CN111347812A - 一种制备各种异型超导块材的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备各种异型超导块材的方法，包括如下步骤：使用三维数控雕刻机，根据所需的超导组件的形状尺寸，用计算机软件绘制相应的图形，然后把图形文件输入到精雕软件，制作好雕刻路径后，把路径文件输入到雕刻机运动控制系统；根据目标超导块材的尺寸和磁悬浮力要求，选择适当形状的单畴超导块材原料，将原料固定于雕刻机的加工平台上，配合路径文件调整工件的零点；雕刻机运动控制系统驱动雕刻机主机按照设定的路径对工件进行雕刻加工。该方法与通常的机加工方式相比，雕刻机体积小，易操作，耗时短，成品率高，加工费用低。

Description

一种制备各种异型超导块材的方法
技术领域
本发明涉及一种制备各种异型REBaCuO高温超导块材的方法。属于高温超导材料加工技术领域。
背景技术
REBCO(RE：Y，Gd，Eu，Sm，Nd)超导块材作为高温超导材料研究的一个分支，由于具有优越的超导性能，如自稳定磁悬浮特性和高场磁通俘获能力。在磁悬浮轴承、飞轮储能、磁分离装置等领域有广阔的应用前景。目前，结合顶部籽晶技术的熔融织构生长工艺是制备高性能大尺寸超导块材的通用技术，由于REBaCuO超导块材的高度各向异性，所以籽晶技术的引入使生长单一取向的REBaCuO超导块材成为现实。然而，这是一种在籽晶引导下的定向外延凝固生长技术，对籽晶与母体的放置有一定的要求，通常只适合生长规则形状的超导块材，例如圆柱体、长方体、正六边形等。另外，由于生长高性能单畴高温超导块材的过程相对时间较长，对于制备尺寸较大的单畴超导块材难度较大，成品率较低，而且大尺寸超导块材的超导性能也有所降低。因此，在许多实际应用中，不仅对超导块材的形状有许多特殊要求，而且需要通过拼接满足大尺寸的需求，例如超导磁浮轴承应用中要求使用环形的超导块材组合。通常采用对熔融织构超导块材后加工的方式达到应用要求的形状和尺寸，对于简单的形状使用金刚石锯进行切割即可完成，而对于形状较为复杂，尺寸精度要求高的组合，一般采用机加工的方法。但是，在实际操作中，以上两种加工方式存在许多不便之处。例如，利用金刚石锯只能进行简单的线性切割，而且很难保证加工精度；机加工虽然可以保证加工精度，但对于加工复杂的形状一方面要设计不同的夹具，其次耗时较长，而且在用夹具固定过程中，容易对超导块材造成损伤，导致成品率的大幅度降低。另外，较复杂形状的异型超导组合很难用普通机加工方式实现，这在很大程度上，限制了超导块材在许多方面的应用。
综上所述，寻求一种简单易行的超导块材的加工方式是当务之急。由于超导块材本质上属于陶瓷类，脆性大，硬度高，而且易解理，后加工的能力低，因此，高效可行的超导块材的后加工方式成为急需解决的技术难题。
三维数控雕刻机由计算机、雕刻机控制器、雕刻机主机三部分组成。工作原理是通过计算机内配置的专用作图软件与精雕软件进行设计和雕刻路径制作，并由计算机把路径文件传送至雕刻机控制器中，再由控制器把这些路径文件信息转化成能驱动步进电机或伺服电机的带有功率的信号(脉冲串)，控制雕刻机主机生成X，Y，z三轴的雕刻走刀路径。同时，通过在雕刻机的高速旋转头上安装的按加工材质配置的刀具，对固定于主机工作台上的加工材料进行切削，即可雕刻出在计算机中设计的各种平面或立体的浮雕图形，实现雕刻自动化作业。目前，使用三维数控雕刻机加工异型高温超导块材的方法尚未见报道。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供一种采用三维数控雕刻技术制备各种异型超导块材的方法，在超导块材的后加工中首次引入雕刻技术，一方面通过路径设计可以一次性实现比较复杂形状的加工，大大提高了加工效率；另一方面，由于一次定位可以进行多次的切割打磨，避免了多次使用夹具可能对超导块材造成的损伤，因此从根本上解决了单畴高温超导块材后加工的成品率问题，也解决了薄壁工件的加工问题。
为实现上述目的，本发明包括如下技术方案：
一种制备各种异型超导块材的方法，包括如下步骤：
