高质量加工，是氧化铝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，提出一种氧化铝工程陶瓷材料激光诱导热裂湿式磨削加工方法，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，将大幅提高氧化铝陶瓷材料的可加工性，与氧化铝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氧化铝工程陶瓷材料激光诱导热裂湿式磨削加工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1、采用Nd:YAG激光作为热源对氧化铝工程陶瓷零件表面进行加热，并用Ar气进行冷却，预先诱导初始裂纹；
其中：激光诱导热裂方法条件：a.激光输出功率：50W-120W；b.光斑直径：0.1mm-0.5mm；c.重复频率：10KHz-30KHz；d.扫描速度：100mm/min-600mm/min；
步骤2、在所述氧化铝工程陶瓷零件表面产生初始裂纹后，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80m/s，磨削深度2mm，进给速度2.2m/min。
优选地，所述激光诱导热裂方法条件为：激光输出功率：100W，光斑直径：0.3mm，重复频率：10KHz，扫描速度：300mm/min。
优选地，所述激光诱导热裂方法条件为：激光输出功率：60W，光斑直径：0.2mm，重复频率：20KHz，扫描速度：400mm/min。
优选地，所述激光诱导热裂方法条件为：激光输出功率：100W，光斑直径：0.3mm，重复频率：30KHz，扫描速度：500mm/min。
本发明的有益效果是：
1、本发明所述的激光诱导热裂技术应用于氧化铝工程陶瓷的加工能极大地提高氧化铝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，激光输出功率增加可以使激光诱导热裂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，这是增大激光输出功率导致热裂纹扩展深度超过磨削深度的缘故，结果导致了加工表面恶化。激光输出功率为60W-100W时的磨削表面型貌最为平整，微裂纹并未出现。
3、在本发明中，激光诱导热裂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热裂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0.2mm -0.3mm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热裂纹。重复频率为10KHz-30KHz时的磨削表面加工质量最好。
5、本发明中，激光诱导热裂磨削加工过程中采用较小的扫描速度，有效降低激光诱导热裂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300mm/min-500mm/min时的磨削表面加工质量最好。
附图说明
图1（a）和图1（b）是激光输出功率为60W、120W时氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工后工件表面型貌；
图2（a）和图2（b）是光斑直径为0.2mm、0.5mm时氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工后工件表面型貌；
图3（a）和图3（b）是重复频率为10KHz、30KHz时氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工后工件表面型貌；
图4（a）和图4（b）是扫描速度为300mm/min、600mm/min时氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工后工件表面型貌；
图5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－氧化铝工程陶瓷工件。
图6是磨削装置示意图。
其中：8－砂轮，9－喷嘴，10－激光诱导热裂后氧化铝工程陶瓷工件，11－测力仪。
具体实施方式
以下将结合附图1-6对本发明做出进一步说明。
鉴于裂纹将导致氧化铝工程陶瓷表面的抗磨损性能降低，本发明采用逆向思维方法，提出主动引入热裂纹以降低氧化铝工程陶瓷抗磨损性能的方法，即激光诱导热裂磨削加工方法，该方法具体包括以下步骤：
第一步，通过低功率激光辐射诱导氧化铝工程陶瓷表面产生热裂纹，并合理控制裂纹的扩展；
第二步，在湿式磨削状态下磨除氧化铝工程陶瓷表面热裂层。
由于氧化铝陶瓷材料性能对激光诱导热裂磨削加工机理有较大的影响，本实施例中，选用了应用广泛的99%氧化铝材料作为试验材料。
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。
参见附图5和图6，本发明所述激光诱导热裂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5中的氧化铝工程陶瓷工件（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 500Hz～100KHz
脉冲宽度 150～700ns
透镜焦距 60mm
将激光诱导热裂后氧化铝工程陶瓷工件（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，实现工件表面热裂层的湿式磨削去除。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、扫描速度对氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂性能的影响。所采用的激光诱导热裂方法参数如表3所示。
表3 激光诱导热裂方法参数
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 50，60，70，80，90，100，110，120 0.2 10 300,500
2 60,100 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 10 400
3 100 0.2,0.3 10,20,30 400
4 100 0.3 30 100,200,300,400,500,600
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热裂方法参数条件下氧化铝工程陶瓷表面热裂纹分布层对工程陶瓷磨削性能的影响。
本发明对所述氧化铝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。
工件激光诱导热裂磨削表面型貌
1）激光输出功率对磨削表面型貌的影响
