CN111231137B - 一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统及方法，所述切削系统包括切削机床、直流电源、辅助电极、碳化硼基陶瓷工件和电解液，所述碳化硼基陶瓷工件采用碳化硼基陶瓷材料制成；所述直流电源、辅助电极、碳化硼基陶瓷工件和电解液构成电解系统，所述碳化硼基陶瓷工件装夹在切削机床上，且与直流电源的正极连接，所述辅助电极与直流电源的负极连接，所述电解液喷射在辅助电极和碳化硼基陶瓷工件之间。本发明利用电化学作用对碳化硼基陶瓷材料表面进行腐蚀，结合切削机床实现对碳化硼基陶瓷材料的切削加工。

Description

一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统及方法
技术领域
本发明涉及碳化硼基陶瓷材料的加工技术领域，具体涉及一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统及方法。
背景技术
碳化硼基陶瓷以碳化硼(B4C)作为基体材料，添加烧结助剂(添加剂)，通过加压加热烧结成形。碳化硼是仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料，碳化硼基陶瓷具有超高硬度和断裂韧性值低的特点，无法采用车削、铣削等切削加工方法进行加工，只能采用磨削和研磨方法进行精密加工。由于加工容易产生裂纹崩渣，磨削加工必须控制切削参数，加工效率极低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统及方法，以解决碳化硼基陶瓷材料因具有超高硬度和断裂韧性值低的特点无法采用车削、铣削等切削加工方法进行加工的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工方法，利用电化学作用对碳化硼基陶瓷材料表面进行腐蚀，结合切削机床实现对碳化硼基陶瓷材料的切削加工。
碳化硼基陶瓷材料因为硬度大、断裂韧性值低，传统的认识是无法进行切削加工的。
本发明克服了技术偏见：
本发明提出的利用电化学作用对碳化硼基陶瓷材料表面进行腐蚀，在表层形成多孔结构，降低表面硬度，降低切削加工抗力，使原来的不可切削加工变成可切削加工，这种工艺思路具有创新性。
进一步地，电化学作用为：
以碳化硼基陶瓷工件、辅助电极和直流电源构建电解系统，所述碳化硼基陶瓷工件采用碳化硼基陶瓷材料制成，在碳化硼基陶瓷工件和辅助电极之间喷射电解液，当直流电源供电后，发生电解反应。
进一步地，包括以下步骤：
1)、将碳化硼基陶瓷工件装夹在切削机床上；
2)、利用直流电源、辅助电极、碳化硼基陶瓷工件和电解液构建电解系统，启动直流电源，发生电解反应，碳化硼基陶瓷工件表面中的碳化硼成分被分解，使碳化硼基陶瓷工件表面一定深度内仅剩烧结助剂成分，形成多孔结构层；
3)、启动切削机床，使切削刀具与碳化硼基陶瓷工件之间产生相对运动进行切削，在切削过程中，确保碳化硼基陶瓷工件与辅助电极之间的电解反应稳定进行；
4)、控制切削刀具的切削深度，使切削深度与碳化硼基陶瓷工件表面的多孔结构层的深度匹配，切削刀具在碳化硼基陶瓷工件的多孔结构层内发生切削作用，将多孔结构层去除，露出致密的碳化硼基陶瓷工件表面；
5)、在电化学作用下，露出的碳化硼基陶瓷工件表面中的碳化硼成分再次被分解带走，再次形成多孔结构层，在切削作用下多孔结构层再次被去除，如此循环，实现碳化硼基陶瓷工件的切削加工。
切削深度与碳化硼基陶瓷工件表面的多孔结构层的深度匹配，能够确保切削作用只发生在表面仅剩烧结助剂的多孔结构层内，不会发生在致密的碳化硼基陶瓷内，这样就可以避免切削力过大在碳化硼基工件上产生裂纹崩渣，同时降低刀具磨损。
切削深度是实现碳化硼基陶瓷工件稳定切削的重要参数，其具体值需要根据具体工况，通过工艺试验获取。
本发明提出的利用电化学作用对碳化硼基陶瓷材料表面进行腐蚀，碳化硼基陶瓷工件表面一定深度内的碳化硼成分被电化学作用分解并被流动的电解液带走，使原本致密的工件表面在一定深度内仅剩烧结助剂成分，在表层形成多孔结构，降低表面硬度，降低切削加工抗力，使原来的不可切削加工变成可切削加工，与此同时，在切削机床的驱动下，切削刀具与工件发生相对运动，切削刀具在工件的多孔结构层内发生切削作用，将多孔结构层去除，露出致密的工件表面；在电化学作用下，露出的工件表面碳化硼成分再次被分解带走，再次形成多孔结构层，在切削作用下多孔结构层再次被去除，如此循环，实现碳化硼基陶瓷的切削加工，这种工艺思路具有创新性。
