CN104985489A - 一种基于空化效应的软脆材料加工方法 - Google Patents

一种基于空化效应的软脆材料加工方法 Download PDF

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邓乾发
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Abstract

一种基于空化效应的软脆材料加工方法，利用空化装置使加工区域的水基加工液发生空化，所形成的空泡溃灭在加工液中产生微射流、冲击波和氧化自由基；微射流和冲击波以机械作用的形式对工件表面反复作用，在工件表面形成厚度极小的疲劳破坏层，氧化自由基与工件表面发生化学反应生成氧化层；加工过程中，弹性摩擦轮与工件做相对运动，对工件表面的化学氧化层和疲劳破坏层施加机械摩擦作用；从而在机械与化学的共同作用下，实现对工件表面的材料去除。本发明提出了一种设备简单、高效、高质量与低成本的基于空化效应的软脆材料加工方法。

Description

一种基于空化效应的软脆材料加工方法
技术领域
本发明属于精密超精密加工技术领域，尤其是一种基于空化效应的软脆材料加工方法。
背景技术
现有的软脆材料是硬度低、脆性大材料的总称。在工程中常用的软脆材料主要有砷化镓(GaAs)晶体、氟化钙(CaF2)、磷酸二氢钾(KDP)等，由于其具有许多金属难以比拟的优异性能，在电子、光学、仪器仪表、航空航天、国防及民用工业等诸多领域有着越来越广泛的作用。这些软脆电子材料虽具有优异的物理性能，但它们既脆又软(如GaAs的莫氏硬度为4.5，InP的莫氏硬度为3)，与硅的硬度相比(Si的莫氏硬度为7)相差甚远。因为软脆材料的特性，加工时表面易产生划痕、凹坑、磨粒嵌入或吸咐等加工缺陷，这大大的限制了软脆材料的应用和发展。因此，如何实现软脆材料的高质高效、低成本精密超精密加工已成为当前国内外关注的课题。
目前，对于软脆材料，其加工方法主要有：单点金刚石飞刀切削技术、研磨抛光技术、固结磨粒抛光、水合抛光等。
单点金刚石切削技术采用天然单晶金刚石作刀具，车削加工光学零件表面。它通常采用“飞刀”切削加工方式，高速旋转的飞刀去除工件表面一层材料，直接获得超光滑表面，不需再进行抛光加工。这种方法虽然加工效率高，但由于国内机床精度和刚度不足，飞刀切削时，机床床身与主轴发生共振在晶体表面产生小尺度波纹，严重影响元器件的性能。研磨抛光是实现软脆材料的精密超精密加工的最主要方法，传统的研磨抛光采用的是游离磨料方式加工，在加工软脆材料时，会有硬质磨粒划伤、嵌入或吸附在材料表面形成加工缺陷，而且加工时磨料随机分布易造成材料去除量不均匀和面形难以控制，加工效率不高，且磨料利用率极低，成本高(磨料成本占加工成本的70％)，加工完成后材料表面清洗困难。为了提高材料的去除效率，国内外专家提出了固结磨粒抛光技术。这种固结磨料技术虽然加工效率高，但由于磨粒固结在抛光垫上，加工时磨粒易掉落，使软脆材料表面形成划痕、凹坑等缺陷，同时其对抛光垫的要求较高，抛光垫的制作、自我修整等都有待于解决。为了解决软脆材料表面质量问题，国内外专家又提出了水合抛光方法。这种方法采用了无磨粒加工技术，可以获得无损伤表面质量，但其加工效率很低。
综上所述，虽然软脆材料加工方法很多，但它们不是加工效率低，就是材料表面容易形成划痕、凹坑等表面质量问题，可见要想获得加工效率高且低损伤的工件表面相当困难，因此，为解决这一问题，迫切需要开发一种设备简单、高效、高加工质量和低成本的加工方法。
发明内容
为了克服现有技术存在的软脆材料加工方法的复杂成本高、加工效率低、加工质量低的问题，本发明提出了一种设备简单、高效、高质量与低成本的基于空化效应的软脆材料加工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于空化效应的软脆材料加工方法，利用空化装置使加工区域的水基加工液发生空化，所形成的空泡溃灭在加工液中产生微射流、冲击波和氧化自由基；微射流和冲击波以机械作用的形式对工件表面反复作用，在工件表面形成厚度极小的疲劳破坏层，氧化自由基与工件表面发生化学反应生成氧化层；
加工过程中，弹性摩擦轮与工件做相对运动，对工件表面的化学氧化层和疲劳破坏层施加机械摩擦作用；从而在机械与化学的共同作用下，实现对工件表面的材料去除。
进一步，所述的水基加工液是纯净水、电解质溶液、非电解质溶液或混合溶液。
再进一步，所述水基加工液中产生的微射流速度为70～180m/s，微射流直径为1～4μm，工件表面受到微射流冲击次数为100～1000次/(s.cm2)；所述冲击波的冲击压力为140～170MPa。
所述的弹性摩擦轮的轮体由刚性材料制成，轮体外围包裹一层软质或弹性材料。
所述的工件与弹性摩擦轮之间的相对运动包括：工件的上下左右前后运动，弹性摩擦轮的上下左右前后及旋转运动以及工件与弹性摩擦轮之间的各种复合运动。
所述空化装置将流经的水流速度突然增大，水流压力突然降低，从而使在工件表面产生空化效应。