I.使用三维数控雕刻机，根据所需的超导组件的形状尺寸，用计算机软件绘制相应的图形，然后把图形文件输入到精雕软件，制作好雕刻路径后，把路径文件输入到雕刻机运动控制系统；
II.根据目标超导块材的尺寸和磁悬浮力要求，选择适当形状的单畴超导块材原料，将原料固定于雕刻机的加工平台上，配合路径文件调整工件的零点；
III.雕刻机运动控制系统驱动雕刻机主机按照设定的路径对工件进行雕刻加工。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述三维数控雕刻机的机型选自金属雕刻机、石材雕刻机、玻璃雕刻机或模具雕刻机。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述运动控制系统支持CAD/CAM软件生成的G代码、PLT代码格式和精雕加工文件ENG代码格式。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述CAD/CAM软件包括AutoCAD、Art CAM、UG、MASTERCAM、CASMATE、CorelDraw。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述运动控制系统为Ncstudio数控系统。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述步骤II的具体操作如下：根据目标超导块材的尺寸和磁悬浮力要求，选择适当形状的单畴超导块材原料，把单畴超导块材沿一个侧面用砂盘磨平，作为加工基准面，用粘结剂粘接在一块基板上，然后把基板固定于雕刻机的加工平台上，配合路径文件调整工件的零点。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述粘结剂的特性为：(1)在室温下与超导块材有较高的粘结强度；(2)水等冷却剂对粘结强度没有影响；(3)在加工完成后可以方便地拆卸而对工件没有损伤。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述粘结剂为AB胶体系。
如上所述的制备各种异型超导块材的方法，优选地，所述步骤III雕刻加工操作每次进刀量不大于0.12mm。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种复杂形状单畴熔融织构高温超导块材的加工方法，采用三维数控雕刻机加工成不同形状与规格尺寸的组件，如扇形、瓦状以及更复杂的形状等，便于拼接组合成各种应用所需的形状，实现超导块材的广泛应用。该方法在加工异型超导块材组件时，可以有效防止超导组件的解理损坏，而且可以加工薄壁超导块材组件，不仅耗时短，而且成品率高，这从根本上解决了在单畴高温超导块材的组合应用中制作异型高温超导块材的问题。与通常的机加工方式相比，雕刻机体积小，易操作，耗时短，成品率高，加工费用低。
附图说明
图1是超导块材原料固定于雕刻机加工平台的示意图。
图2是实施例1中超导块材拼接圆环组件示意图。
图3是实施例3中由单块超导块材加工薄壁超导环示意图。
图中标号对应的元件：1电机，2刀具，3超导块材原料，4粘结剂，5人造石板，6固定螺栓及压板，7雕刻机底座。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
用超导块材加工一个圆环(尺寸为外直径80mm，内直径50mm，高15mm)，由圆环内侧提供超导磁悬浮力。
针对上述圆环与超导块材坯体的尺寸，设计把圆环等分为八个部分，每部分由单块超导块材加工而成。结合圆环的用法，即由圆环内侧提供超导磁悬浮力，因此，在加工过程中，必须要求超导块材的顶(上)表面构成内环面，以便于提供最大的磁悬浮力。为此，选用边长32mm，高20mm的长方体单畴超导块材作为加工坯体。
使用3040系列小型精密雕刻机，首先使用Solidworks做图软件，绘制加工工件图(尺寸为外直径80mm，内直径50mm，高15mm，圆心角45°，如图2所示)，然后输出文件1。接着打开精雕软件5.20，输入文件1，制作路径文件，然后再输出路径文件2。接着把路径文件2输入到雕刻机运动控制系统，这就完成了雕刻路径的准备工作。