进一步地，直流电源的参数为：电压5-25V，电流根据工件的大小、加工速率进行选取。
进一步地，碳化硼基陶瓷材料为以碳化硼作为基体材料，添加TiB2或Al2O3作为烧结助剂的陶瓷材料，或者为同时添加TiB2和Al2O3这两种烧结助剂的陶瓷材料。
一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统，包括切削机床、直流电源、辅助电极、碳化硼基陶瓷工件和电解液，所述碳化硼基陶瓷工件采用碳化硼基陶瓷材料制成；
所述直流电源、辅助电极、碳化硼基陶瓷工件和电解液构成电解系统，所述碳化硼基陶瓷工件装夹在切削机床上，且与直流电源的正极连接，所述辅助电极与直流电源的负极连接，所述电解液喷射在辅助电极和碳化硼基陶瓷工件之间。
进一步地，切削机床为车床、加工中心、刨床或者磨床，机床的类型需要根据工件的加工特征进行选择。
进一步地，切削机床上设置用于安装切削刀具的主轴和用于安装碳化硼基陶瓷工件的工作台面。
进一步地，还包括电解液箱、增压泵和流量控制阀；
所述电解液箱上设置有管道，所述增压泵和流量控制阀设置在管道上。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提出的利用电化学作用对碳化硼基陶瓷材料表面进行腐蚀，碳化硼基陶瓷工件表面一定深度内的碳化硼成分被电化学作用分解并被流动的电解液带走，使原本致密的工件表面在一定深度内仅剩烧结助剂成分，在表层形成多孔结构，降低表面硬度，降低切削加工抗力，使原来的不可切削加工变成可切削加工，与此同时，在切削机床的驱动下，切削刀具与工件发生相对运动，切削刀具在工件的多孔结构层内发生切削作用，将多孔结构层去除，露出致密的工件表面；在电化学作用下，露出的工件表面碳化硼成分再次被分解带走，再次形成多孔结构层，在切削作用下多孔结构层再次被去除，如此循环，实现碳化硼基陶瓷的切削加工；克服了传统观念认为碳化硼基陶瓷材料不能进行切削加工的技术偏见。
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为切削系统的示意图；
图2为切削过程分解示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-切削机床，2-切削刀具，3-主轴，4-流量控制阀，5-辅助电极，6-直流电源，7-增压泵，8-电解液箱，9-碳化硼基陶瓷工件，10-电解液，11-工作台面。
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1、图2所示，一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统，包括切削机床1、直流电源6、辅助电极5、碳化硼基陶瓷工件9和电解液10，所述碳化硼基陶瓷工件9采用碳化硼基陶瓷材料制成；
所述直流电源6、辅助电极5、碳化硼基陶瓷工件9和电解液10构成电解系统，所述碳化硼基陶瓷工件9装夹在切削机床1上，且与直流电源6的正极连接，所述辅助电极5与直流电源6的负极连接，所述电解液10喷射在辅助电极5和碳化硼基陶瓷工件9之间。
具体地：所述切削机床1上设置用于安装切削刀具2的主轴3和用于安装碳化硼基陶瓷工件9的工作台面11；切削加工系统还包括电解液箱8、增压泵7和流量控制阀4；
所述电解液箱8上设置有管道，所述增压泵7和流量控制阀4设置在管道上。
本实施例中，所述碳化硼基陶瓷材料为以碳化硼作为基体材料，添加TiB2作为烧结助剂的陶瓷材料。
基于切削系统的加工方法，上述包括以下步骤：
1)、将碳化硼基陶瓷工件9装夹在切削机床1上的工作台面11上；
2)、利用直流电源6、辅助电极5、碳化硼基陶瓷工件9和电解液10构建电解系统，启动直流电源6，发生电解反应，碳化硼基陶瓷工件9表面中的碳化硼成分被分解，使碳化硼基陶瓷工件9表面一定深度内仅剩TiB2成分，形成多孔结构层；
3)、启动切削机床1，使切削刀具2与碳化硼基陶瓷工件9之间产生相对运动进行切削，在切削过程中，确保碳化硼基陶瓷工件9与辅助电极5之间的电解反应稳定进行；
4)、控制切削刀具2的切削深度，使切削深度与碳化硼基陶瓷工件9表面的多孔结构层的深度匹配，切削刀具2在碳化硼基陶瓷工件9的多孔结构层内发生切削作用，将多孔结构层去除，露出致密的碳化硼基陶瓷工件9表面；