本发明的技术构思为：利用空化装置在水基加工液中产生大量的空泡；空泡溃灭时，会释放大量的能量，能量转化为强烈的微射流并在工件表面产生一定的冲击压力；冲击压力以微小值反复作用于工件表面，引起工件表面的疲劳破坏，以机械作用的形式去除工件表面的材料；另一方面，H2O的化学键在能量的作用下被打开，生成自由基，在基液中产生局部的高浓度氧化剂，氧化剂与工件表面发生化学反应，在表面生成极微的氧化层；加工过程中，工件与弹性摩擦轮之间做相对运动，对工件表面的化学氧化层和疲劳破坏层施加机械摩擦作用；在机械与化学的共同作用下，从而实现对工件表面的材料去除。这种方法由于无磨料使用，不必担心工件表面出现划痕、磨粒嵌入、凹坑等加工缺陷，从而可以对工件材料进行高效高质量的加工。
本发明的有益效果主要表现在：1、适用范围广，可以加工各种材料；2、加工效率高；3、由于加工过程中不使用任何磨料，表面无划痕、凹坑、磨粒嵌入等损伤，加工表面质量好，且易清洗；4、由于空化效应易于实现，因而使用成本低，对加工设备要求较低。
附图说明
图1是利用空化效应对工件的加工原理图。
图2是对平面工件进行加工的具体实施实例示意图，其中，(a)是空泡初生；(b)是空泡增多；(c)是空泡膨胀；(d)是空泡压缩；(e)是空泡继续压缩；(f)是空泡溃灭。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种基于空化效应的软脆材料加工方法，利用空化装置1使加工区域的水基加工液6发生空化，所形成的空泡2溃灭在加工液中产生微射流、冲击波10和氧化自由基5；微射流和冲击波10以机械作用的形式对工件4表面反复作用，在工件4表面形成厚度极小的疲劳破坏层，氧化自由基5与工件4表面发生化学反应生成氧化层8；加工过程中，弹性摩擦轮7与工件4之间做相对运动，对工件4表面的化学氧化层8和疲劳破坏层施加机械摩擦作用；在机械与化学的共同作用下，实现对工件4表面的材料去除。
所述的空化装置1将流经的水流速度突然增大，水流压力突然降低，从而使在工件4表面产生空化效应。水流的速度及压力的大小可以根据待加工工件4的材料特性、形状特性、表面特性、加工质量、加工效率和加工精度等要求进行调节。
所述的水基加工液6是纯净水、电解质溶液、非电解质溶液或混合溶液。水基加工液6的种类及其浓度等参数可以根据待加工工件4的材料特性、形状特性、表面特性、加工质量、加工效率和加工精度等要求进行选取。
所述加工液中产生的微射流10速度可达70～180m/s，微射流10直径约为1～4μm，工件表面受到微射流10冲击次数为100～1000次/(s.cm2)；所述冲击波10的冲击压力为140～170MPa。
所述的弹性摩擦轮7的轮体由刚性材料制成，可以是金属、陶瓷和硬质塑料；轮体外围包裹一层软质或弹性材料，可以是橡胶、塑料、聚氨酯、尼龙、毛毡、以及织物。刚性材料以及软质或弹性材料的种类可以根据待加工工件4的材料特性、形状特性、表面特性、加工质量、加工效率和加工精度等要求进行选取。
，所述的工件4与弹性摩擦轮7之间的相对运动包括：工件4的上下左右前后运动，弹性摩擦轮7的上下左右前后及旋转运动以及工件4与弹性摩擦轮7之间的各种复合运动。
可实现对各种材料的的加工，尤其可实现对软脆材料的高效、高质量、低成本的加工要求。
参照图2，通过空化装置1的水基加工液6流经的某一低压区9的压强P若等于产生空化临界压力Pcr时，水基加工液6中开始出现阵发性的不连续气泡，如图2(a)。在低压区9空化的水基加工液6挟带着大量的空泡2形成了“两相流”运动，因而破坏了液体宏观上的连续性。当水基加工液6低压区9的压强P继续降低(P<Pcr)时形成附体空化，低压区9范围扩大，但这时空化的范围仍不大，如图2(b)。随着水基加工液6中低压区9的压强进一步降低，低压区9的范围不断扩大，空化范围也不断发展，空泡2不断膨胀，形成超空化，如图2(c)。水基加工液6挟带着的空泡2在流经下游高压区3时，空泡2在内外压差作用下不断压缩(空泡压缩11)，如图2(d)(e)，最终将发生溃灭释放大量能量(空泡分裂12)，如图2(f)。由于空泡2溃灭过程发生于瞬间(微秒级)，因而局部产生极高的瞬时压强，当溃灭发生在磷化铟工件4表面附近时，空泡2周围的极小空间会产生极高压强、极高温度、强冲击波和微射流等极端物理化学条件，微射流10速度可达70～180m/s，微射流10直径约为1～4μm,冲击波10的冲击压力高达140～170MPa，磷化铟工件4表面受到微射流10冲击次数为100～1000次/(s.cm2)，同时使水分解形成高浓度的OH-氧化自由基5。
空化过程中空泡2的初生、膨胀、压缩、溃灭、再生多交替发生，反复作用在磷化铟工件4表面，其能量效应和机械效应会引起特殊的物理和化学效果在磷化铟工件4表面产生空蚀现象13，并通过磷化铟工件4与弹性摩擦轮7为之间做相对运动，对磷化铟工件4表面进行摩擦加工，最终去除磷化铟工件4表面材料，经测定，用此实施例的方法可实现对磷化铟工件材料去除率达60μm/h，表面粗糙度Ra可达到0.2nm。