如图1所示，把单畴超导块材3沿一个侧面(尺寸约32×16mm2)用砂盘磨平，作为加工基准面，用按比例混合好的AB胶4粘接在一块人造石板5上(尺寸100×100mm2)，待AB胶固化后，把人造石板用雕刻机自带的固定螺栓6固定在雕刻机的加工平台7上。然后，配合路径文件调整工件的零点，然后即可按照设定的路径对工件进行雕刻加工。雕刻工序全部结束后，小心卸下加工好的超导组件，每个工件历时30分钟。重复以上步骤，完成八个组件的加工。总耗时约为4小时。
结果表明，由八个组件拼接成的圆环，能够满足用户的要求。需要注意的是，加工过程中，每次进刀量不宜太大，控制在0.1mm左右为宜，否则，不仅容易损坏刀具，而且容易造成工件崩边。
实施例2
用超导块材加工一个圆环(尺寸为外直径80mm，内直径30mm，高16mm)，由圆环上表面提供超导磁悬浮力。
针对上述圆环尺寸，设计把圆环等分为八个部分，每部分由单块超导块材加工而成。结合圆环的用法，即由圆环上表面提供超导磁悬浮力，因此，在加工过程中，必须要求超导块材的顶(上)表面构成圆环上表面，以便于提供最大的磁悬浮力。为此，选用边长32mm，高20mm的长方体单畴超导块材作为加工坯体。
使用3040系列小型精密雕刻机，首先使用Solidwork做图软件，绘制加工工件图(尺寸为外直径80mm，内直径30mm，高16mm，圆心角45°)，然后输出文件1。接着打开精雕软件5.20，输入文件1，制作路径文件，然后再输出路径文件2。接着把路径文件2输入到雕刻机运动控制系统，这就完成了雕刻路径的准备工作。
把单畴超导块材沿上表面(尺寸约32×32mm2)用砂盘磨平，作为加工基准面，用按比例混合好的AB胶粘接在一块人造石板上(尺寸100×100mm2)，待AB胶固化后，把人造石板用雕刻机自带的固定螺栓固定在雕刻机的加工平台上。然后，配合路径文件调整工件的零点，然后即可按照设定的路径对工件进行雕刻加工。雕刻工序全部结束后，小心卸下加工好的超导组件。重复以上步骤，完成八个组件的加工。
结果表明，由八个组件拼接成的圆环，能够满足用户的要求。需要注意的是，加工过程中，每次进刀量不宜太大，控制在0.1mm左右为宜，否则，不仅容易损坏刀具，而且容易造成工件崩边。另外，由于粘接面平行于超导样品的a-b解理面，如果拆卸不当，加工好的工件很容易解理，因此，必须小心拆卸。
实施例3
用超导块材加工一个圆环(尺寸为外直径15mm，内直径10mm，高15mm)，由圆环上表面提供超导磁悬浮力。
针对上述圆环与超导块材坯体的尺寸，设计用单块超导块材坯体加工。结合圆环的用法，即由圆环上表面提供超导磁悬浮力，因此，在加工过程中，必须要求超导块材的顶(上)表面构成圆环上表面，以便于提供最大的磁悬浮力。为此，选用直径18mm，高17mm的圆柱形单畴超导块材作为加工坯体。
使用3040系列小型精密雕刻机，首先使用Solidworks做图软件，绘制加工工件图(尺寸为外直径15mm，内直径10mm，高15mm，如图3所示)，然后输出文件1。接着打开精雕软件5.20，输入文件1，制作路径文件，然后再输出路径文件2。接着把路径文件2输入到雕刻机运动控制系统，这就完成了雕刻路径的准备工作。
把单畴超导块材沿上表面用砂盘磨平，作为加工基准面，用按比例混合好的AB胶粘接在一块人造石板上(尺寸100×100mm2)，待AB胶固化后，把人造石板用雕刻机自带的固定螺栓固定在雕刻机的加工平台上。然后，配合路径文件调整工件的零点，然后即可按照设定的路径对工件进行雕刻加工。雕刻工序全部结束后，小心卸下加工好的超导组件。
结果表明，使用雕刻机可以成功制作壁厚只有2.5mm的薄壁超导环。根据孔的尺寸，采用合适的刀具，和通过钻孔与扩孔等加工方式，可以使开孔很规则，而且耗时短，对超导块材的超导性能影响可以降到最低，完全能够满足用户的使用需求。需要注意的是，加工过程中，每次进刀量不宜太大，控制在0.1mm左右为宜，否则，不仅容易损坏刀具，而且容易造成工件崩边。另外，由于粘接面平行于超导样品的a-b解理面，如果拆卸不当，加工好的工件很容易解理，因此，必须小心拆卸。