5)、在电化学作用下，露出的碳化硼基陶瓷工件9表面中的碳化硼成分再次被分解带走，再次形成多孔结构层，在切削作用下多孔结构层再次被去除，如此循环，实现碳化硼基陶瓷工件9的切削加工。
本实施例中，碳化硼基陶瓷工件9的尺寸为100*60*20mm，辅助电极5的直径为10mm，作用于铣刀前方20mm处，切削刀具2的直径为5mm，进给速度5mm/min，分层铣削，每层深度0.1mm；直流电源6的电流为25A，电压为12V。
本实施例的技术效果为：
碳化硼基陶瓷工件的去除速率为2mm3/min，可稳定加工，不会在工件上产生裂纹和崩渣。
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具体实施方式而已，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 (7)

1.一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工方法，其特征在于，利用电化学作用对碳化硼基陶瓷材料表面进行腐蚀，结合切削机床（1）实现对碳化硼基陶瓷材料的切削加工；
具体包括以下步骤：
1）、将碳化硼基陶瓷工件（9）装夹在切削机床（1）上；
2）、利用直流电源（6）、辅助电极（5）、碳化硼基陶瓷工件（9）和电解液（10）构建电解系统，所述碳化硼基陶瓷工件（9）采用碳化硼基陶瓷材料制成，在碳化硼基陶瓷工件（9）和辅助电极（5）之间喷射电解液（10），启动直流电源（6），发生电解反应，碳化硼基陶瓷工件（9）表面中的碳化硼成分被分解，使碳化硼基陶瓷工件（9）表面一定深度内仅剩烧结助剂成分，形成多孔结构层；
3）、启动切削机床（1），使切削刀具（2）与碳化硼基陶瓷工件（9）之间产生相对运动进行切削，在切削过程中，确保碳化硼基陶瓷工件（9）与辅助电极（5）之间的电解反应稳定进行；
4）、控制切削刀具（2）的切削深度，使切削深度与碳化硼基陶瓷工件（9）表面的多孔结构层的深度匹配，切削刀具（2）在碳化硼基陶瓷工件（9）的多孔结构层内发生切削作用，将多孔结构层去除，露出致密的碳化硼基陶瓷工件（9）表面；
5）、在电化学作用下，露出的碳化硼基陶瓷工件（9）表面中的碳化硼成分再次被分解带走，再次形成多孔结构层，在切削作用下多孔结构层再次被去除，如此循环，实现碳化硼基陶瓷工件（9）的切削加工。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工方法，其特征在于，所述直流电源（6）的参数为：电压5-25V。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工方法，其特征在于，所述碳化硼基陶瓷材料为以碳化硼作为基体材料，添加TiB2或Al2O3 作为烧结助剂的陶瓷材料，或者为同时添加TiB2和Al2O3这两种烧结助剂的陶瓷材料。
4.一种用于如权利要求1-3任一项所述切削加工方法的碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统，其特征在于，包括切削机床（1）、直流电源（6）、辅助电极（5）、碳化硼基陶瓷工件（9）和电解液（10），所述碳化硼基陶瓷工件（9）采用碳化硼基陶瓷材料制成；
所述直流电源（6）、辅助电极（5）、碳化硼基陶瓷工件（9）和电解液（10）构成电解系统，所述碳化硼基陶瓷工件（9）装夹在切削机床（1）上，且与直流电源（6）的正极连接，所述辅助电极（5）与直流电源（6）的负极连接，所述电解液（10）喷射在辅助电极（5）和碳化硼基陶瓷工件（9）之间。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统，其特征在于，所述切削机床（1）为车床、加工中心、刨床或者磨床。
6.根据权利要求4所述的一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统，其特征在于，所述切削机床（1）上设置用于安装切削刀具（2）的主轴（3）和用于安装碳化硼基陶瓷工件（9）的工作台面（11）。
7.根据权利要求4所述的一种碳化硼基陶瓷材料的切削加工系统，其特征在于，还包括电解液箱（8）、增压泵（7）和流量控制阀（4）；
所述电解液箱（8）上设置有管道，所述增压泵（7）和流量控制阀（4）设置在管道上。
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