CN110039665A - 一种动态监测陶瓷材料超精密加工韧脆去除的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动态监控陶瓷材料超精密加工韧脆去除的装置，该装置采用微纳米成像仪计算超精密加工过程中工件表面面积，通过微结构演变与表面积变化趋势的定性关系，预测陶瓷材料超精密加工为韧性去除还是脆性去除。从而，可以进一步通过改变超精密加工速度，实现韧性去除，降低亚表面损伤，提高表面完整性。本发明可以简单、方便、快捷地判断脆性材料超精密加工过程中材料的去除机制，解决复杂原位扫描电子显微镜或透射电镜显微镜通过观察微结构演变判断材料去除机制的复杂性和困难性，同时节省了人力和物力，避免材料的浪费。

Description

一种动态监测陶瓷材料超精密加工韧脆去除的装置
技术领域
本发明涉及一种动态监测陶瓷材料超精密加工及调整去除方式的装置，具体涉及一种超精密加工与数据采集、反馈一体化样机
背景技术
陶瓷材料由于具有优越的物理和力学性能，在机械、电子、航空航天、国防军工、仿生器械、机器人等领域得到了广泛应用。但随着机械产品朝“高、精、尖”的方向发展，对陶瓷器件性能要求越来越苛刻，如高表面完整性、低亚表面损伤等。同时，陶瓷材料本身的硬脆性使得其在加工的过程中不可避免的产生加工损伤和裂纹，降低了其可靠性。如何有效的降低陶瓷材料加工过程中的损伤以及控制裂纹的扩展的问题亟待解决。最新研究表明，通过改变加工速度和加工深度实现从脆性去除机制到韧性去除机制的转变，可以有效提高加工表面的质量、降低亚表面损伤和抑制亚表面微裂纹的形核。
为抑制亚表面微裂纹的形核、获得高表面完整性和低亚表面损伤乃至无损伤的陶瓷结构材料，是推进超精密加工方式不断变革的永恒驱动力。目前关于陶瓷材料的超精密加工参数与加工表面性能相关性的研究方法通常是使用相同特征参数的陶瓷试样分别在不同加工速度和深度下进行超精密加工，进而确定实现高表面完整性和低亚表面损伤甚至无损伤效果的加工参数。然而，此方法具有浪费材料、消耗能源、延长试验周期等诸多缺点。
动态监测陶瓷材料超精密加工韧脆去除装置是运用微结构演变与表面积变化趋势的定性关系实现陶瓷材料的超精密加工为韧性去除还是脆性去除的预测，这样便可根据加工试件表面积演变调控加工速度和深度，实现超精密加工陶瓷材料的全过程均为韧性去除。这不仅提高超精密加工陶瓷结构材料的效率，降低实验材料和时间消耗，具有重要的意义。同时通过动态监测陶瓷材料超精密加工韧脆去除装置制备的这种全程为韧性去除的材料，具有高表面完整性、低亚表面损伤甚至无损伤的特点，进一步满足了机械、电子、航空航天、国防军工、仿生器械、机器人等领域对陶瓷材料的高性能要求，具有重大的实用意义。本专利相比以前提出的传统超精密加工陶瓷材料的方法，可以实现陶瓷材料去除机制的实时监测、并进行加工参数反馈，最终实现脆性去除机制到韧性去除机制的转变，有效提高加工表面的质量、降低亚表面损伤和抑制亚表面微裂纹的形核。
发明内容
本发明的目的在于克服现有装置的弊端，大幅缩短超精密加工工件材料的研究时间、降低实验成本，本发明提出一种检测工艺简单，实现超精密加工陶瓷材料实时动态的调整，满足韧性去除的加工要求，制备高质量表面完整性和低亚表面损伤陶瓷材料的超精密加工装置。
本发明的技术方案是：一种超精密加工与加工表面面积数据采集、反馈一体化样机，该装置包括超精密加工系统、冷却系统、数据采集系统、逻辑判断系统、加工速度和深度控制系统；
所述超精密加工系统用于陶瓷材料材料的超精密加工，主要由车床、刀具和陶瓷工件组成。
所述冷却系统由冷却液、冷却液喷雾机和冷却液回收槽构成，用于消除加工热对加工件的影响。
所述数据采集系统用于收集陶瓷材料超精密加工表面积数据，并记录数据。由微纳米成像仪与数据反馈电脑组成。
所述逻辑判断系统利用数据反馈判断陶瓷材料加工过程处于脆性去除还是韧性去除方式，并将判断结果实时传输给加工速度和深度控制系统。
