CN110421328B - 一种铈镧合金的超精密加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铈镧合金的超精密加工方法，包括以下步骤：1)、表面纳米晶化处理：利用喷嘴采用空化射流气泡对铈镧合金表面进行冲击，晶体产生塑性变形，实现材料表面晶体碎化至纳米量级；2)、超精密单点金刚石切削加工：采用单点金刚石加工刀具和加工工艺对表面经过纳米晶化处理的铈镧合金的表面进行微量切削。本发明所述方法能够提高铈镧合金加工稳定性；同时抑制自燃，降低其在传统精密切削时产生的表面、亚表面损伤；产生致密层，阻碍氧化腐蚀进程，改善其表面洁净度。

Description

一种铈镧合金的超精密加工方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种铈镧合金的超精密加工方法。
背景技术
铈镧合金因其材料特殊性，在其超精密加工中难以获得高表面精度，容易产生表/亚表面损伤，以及较低的洁净度。
目前对于铈镧合金的加工，大多未经任何处理而直接利用超精密加工机床(如图1所示)进行加工。然而铈镧合金由于其晶粒粗大、燃点低、化学活性高，在对铈镧合金的切削加工中，常常伴随起火(产生加工火星20)、氧化现象，难以实现稳定切削，最终影响其表面加工精度、产生表面烧伤，并氧化引入新的杂质，甚至导致整个工件报废(其上表面形成表面氧化层21，下表面形成亚表面损伤层22)，难以满足铈镧合金的超精密加工要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铈镧合金的超精密加工方法，所述方法能够提高铈镧合金加工精度，同时降低其在传统精密切削时产生的表面、亚表面损伤。
本发明通过下述技术方案实现：
一种铈镧合金的超精密加工方法，包括以下步骤：
1)、表面纳米晶化处理：利用喷嘴采用空化射流气泡对铈镧合金表面进行冲击，晶体产生塑性变形，实现材料表面晶体碎化至纳米量级；
2)、超精密单点金刚石切削加工：采用单点金刚石加工刀具和加工工艺对表面经过纳米晶化处理的铈镧合金的表面进行切削。
发明专利的关键点为单点金刚石切削工艺与空化射流碎晶工艺的配合，发明所述方法第一步，空化射流加工工艺具体是使水流束经过喷嘴时产生大量的空化气泡，无需射流喷嘴出口压力过大即可使空化气泡在铈镧合金工件材料表面溃灭产生较高压力的微射流冲击，铈镧合金晶体产生强塑性变形，实现材料表面晶体碎化至纳米量级。
本发明中，铈镧合金的表面经过纳米晶化处理后，已经形成大量排布相对均匀，晶粒大小为纳米级的晶体。此时铈镧合金的表面质量可以适合多种形式的超精密单点金刚石刀具切削加工。在加工时，细化的晶粒与单点金刚石刀具接触更加均匀，减小切削刀具跨晶界切削时的阻力及其波动，同时均化切削每个晶粒时刀具所受切削力，使得加工过程更加稳定，提高了铈镧合金加工精度。
采用空化射流对铈镧合金进行表面纳米晶化处理具有以下优点：
1)、采用空化射流工艺对铈镧合金工件表面进行纳米晶化使材料表面组织结构产生均匀纳米晶粒。采用单点金刚石机床加工纳米晶化后的铈镧合金，使金刚石刀具切削过程中同时切削多个铈镧合金晶粒，均化晶粒各晶向力学差异性，同时细化晶粒将减小晶界面积，进而降低晶界处切削阻力及其波动，提高加工稳定性。
2)、空化射流介质残留在铈镧合金工件表面，在单点金刚石切削时会带走绝大多数的热量，降低工件表面温度，抑制自燃，防止铈镧合金高温相变，提升切削表面质量。
3)、缩小晶粒间距，提高晶粒致密性，阻碍铈镧合金氧化腐蚀进程从而提高铈镧合金耐腐蚀性。
进一步地，喷嘴安装在步骤2)所使用机床的给进平台上，且与单点金刚石加工刀具形成联动系统。
进一步地，空化射流的工艺参数为：喷嘴的直径为1-2.5mm、出口流域压力为10MPa-30MPa、喷嘴的移动速度为1-6mm/min、靶距为10-15mm。
与空化射流加工其他金属不同的是，本方法中的碎晶工艺特别针对铈镧合金。空化射流加工工艺所使用设备并不局限，满足所要求的的工艺参数即可。
进一步地，步骤2)中的切削深度为1-5um。
为了保证切削后剩余部分为纳米晶层，应保证切削深度为1-5um。
进一步地，铈镧合金为单晶铈、双晶铈、多晶铈或铈镧合金的7种固体相。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过先对铈镧合金进行表面纳米晶化处理后采用超精密单点金刚石切削加工。铈镧合金表面已经形成大量排布相对均匀，晶粒大小为纳米级的晶体，在加工时，由于细化的晶粒与单点金刚石刀具接触更加均匀，从而均化了切削每个晶粒时刀具所受切削力，使得加工过程更加稳定，提高了铈镧合金加工精度。
2、本发明采用空化射流进行表面纳米晶化处理与单点金刚石切削工艺配合的方法，射流介质可有效降低铈镧合金加工时工件表面温度，从而抑制铈镧合金自燃，防止铈镧合金高温相变，提升切削表面质量；同时降低传统切削带来的铈镧合金表面、亚表面的损伤。
3、本发明采用空化射流诱导铈镧合金表面纳米晶化，细化的纳米晶层有效缩小了晶粒间距，提高铈镧合金晶粒致密性，阻碍铈镧合金氧化腐蚀进程从而提高铈镧合金耐腐蚀性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为传统单点金刚石车削铈镧合金工艺示意图；