Claims (6)

1.一种基于空化效应的软脆材料加工方法，其特征在于：利用空化装置使加工区域的水基加工液发生空化，所形成的空泡溃灭在加工液中产生微射流、冲击波和氧化自由基；微射流和冲击波以机械作用的形式对工件表面反复作用，在工件表面形成厚度极小的疲劳破坏层，氧化自由基与工件表面发生化学反应生成氧化层；
加工过程中，弹性摩擦轮与工件做相对运动，对工件表面的化学氧化层和疲劳破坏层施加机械摩擦作用；从而在机械与化学的共同作用下，实现对工件表面的材料去除。
2.如权利要求1所述的基于空化效应的软脆材料加工方法，其特征在于：所述的水基加工液是纯净水、电解质溶液、非电解质溶液或混合溶液。
3.如权利要求1或2所述的基于空化效应的软脆材料加工方法，其特征在于：
所述水基加工液中产生的微射流速度为70～180m/s，微射流直径为1～4μm，工件表面受到微射流冲击次数为100～1000次/(s.cm2)；所述冲击波的冲击压力为140～170MPa。
4.如权利要求1或2所述的基于空化效应的软脆材料加工方法，其特征在于：
所述的弹性摩擦轮的轮体由刚性材料制成，轮体外围包裹一层软质或弹性材料。
5.如权利要求1或2所述的基于空化效应的软脆材料加工方法，其特征在于：
所述的工件与弹性摩擦轮之间的相对运动包括：工件的上下左右前后运动，弹性摩擦轮的上下左右前后及旋转运动以及工件与弹性摩擦轮之间的各种复合运动。
6.如权利要求1或2所述的基于空化效应的软脆材料加工方法，其特征在于：所述空化装置将流经的水流速度突然增大，水流压力突然降低，从而使在工件表面产生空化效应。
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