所述加工速度和深度控制系统用于及时对加工速度和深度做出相应调整，实现陶瓷材料韧性去除。由速度控制器与深度控制器组成。
本发明还将提供上述装置的使用方法。具体包括以下步骤：
1、将调试工件安装在超精密机床主轴的真空吸盘上，在主轴上夹装冷却液喷雾机、微纳米成像仪和刀具，且完成对刀。通过电脑连接数据采集系统、逻辑判断系统和加工速度和深度控制系统。
2、调节和控制超精密加工实验室的温度、湿度和空气洁净度。
3、微纳米成像仪调试，启动逻辑判断系统，利用加工速度和深度控制系统对刀具水平方向和垂直方向的运动信息进行调控，得到微纳米成像仪输出的调试工件的表面面积信息。
4、关闭超精密加工动态监测装置，将超精密机床主轴的真空吸盘上的调试工件更换为陶瓷工件，并完成对刀。
5、开启数据采集系统、逻辑判断系统、冷却系统、加工速度和深度控制系统，设置加工参数：h＝2nm和v＝20m/s，其中，h为加工深度，v为刀具速度。全程采用微纳米成像仪和电脑进行实时工件表面面积监测并自动进行反馈调节加工速度和深度。装置通过自动反馈保持陶瓷材料超精密加工为韧性去除。
6、关停超精密加工陶瓷材料动态监测装置，取下陶瓷工件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到韧性去除的超精密陶瓷工件。
有益效果
本发明公开一种动态监控陶瓷材料超精密加工韧脆去除的装置，该装置采用微纳米成像仪计算超精密加工过程中工件表面面积，通过微结构演变与表面积变化趋势的定性关系，预测陶瓷材料超精密加工为韧性去除还是脆性去除。从而，进一步通过改变超精密加工速度和深度实现韧性去除，降低亚表面损伤，提高表面完整性。
附图说明
图1 为本发明的一种动态监测陶瓷材料超精密加工韧脆去除装置示意图
图2 为纳米加工脆性材料过程中，表面积演变与距离的关系。
图中，1-主轴；2-冷却液喷雾机；3-刀具；4-微纳米成像仪；5-深度控制器；6-速度控制器；7-电脑8-陶瓷材料；9-车床10-冷却液回收槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对其技术方案作进一步的阐述
如图1 所示为本发明的一种陶瓷材料超精密加工与数据采集、反馈一体化样机的结构示意图，该一体化样机包括超精密加工系统、冷却系统、数据采集系统、逻辑判断系统和加工速度和深度控制系统。
所述超精密加工系统用于陶瓷材料材料的超精密加工，主要由车床、刀具和陶瓷工件组成。
所述冷却系统由冷却液、冷却液喷雾机和冷却液回收槽构成，用于消除加工热对加工件的影响。
所述数据采集系统用于收集陶瓷材料超精密加工表面积数据，并记录数据。由微纳米成像仪与数据反馈电脑组成。
所述逻辑判断系统利用数据反馈判断陶瓷材料加工过程处于脆性去除还是韧性去除方式，并将判断结果实时传输给加工速度和深度控制系统。
所述加工速度和深度控制系统用于及时对加工速度和深度做出相应调整，实现陶瓷材料韧性去除。由速度控制器与深度控制器组成。
将调试工件安装在超精密机床主轴的真空吸盘上，在主轴上夹装冷却液喷雾机、微纳米成像仪和刀具，且完成对刀。通过电脑连接数据采集系统、逻辑判断系统和加工速度和深度控制系统。
调节和控制超精密加工实验室的温度、湿度和空气洁净度。
微纳米成像仪调试，启动逻辑判断系统，利用加工速度和深度控制系统对刀具水平方向和垂直方向的运动信息进行调控，得到微纳米成像仪输出的调试工件的表面面积信息。
关闭超精密加工动态监测装置，将超精密机床主轴的真空吸盘上的调试工件更换为陶瓷工件，并完成对刀。
开启数据采集系统、逻辑判断系统、冷却系统、加工速度和深度控制系统，设置加工参数：h＝2nm和v＝20m/s，其中，h为加工深度，v为刀具速度。全程采用微纳米成像仪和电脑进行实时工件表面面积监测并自动进行反馈调节加工速度和深度。装置通过自动反馈保持陶瓷材料超精密加工为韧性去除。