对比例1
用超导块材加工一个圆环(尺寸为外直径43mm，内直径23mm，高16mm)，由圆环内表面提供超导磁悬浮力。
针对上述圆环尺寸，设计把圆环等分为5个部分，每部分由单块超导块材加工而成。结合圆环的用法，即由圆环内表面提供超导磁悬浮力，因此，在加工过程中，必须要求超导块材的顶(上)表面构成圆环内表面，以便于提供最大的磁悬浮力。为此，选用长28mm，宽17高20mm的长方体单畴超导块材作为加工坯体。
选用机加工方式，首先根据加工工件图(尺寸为外直径43mm，内直径23mm，高16mm，圆心角72°)，设计制作夹具，然后先加工一个基准面，在此基础上再把超导坯体加工成一个梯形(中心角72°)，接着进行内外圆加工，最终得到符合设计尺寸的超导组件。重复以上步骤，完成5个组件的加工。总耗时约为20小时，是用雕刻机的5倍。
结果表明，由普通机加工方式加工得到的超导组件，虽然加工精度较高，但是超导组件崩边现象比较严重，而且超导块材组件中本征的微裂纹被扩展了，一方面导致超导性能降低，另一方面，超导块材组件容易解理破碎，大大影响了成品率。究其原因，是在加工过程中，由于是通过夹具固定超导块材，使其受力较大而且不同部位受力不均，经过较长时间的加工，导致微裂纹扩展并损坏工件。另外，用普通机加工的方式，很难加工薄壁的超导块材工件。

Claims (9)

1.一种制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
I.使用三维数控雕刻机，根据所需的超导组件的形状尺寸，用计算机软件绘制相应的图形，然后把图形文件输入到精雕软件，制作好雕刻路径后，把路径文件输入到雕刻机运动控制系统；
II.根据目标超导块材的尺寸和磁悬浮力要求，选择适当形状的单畴超导块材原料，将原料固定于雕刻机的加工平台上，配合路径文件调整工件的零点；
III.雕刻机运动控制系统驱动雕刻机主机按照设定的路径对工件进行雕刻加工。
2.如权利要求1所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述三维数控雕刻机的机型选自金属雕刻机、石材雕刻机、玻璃雕刻机或模具雕刻机。
3.如权利要求2所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述运动控制系统支持CAD/CAM软件生成的G代码、PLT代码格式和精雕加工文件ENG代码格式。
4.如权利要求2所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述CAD/CAM软件包括AutoCAD、Art CAM、UG、MASTERCAM、CASMATE、CorelDraw。
5.如权利要求2所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述运动控制系统为Ncstudio数控系统。
6.如权利要求1所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述步骤II的具体操作如下：根据目标超导块材的尺寸和磁悬浮力要求，选择适当形状的单畴超导块材原料，把单畴超导块材沿一个侧面用砂盘磨平，作为加工基准面，用粘结剂粘接在一块基板上，然后把基板固定于雕刻机的加工平台上，配合路径文件调整工件的零点。
7.如权利要求6所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述粘结剂的特性为：(1)在室温下与超导块材有较高的粘结强度；(2)水等冷却剂对粘结强度没有影响；(3)在加工完成后可以方便地拆卸而对工件没有损伤。
8.如权利要求6所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述粘结剂为AB胶体系。
9.如权利要求1-8中任一项所述的制备各种异型超导块材的方法，其特征在于，所述步骤III雕刻加工操作每次进刀量不大于0.12mm。
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