图2为本发明铈镧合金超精密切削工艺示意图；
图3是本发明加工方法所用的车床示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-床身，2-X轴给进平台，3-主轴系统，4-铈镧合金，5-喷嘴，6-喷嘴工装，7-Z轴给进平台，8-刀架，9-单点金刚石加工刀具，11-超精密表面，12-细晶层，13-纳米晶层，14-粗晶应变层，15-基本无应变层，16-切屑，17-纳米晶化晶粒，18-空化气泡，19-射流介质，20-加工火星，21-表面氧化层，22-亚表面损伤层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图2、图3所示，本发明一种铈镧合金的超精密加工方法，本实施例中所用铈镧合金厚度约为5mm片状样品。铈镧合金的化学性质活泼，表面极易氧化，本实例不提供任何防氧化保护，故样品表面在加工前已经产生氧化层。且该铈镧合金加工前未经任何的特殊处理，晶粒粗大，在200μm量级。选择由蓄水罐、进给泵、调压阀、空化容器、喷嘴等组成的空化射流系统执行步骤1)。选择三轴超精密单点金刚石车床执行步骤2)。在进行加工前，应先改造设备使其能够满足本发明专利所提供的工艺方案。空化射流喷嘴装置装配于车床Z轴刀架右侧，与单点金刚石加工刀具9形成联动系统。设置步骤1)、步骤2)加工工艺参数即可进行加工。
三轴超精密单点金刚石车床的具体结构如图3所示：
包括大理石制造的床身1，床身1上设置有X轴给进平台2、Z轴给进平台7、主轴系统3，所述主轴系统3用于固定铈镧合金4，床身1上设置有喷嘴工装6和刀架8，所述喷嘴工装6和刀架8为联动系统，喷嘴5装配于在喷嘴工装6上，单点金刚石加工刀具9装配于刀架8上。
1)、空化射流工艺参数从本发明专利所提供的参数范围中选取，具体为：喷嘴直径为1mm、出口流域压力为10MPa、喷嘴移动速度为4mm/min、靶距为10mm。从喷嘴出来的射流在其内部诱使产生空化气泡18，适当设置喷嘴结构与冲击物体表面距离，使射流空化气泡长大，当射流介质19冲击到铈镧合金工件表面时空化泡破裂，由于空泡破裂时产生微射流冲击和爆破冲击，能量高度集中，并局限在非常小的面积上，从而在铈镧合金工件表面局部区域产生极高的冲击压力和应力集中，使铈镧合金晶体表面被迅速破坏，导致铈镧合金表面层应变和应变速率急剧增加,使铈镧合金距表面10-20um深度范围内形成了纳米晶结构，即纳米晶化晶粒17，加工过程中产生切屑16。
2)、设置单点金刚石车削的工艺参数为：切削深度2um，主轴转速为450rpm，进给量为4mm/min。
图2中，铈镧合金从上到下依次为超精密表面11，细晶层12，纳米晶层13，粗晶应变层14和基本无应变层15。
实施例2：
本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
空化射流工艺参数从本发明专利所提供的参数范围中选取，具体为：喷嘴直径为2.5mm、出口流域压力为30MPa、喷嘴移动速度为6mm/min、靶距为15mm；切削深度1um，主轴转速为450rpm，进给量为6mm/min。
实施例3：
本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：
空化射流工艺参数从本发明专利所提供的参数范围中选取，具体为：喷嘴直径为1.5mm、出口流域压力为20MPa、喷嘴移动速度为1mm/min、靶距为12mm，切削深度5um，主轴转速为450rpm，进给量为1mm/min。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铈镧合金的超精密加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、表面纳米晶化处理：利用喷嘴（5）采用空化射流气泡对铈镧合金（4）表面进行冲击，使晶体产生塑性变形，实现材料表面晶体碎化至纳米量级；
2）、超精密单点金刚石切削加工：采用单点金刚石加工刀具（9）和加工工艺对表面经过纳米晶化处理的铈镧合金（4）的表面进行微量切削。
2.根据权利要求1所述的一种铈镧合金的超精密加工方法，其特征在于，所述喷嘴（5）安装在步骤2）所使用机床的给进平台上，且与单点金刚石加工刀具（9）形成联动系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种铈镧合金的超精密加工方法，其特征在于，所述空化射流的工艺参数为：喷嘴（5）的直径为1-2.5mm、出口流域压力为10MPa-30MPa、喷嘴（5）的移动速度为1-6mm/min、靶距为10-15mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种铈镧合金的超精密加工方法，其特征在于，步骤2）中的切削深度为1-5um。
5.根据权利要求1或2所述的一种铈镧合金的超精密加工方法，其特征在于，所述铈镧合金（4）为单晶铈、双晶铈或多晶铈。
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