CN105108608B - 硬脆材料超光滑表面自适应加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，采用浮动的加工系统加工硬脆材料，加工时首先用W40砂轮粗加工，然后用W3.5砂轮精磨，加工条件：砂轮转速为120～700r/min；加工压力0.05～0.3Mpa；加工时间30s；加工后采用WYKO光学表面轮廓仪进行表面粗糙度测量。本发明在每次加工过程中，由加工材料的机械物理性能、加工参数及加工所用磨料的硬度、粒度等加工过程诸影响因素，“自适应地”选择去除工件表面的加工层厚度，而不是人为设定每次去除厚度的加工方法。该方法不仅可以稳定地实现硬脆材料的塑性域加工，而且具有极高的加工效率，对于各种硬脆材料，可以很容易地在较短时间内获得Ra:2‑7nm的加工镜面。
Description
技术领域
本发明属于光学加工领域，涉及一种硬脆材料超光滑表面自适应加工方法。
背景技术
随着科学技术的发展，光学玻璃、光学晶体、各种高技术陶瓷等硬脆材料在航空、航天以及光电子、计算机、通讯、化工、冶金、机械、汽车等领域的应用越来越广泛，而且对零件的表面质量要求极高。由于这些材料的硬度高、脆性大等特点，加工非常困难，为了获得高质量的加工表面，一般均采用研磨、抛光等方法，不仅加工周期长，而且加工成本高。近年来，超精密磨削加工技术的发展极大地提高了硬脆材料的加工效率和加工精度，尤其是通过控制加工参数对硬脆材料进行塑性域超精密磨削，更是极大地提高了零件加工表面质量，这被认为是加工技术上的一次重大突破。
有关硬脆材料的塑性域超精密磨削加工，国外学者在近年来做了大量的理论分析与研究，主要在脆性材料塑性方式磨削的理论和工艺，脆塑性变换与进给率、材料特性、切削力和其它关键参数的关系。但是并没有形成一个很具有说服力的理论，而且在目前采用的塑性域超精密磨削的加工方法中，都是采用超细的金刚石砂轮(小于W20)和极小的磨削深度(小于1μm)，在这种条件下，其加工效率也很难令人满意。因此，有关脆硬材料的塑性域加工的机理分析，提出了自适应加工的概念，并通过大量的加工实验，证明这种方法不仅可以稳定地实现硬脆材料的塑性域加工，而且具有极高的加工效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，该方法不仅可以稳定地实现硬脆材料的塑性域加工，而且具有极高的加工效率，对于各种硬脆材料，可以很容易地在较短时间内获得Ra：2-7nm的加工镜面。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，采用浮动的加工系统加工硬脆材料，加工时首先用W40砂轮粗加工，然后用W3.5砂轮精磨，加工条件：砂轮转速为120～700 r/min；加工压力0.05～0.3Mpa；加工时间30s；加工后采用WYKO光学表面轮廓仪进行表面粗糙度测量。
本发明中，所提出的自适应加工方法的概念是指在每次加工过程中，由加工材料的机械物理性能、加工参数及加工所用磨料的硬度、粒度等加工过程诸影响因素，“自适应地”选择去除工件表面的加工层厚度，而不是人为设定每次去除厚度的加工方法。
本发明中，所述的自适应加工方法的实现条件是加工系统必须是“浮动的”，确切地讲，加工工具和工件加工接触区必须是浮动的，这样，加工工具和工件材料才能根据各自的情况，“自适应地”选择合适的加工厚度，达到塑性域加工的效果。
本发明中，所述的自适应加工方法要求单个磨粒的最大切削深度应小于硬脆材料的临界切削厚度，即：
agmax<ac。
本发明中，所述的硬脆材料的临界切削厚度：
式中，ac-临界切削厚度；
E-材料的弹性模量，MPa；
H-材料的硬度，MPa；
K1c-材料的断裂韧性，MPam1/2。
本发明中，所述的加工工件材料包括光学玻璃、光学晶体、玛瑙、磁钢、硬质合金及多种陶瓷材料等。
本发明的特点如下：
(1)加工精度高(两面平行度≤2μm，平面度≤0.7μm)；
(2)加工效率高，材料去除厚度可达0.1～0.3mm/min，这是常规磨削等加工方法所无法比拟的；
(3)对加工设备的制造精度要求较低，由于采用浮动加工系统，普通精度的加工设备即可达到很高的加工质量和加工精度。因此，这种加工技术非常适合在实际生产加工中应用。
附图说明
图1为自适应加工实验系统的结构示意图，图中1为气动压头，2为夹具，3为工件，4为端面金刚石砂轮；
图2为热压SIC加工表面形貌和参数测量结果；
图3为存在4～8μm宽加工划痕的热压加工表面热压SIC加工表面形貌参数测量结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，具体要求如下：
加工实验系统如图1所示，在该系统中：
砂轮转速为1～1500 r/min(无级)；
工件由气动加压，压力0～1Mpa；
加工时间采用时间继电器控制，0～999s；
砂轮粒度有两种：W3.5，W40。
加工工件材料包括光学玻璃、光学晶体、玛瑙、磁钢、硬质合金及多种陶瓷材料，加工时首先用W40砂轮粗加工，然后用W3.5砂轮精磨。加工条件：砂轮转速为120～700 r/min；加工压力0.05～0.3Mpa；加工时间30s。加工后采用WYKO光学表面轮廓仪进行表面粗糙度测量。
表1为各种工件材料经W3.5砂轮加工后测得的表面粗糙度Ra值。图2-3是典型的测量结果(材料为热压SiC)，由图2和3可见，划痕底部和两侧规则平滑，不存在加工裂纹和脆性崩边现象，说明工件表层材料确是在塑性状态下被加工去除的。
表1 工件加工表面粗糙度测量结果
续表1
Claims (5)
1.一种硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，其特征在于所述自适应加工方法采用浮动加工系统加工硬脆材料，具体加工步骤如下：
加工时首先用W40砂轮粗加工，然后用W3.5砂轮精磨，加工条件：砂轮转速为120～700r/min；加工压力0.05～0.3Mpa；加工时间30s。
2.根据权利要求1所述的硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，其特征在于所述浮动加工系统的加工工具和工件加工接触区必须是浮动的。
3.根据权利要求1所述的硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，其特征在于所述自适应加工方法要求单个磨粒的最大切削深度应小于硬脆材料的临界切削厚度，即：
agmax<ac。
4.根据权利要求3所述的硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，其特征在于所述硬脆材料的临界切削厚度：
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<mo>)</mo>
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<mn>2</mn>
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<mo>,</mo>
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式中，ac—临界切削厚度；
E—材料的弹性模量，MPa；
H—材料的硬度，MPa；
Klc—材料的断裂韧性，MPam1/2。
5.根据权利要求1所述的硬脆材料超光滑表面自适应加工方法，其特征在于所述硬脆材料为光学玻璃、光学晶体、玛瑙、磁钢、硬质合金或陶瓷材料。
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