关停超精密加工陶瓷材料动态监测装置，取下陶瓷工件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到韧性去除的超精密陶瓷工件。
此装置中的微纳米成像仪、刀具、冷却液喷雾机夹装在同一主轴上，保证三者同步运动，便于实时监测加工表面面积和实时冷却。通过电脑连接微纳米成像仪，获得加工材料表面积随加工距离的演变趋势，实时调节加工速度和深度，最终实现对陶瓷材料的韧性去除。

Claims (7)

1.一种动态监测陶瓷材料超精密加工韧脆去除的装置，该装置包括超精密加工系统、冷却系统、数据采集系统、逻辑判断系统和加工速度和深度控制系统；
所述超精密加工系统用于陶瓷材料材料的超精密加工，主要由车床、刀具和陶瓷工件组成。
所述冷却系统由冷却液、冷却液喷雾机和冷却液回收槽构成，用于消除加工热对加工件的影响。
所述数据采集系统用于收集陶瓷材料超精密加工表面积数据，并记录数据。由微纳米成像仪与数据反馈电脑组成。
所述逻辑判断系统利用反馈数据判断陶瓷材料加工过程处于脆性去除还是韧性去除方式，并将判断结果实时传输给加工速度和深度控制系统。
所述加工速度和深度控制系统用于及时对加工速度和深度做出相应调整，实现陶瓷材料韧性去除。由速度控制器与深度控制器组成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，微纳米成像仪、刀具、冷却液喷雾机夹装在同一主轴上，保证三者同步运动，便于实时监测加工表面面积和实时冷却。
3.根据权利要求1-2任一项所述装置的使用方法，其特征在于，所述处理方法具体步骤如下：
步骤1：将调试工件安装在超精密机床主轴的真空吸盘上，在主轴上夹装冷却液喷雾机、微纳米成像仪和刀具，且完成对刀。通过电脑连接数据采集系统、逻辑判断系统和加工速度和深度控制系统。
步骤2：调节和控制超精密加工实验室的温度、湿度和空气洁净度。
步骤3：启动逻辑判断系统，利用加工速度和深度控制系统对刀具水平方向和垂直方向的运动信息进行调控，得到微纳米成像仪输出的调试工件的表面面积信息，实现微纳米成像仪的调试。
步骤4：关闭超精密加工动态监测装置，将超精密机床主轴的真空吸盘上的调试工件更换为陶瓷工件，并完成对刀。
步骤5：开启数据采集系统、逻辑判断系统、冷却系统、加工速度和深度控制系统，设置加工参数：h＝2nm和v＝20m/s，其中，h为加工深度，v为刀具速度。全程采用微纳米成像仪和电脑进行实时工件表面面积监测并自动进行反馈调节加工速度和深度。装置通过自动反馈保持陶瓷材料超精密加工为韧性去除。
步骤6：关停超精密加工陶瓷材料动态监测装置，取下陶瓷工件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到韧性去除的超精密陶瓷工件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述超精密加工实验室的温度控制在25±0.1℃，湿度控制在35±0.1，洁净度不低于1000级。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述刀具为金刚石刀具。
6.根据权利要求3所述的方法，所示步骤5中，当陶瓷材料的去除机制为脆性去除时加工速度和深度控制器自动调控加工速度和深度，使去除机制转变为韧性去除。以此进行动态监测和循环反馈调节，保证超精密加工陶瓷材料的全过程均为韧性去除。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于加工表面面积下降表明加工位于韧性去除方式，面积增加表明处于脆性去除方式。
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