CN110434448A - 硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法 - Google Patents

硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，先在硬脆性材料工件的待加工表面上加工形成微织构，随后对所述待加工表面予以切削加工。在待加工表面加工设定的微织构后，硬脆性材料工件的表面在微织构区域产生应力集中，进而诱导硬脆性材料产生裂纹，在后续切削加工中预制的萌生裂纹产生精密扩展，并且可减轻切削加工过程中硬脆性材料对切削刀具的冲击作用，从而提高硬脆性材料的切削加工性能和加工表面质量，增加刀具寿命。该辅助加工方法具有成本低、灵活方便、实用性强且易于推广的优点，可以从本质上改善硬脆性材料切削加工性能。

Description

硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法
技术领域
本发明涉及难加工材料高效切削加工领域，具体涉及一种硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法。
背景技术
随着航空航天、武器装备制造、微电子机械系统等国防及民用领域的迅速发展，硬脆性材料零件如光学镜片、蓝宝石玻璃、晶体硅等的高精密切削加工的需求也在不断增加。而由于硬脆性材料切削加工时在切削加工区极易形成裂纹和残余应力，造成加工表面和亚表面损伤过大，导致加工质量恶化难以实现硬脆性材料的高精密切削加工，因此硬脆性材料的高精密切削加工为制造业的迅速发展带来了前所未有的挑战。
决定硬脆性材料切削加工性能的是其材料成分、微观组织及力学性能等材料属性，而硬脆材料的高脆性、高硬度、微裂纹、低塑性等性能是导致硬脆性材料加工性能差的共性原因，从而导致普通切削过程产生变质层、表面/亚表面裂纹、残余应力、表面微破碎、相变区域等多种类型的损伤。
提高硬脆性材料切削加工性能的手段，除了被动控制方法，如改善刀具材料、刀具结构或切削工艺等，还可以通过改变硬脆性材料的物理力学性能，如改变其化学成分、晶体结构、孔隙、表面微结构等，进而实现硬脆性材料高质量切削的主动控制。
目前用来抑制硬脆性材料脆性崩裂的方法有离子注入法，即将特定离子打入硬脆性材料基体内部中，使其成分与组成结构发生改变，进而改善其断裂韧性。然而，离子注入导致的硬脆性材料表面改性层不易控制，深度较浅，且难以保证其均匀性，因此该方法并不能显著改善硬脆性材料的拉伸断裂极限，无法解决边缘塌陷的问题。
另外，为解决边缘塌陷的问题，目前有在硬脆性材料零件边缘涂覆一层辅助支撑材料的方法，来提高工件在加工过程中边缘处的结构强度，进而改善其崩边断裂现象。然而，在硬脆性材料去除过程中，该方法对零件的其他位置上的脆性裂纹扩展崩裂问题尚不能够有效解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，以提高硬脆性材料的切削加工性能与加工表面质量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，先在硬脆性材料工件的待加工表面上加工形成微织构，随后对所述待加工表面予以切削加工，并将所述的微织构全部切除。
优选地，所述微织构的厚度等于所述待加工表面的总切削深度。
进一步地，单次切削加工的切削深度小于或等于所述微织构的厚度。
优选地，采用激光器或强流脉冲电子束设备或离子刻蚀设备在所述待加工表面上加工形成所述的微织构。
进一步地，所述的激光器为飞秒激光器或皮秒激光器或纳秒激光器。
优选地，所述微织构为在所述待加工表面上呈阵列分布的规则结构。
优选地，所述微织构为微沟槽、微凹坑，或者微沟槽与微凹坑的复合织构。
优选地，所述的硬脆性材料为陶瓷、玻璃或半导体。
优选地，利用有限元仿真软件建立所述硬脆性材料工件织构化的残余应力模型，并根据所述残余应力模型中显示的应力分布情况确定在所述待加工表面上形成的所述微织构形态及其分布阵列与分布密度。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其中通过先在硬脆性材料工件的待加工表面上加工形成微织构而进行表层织构化处理，再对待加工表面予以切削加工。在待加工表面加工设定的微织构后，硬脆性材料工件的表面在微织构区域产生应力集中，进而诱导硬脆性材料产生裂纹，在后续切削加工中预制的萌生裂纹产生精密扩展，并且可减轻切削加工过程中硬脆性材料对切削刀具的冲击作用，从而提高硬脆性材料的切削加工性能和加工表面质量，增加刀具寿命。该辅助加工方法具有成本低、灵活方便、实用性强且易于推广的优点，可以从本质上改善硬脆性材料切削加工性能。
附图说明
附图1为本发明的加工方法的流程示意图；
附图2为实施例1中BK7玻璃工件在加工微织构后的表面形貌图，其中a为侧视图，b为顶视图；
附图3为实施例1的玻璃工件在经织构化处理前后的加工表面形貌对比，其中a为无织构化处理的工件，b为经过织构化处理的工件；
附图4为实施例1的玻璃工件在经织构化处理前后的切削力对比，其中4a为无织构化处理的工件，4b为经过织构化处理的工件。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
本发明的一种硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，参见图1所示，具体为，先在硬脆性材料工件的待加工表面上加工形成微织构，随后对该待加工表面予以切削加工，将加工形成的微织构全部切除，即可完成对待加工表面的切削加工。
通过在待加工表面上先加工微织构而对其进行表层织构化处理，从而能够在待加工表面上萌生裂纹，使其表面弱化，随后再采用切削刀具对该待加工表面予以切削加工。由大量实验研究发现，经过上述辅助加工方法加工获得的加工表面的粗糙度显著降低，同时加工效率和刀具寿命均能够得到显著提升。