图1（a）和图1（b）分别是在其他方法参数一定的情况下，激光输出功率为60W、120W时激光诱导热裂磨削加工后工件表面的型貌。首先氧化铝工程陶瓷表面在激光辐射下产生强大压应力，当激光扫描过后，经过Ar气进行冷却，初始热裂纹处从压应力转变成拉应力，当拉应力足够大时，裂纹开始扩展。通过试验结果的观察，采用较低的激光功率，加工表面所处区域温度应力梯度相对较小，因此，热裂纹多分布于1mm以内，且热裂纹密度小。
由图1（a）和图1（b）可知，我们发现激光输出功率增加可以使激光诱导热裂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，这是增大激光输出功率导致热裂纹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60W-100W时的磨削表面型貌最为平整，微裂纹并未出现。
2）光斑直径对磨削表面型貌的影响
图2（a）和图2（b）分别是在其他方法参数一定的情况下，光斑直径为0.2mm、0.5mm时激光诱导热裂磨削加工后工件表面的型貌。其中图 2（a）为光斑直径为 0.2mm 时得到的磨削加工表面，没有裂纹；图 2（b）为光斑直径为 0.5mm时得到的磨削加工表面，上面有细小裂纹。在激光诱导热裂过程中，采用越小的光斑直径辐照工件，单位面积吸收的激光能量越多，激光辐照区域温度应力梯度越大，工程陶瓷表面热裂纹分布较密。因此，磨削加工过程磨削力不同，前者小，而后者大，同时，由此进一步导致磨削应力和温度应力梯度显然不同。试验发现在其他条件相同的情况下，激光诱导热裂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热裂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0.2mm-0.3mm时的磨削表面加工质量最好。
3）重复频率对磨削表面型貌的影响
图3（a）和图3（b）分别是在其他方法参数一定的情况下，重复频率为10KHz、30KHz时激光诱导热裂磨削加工后工件表面的型貌。分析加工型貌可以看出，随着重复频率的增加，已加工表面表面粗糙度逐步降低。这是由于，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热裂纹，降低其强度，降低磨削力和砂轮磨损状况，改善加工条件，降低已加工表面粗糙度。试验发现在其他条件相同的情况下，重复频率为10KHz-30KHz时的磨削表面加工质量最好。
4）扫描速度对磨削表面型貌的影响
图4（a）和图4（b）分别是在其他方法参数一定的情况下，扫描速度为300mm/min、600mm/min时激光诱导热裂磨削加工后工件表面的型貌。其中图 4（a）为扫描速度为300mm/min时得到的磨削加工表面，没有裂纹；图4（b）为扫描速度为600mm/min时得到的磨削加工表面，上面有细小裂纹。在激光诱导热裂过程中，采用越大的扫描速度辐照工件，单位面积吸收的激光能量越少，氧化铝工程陶瓷表面诱导热裂纹分布较少。直接导致磨削加工过程磨削力大幅提升，与氧化铝工程陶瓷常规磨削加工过程特性相似，即此时加工表面型貌较差。试验发现在其他条件相同的情况下，激光诱导热裂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热裂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300mm/min-500mm/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氧化铝工程陶瓷材料激光诱导热裂湿式磨削加工方法，其包括如下步骤：
步骤1、采用Nd:YAG激光作为热源对氧化铝工程陶瓷零件表面进行加热，并用Ar气进行冷却，预先诱导初始裂纹；
其中：激光诱导热裂方法条件：a.激光输出功率：50W-120W；b.光斑直径：0.1mm-0.5mm；c.重复频率：10KHz-30KHz；d.扫描速度：100mm/min-600mm/min。
步骤2、在所述氧化铝工程陶瓷零件表面产生初始裂纹后，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80m/s，磨削深度2mm，进给速度2.2m/min。
三组最佳激光诱导热裂工艺条件：
1）激光输出功率：100W，光斑直径：0.3mm，重复频率：10KHz，扫描速度：300mm/min；
2）激光输出功率：60W，光斑直径：0.2mm，重复频率：20KHz，扫描速度：400mm/min；
3）激光输出功率：100W，光斑直径：0.3mm，重复频率：30KHz，扫描速度：500mm/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)

1.一种氧化铝工程陶瓷材料激光诱导热裂湿式磨削加工方法，其特征在于：该
方法包括如下步骤：
步骤1、采用Nd:YAG激光作为热源对氧化铝工程陶瓷零件表面进行加热，并用Ar气进行冷却，预先诱导初始裂纹；
其中：激光诱导热裂方法条件：a.激光输出功率：50W-120W；b.光斑直径：0.1mm-0.5mm；c.重复频率：10KHz-30KHz；d.扫描速度：100mm/min-600mm/min；
步骤2、在所述氧化铝工程陶瓷零件表面产生初始裂纹后，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80m/s，磨削深度2mm，进给速度2.2m/min。
2.根据权利要求1所述氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法，其特征在于：所述激光诱导热裂方法条件为：激光输出功率：100W，光斑直径：0.3mm，重复频率：10KHz，扫描速度：300mm/min。
3.根据权利要求1所述氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法，其特征在于：所述激光诱导热裂方法条件为：激光输出功率：60W，光斑直径：0.2mm，重复频率：20KHz，扫描速度：400mm/min。
4.根据权利要求1所述氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法，其特征在于：所述激光诱导热裂方法条件为：激光输出功率：100W，光斑直径：0.3mm，重复频率：30KHz，扫描速度：500mm/min。
5.一种氧化铝工程陶瓷材料激光诱导热裂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）辐照于氧化铝工程陶瓷工件（7）表面；
将激光诱导热裂后氧化铝工程陶瓷工件（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，实现工件表面热裂层的湿式磨削去除。
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