具体地，在待加工表面上加工形成的微织构的厚度等于待加工表面的总切削深度，单次切削加工时的切削深度小于或等于微织构的厚度。
硬脆性材料可以为陶瓷、玻璃或半导体，微织构优选为在待加工表面上呈阵列分布的规则结构，其具体可选用微沟槽、微凹坑，或者微沟槽与微凹坑的复合织构。该微织构可以采用飞秒/皮秒/纳秒激光器，或者强流脉冲电子束设备，又或者离子刻蚀设备在待加工表面上加工而形成。
在实际加工中，可以利用有限元仿真软件ABAQS建立织构化的硬脆性材料工件的残余应力模型，并根据该残余应力模型中显示的应力分布情况确定待加工表面上形成的微织构的形态及其分布阵列与分布密度。
实施例1
本实施例中，待加工的硬脆性材料工件的材质为BK7玻璃，其切削加工要求为：切削深度0.10mm。
首先，利用有限元仿真软件ABAQS建立该表面织构化的BK7玻璃残余应力模型，根据该残余应力模型选定微织构的形态为微沟槽，其沟槽的宽度为50 μm，分布密度为45%。
接着，采用800nm波长的线性偏振飞秒激光（脉宽为100飞秒，重复频率为1 KHz）在待加工表面上制备微织构，通过控制激光器的脉冲能量（5 μJ），频率（500 Hz），扫描次数（1遍），以及电脑控制三维移动平台的移动在玻璃工件表面加工沟槽状微织构，获取仿真结果所要求的微织构结构参数。
随后，使用YG6硬质合金刀具（型号：41605N）对工件材料表面织构化处理层进行切削加工，采用直角切削方式，切深为0.10mm，切削速度为150m/min。
最后，对工件加工表面粗糙度、微观形貌等表面质量进行观测，观察刀具磨损等，参见图2至图4所示。实验结果显示，在相同切削条件下，与无织构化处理的BK7玻璃工件相比，织构化处理的工件（即表面加工有微织构的工件）加工表面粗糙度降低45%，表面无明显微观缺陷，刀具磨损得到显著改善。
实施例2
本实施例中，待加工的硬脆性材料工件的材质为单晶碳化硅，其切削加工要求为：切削深度0.05mm。
首先，利用有限元仿真软件ABAQS建立该表面织构化的单晶碳化硅残余应力模型，根据该残余应力模型选定微织构的形态为微凹坑，其凹坑的宽度为30 μm，分布密度为30%。
接着，使用强流脉冲电子束设备（脉宽3.0 μs，脉冲频率0.1 Hz）在待加工表面上制备微织构，通过控制激光器的加速电压（30 kV），脉冲次数（18次），以及电脑控制三维移动平台的移动在单晶碳化硅件表面加工凹坑状微织构，获取仿真结果所要求的微织构结构参数。
随后，使用PVD TiAlN涂层硬质合金刀具对工件材料表面织构化处理层进行切削加工，采用直角切削方式，切深为0.05mm，切削速度为100m/min。
最后，对工件加工表面粗糙度、微观形貌等表面质量进行观测，观察刀具磨损等。实验结果显示，在相同切削条件下，与无织构化处理的单晶碳化硅工件相比，织构化工件加工表面粗糙度降低35%，表面无明显微观缺陷，刀具磨损得到显著改善。
综上，本发明的辅助加工方法，其中通过先在硬脆性材料工件的待加工表面上加工形成微织构，从而能够在该待加工表面上萌生裂纹和结构改变，该改变包括表层的晶粒尺寸、晶格位向以及相变等。在待加工表面加工设定的微织构而对其进行表层织构化处理后，硬脆性材料工件的表面在微织构区域产生应力集中，进而诱导硬脆性材料产生裂纹，在后续切削加工中预制的萌生裂纹产生精密扩展，并且可减轻切削加工过程中硬脆性材料对切削刀具的冲击作用，从而提高硬脆性材料的切削加工性能和加工表面质量，增加刀具寿命。该辅助加工方法具有成本低、灵活方便、实用性强且易于推广的优点，可以从本质上改善硬脆性材料切削加工性能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：先在硬脆性材料工件的待加工表面上加工形成微织构，随后对所述待加工表面予以切削加工，并将所述的微织构全部切除。
2.根据权利要求1所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：所述微织构的厚度等于所述待加工表面的总切削深度。
3.根据权利要求2所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：单次切削加工的切削深度小于或等于所述微织构的厚度。
4.根据权利要求1所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：采用激光器或强流脉冲电子束设备或离子刻蚀设备在所述待加工表面上加工形成所述的微织构。
5.根据权利要求4所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：所述的激光器为飞秒激光器或皮秒激光器或纳秒激光器。
6.根据权利要求1所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：所述微织构为在所述待加工表面上呈阵列分布的规则结构。
7.根据权利要求1所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：所述微织构为微沟槽、微凹坑，或者微沟槽与微凹坑的复合织构。
8.根据权利要求1所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：所述的硬脆性材料为陶瓷、玻璃或半导体。
9.根据权利要求1至8任一项所述的硬脆性材料的表层织构化处理辅助加工方法，其特征在于：利用有限元仿真软件建立所述硬脆性材料工件织构化的残余应力模型，并根据所述残余应力模型中显示的应力分布情况确定在所述待加工表面上形成的所述微织构形态及其分布阵列与分布密度。
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