CN112091806A - 一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，采用具有剪切增稠效应与化学腐蚀作用的力流变液作为基液，在化学基液中添加一定量一定规格的磨粒，制备化学辅助力流变抛光液；通过真空泵，使吸盘夹具端产生负压，工件的平面被大气压强牢牢固定在吸盘夹具上；抛光液中的化学试剂在氧化锆陶瓷表面从外向内形成质地均匀的软质层，当工件与化学辅助力流变抛光液的相对速度达到一定值时，力流变抛光液会在工件接触区形成柔性“类固着磨具”，包裹磨粒对软质层表面微凸峰进行切削去除。本发明将吸持夹紧工件的方法与化学辅助力流变抛光的方法相结合，提供一种高效、成本低、高质量的氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光加工方法。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，特别涉及一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法。
背景技术
抛光技术是降低表面粗糙度，获得无损伤、光滑表面的最终加工手段，是超精密加工最主要的一种加工方法。化学辅助力流变抛光作为一种基于非牛顿流体剪切增稠效应与化学腐蚀作用相结合的新型抛光方法被提出，其以具有剪切增稠特性的非牛顿流体作为基液，结合化学试剂的腐蚀作用，配制抛光液，利用化学腐蚀作用，与抛光液的剪切增稠特性实现高效高质量抛光。由于化学辅助力流变抛光液具有很好的流动特性，因此其形成的柔性“类固着磨具”可以与不同曲率的曲面都保持良好的吻合度，从而能用于复杂形状工件的抛光。
功能陶瓷是近年来发展最快的新材料之一。压电氧化锆陶瓷半球具有特殊优异的综合性能，在电子计算机、航空、航天等领域获得广泛的运用。但其作为特殊的工程材料，使得对其表面质量的加工要求也日益提高，如工件表面平整光洁、几何尺寸均匀和表面层低损伤等。传统抛光方法，不能很好地对复杂曲面零件进行抛光，存在一定的加工局限性，且抛光液价格昂贵，抛光效率低。
发明内容
为了克服已有精密加工过程中的抛光效率低、成本高、抛光质量差的不足，本发明提供一种高效、成本低、高质量的氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，采用具有剪切增稠效应与化学腐蚀作用的力流变液作为基液，在加工基液中添加设定量设定规格的磨粒，制备化学辅助力流变抛光液；通过真空泵，使吸盘夹具端产生负压，工件的平面被大气压强牢牢固定在吸盘夹具上；抛光液中的化学试剂在工件表面从外向内形成质地均匀的软质层，当工件与化学辅助力流变抛光液的相对速度达到设定值时，力流变抛光液会在工件接触区形成柔性“类固着磨具”，包裹磨粒对软质层表面微凸峰进行切削去除。
进一步，所述工件与所述抛光盘旋转方向相反。
作为优选，所述工件的自转速度为100rpm～1000rpm，抛光盘的自转速度为40rpm～90rpm。
进一步，所述化学辅助力流变抛光液包括磨粒、多羟基聚合物、去离子水和化学试剂，所述磨粒为#3000～#5000氧化铈，所述多羟基聚合物的微粒粒径为1μm～35μm，所述化学添加剂包括氧化铈分散剂与酸碱性调节剂，所述碱性调节剂为NaOH与柠檬酸，所述化学辅助力流变抛光液的PH值为10～11。
进一步，所述工件最低点离所述抛光盘底面的距离为1mm～5mm，所述工件侧面离所述抛光盘内壁距离为1mm～3mm。
更进一步，所述化学辅助力流变抛光液在抛光盘的液面不低于工件高度的三分之一。
优选的，抛光过程中，温度保持室温25℃。
再进一步，所述氧化锆陶瓷在碱性溶液中的化学腐蚀受控于水合反应，碱性环境中，氧化锆陶瓷表面的水合作用使水分子与键Zr-O-Zr作用生成Zr-O-H而降低了材料的表层硬度，抛光时通过抛光液中的“粒子簇”包裹的磨粒将表面水合层(软质层)去除；抛光过程中，工件与抛光液的摩擦作用升温，加速水和反应的生成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：(1)本发明提供一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，可以对各类含非加工平面的复杂面型零件进行抛光，包括平面，变曲率镜面等；(2)本发明的工件吸持方法，简单，易操作，该方法解决了如半球类零件等复杂外形零件、脆性零件等难通过普通机械夹持进行抛光的问题，且能够承受较大的剪切力的作用；(3)本发明基于基础力流变抛光原理与化学腐蚀作用相结合，研发的新方法新工艺，可以大幅度提高抛光效率，可以根据不同抛光材料特性选择对应化学腐蚀剂对不同材料工件进行抛光；(4)本发明所使用的化学辅助力流变抛光液制备容易，价格简单，经济效益好。
附图说明
图1是本发明的抛光装置的一种主视图；
图2是本发明的抛光装置的一种俯视图；
图3是氧化锆陶瓷半球表面化学辅助力流变抛光的工件示意图；
图4是本发明抛光原理图。
图中标注代表的内容为：1、抛光盘；2、抛光盘驱动轴；3、吸盘夹具；4、工件轴；5、齿轮机构6、工件驱动轴；7、转接头；8、密封管；9、真空泵；10、力流变加工液；11、工件；12、橡胶环；13、主齿轮；14、副齿轮；15、工件驱动轴驱动；16、抛光盘驱动轴驱动；17、软质层；18、粒子簇；19、多羟基聚合物；20、腐蚀剂；21、磨粒。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步说明：
参照图1～图4，一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，采用具有剪切增稠效应与化学腐蚀作用的力流变液作为基液，在化学基液中添加设定量设定规格的磨粒，制备化学辅助力流变抛光液；通过真空泵，使吸盘夹具端产生负压，工件的平面被大气压强牢牢固定在吸盘夹具上；抛光液(10)中的氧化剂(20)在工件(11)表面从外向内形成质地均匀的软质层(17)，当工件(11)与化学辅助力流变抛光液(10)的相对速度达到设定值时，力流变抛光液(10)会在工件接触区(22)形成柔性“粒子簇”(18)，包裹磨粒(21)对软质层(17)表面微凸峰进行切削去除。
由于化学辅助力流变抛光液(10)具有很好的流动特性，因此其形成的柔性“类固着磨具”可以与不同曲率的曲面保持良好的吻合，从而能用于氧化锆陶瓷半球这类曲面工件的抛光；本发明所配置的力流变抛光液价格成本较低；抛光操作简单易实现；抛光效率高；工件安装机构适用性广，不易破坏工件。
进一步，所述工件与所述抛光盘旋转方向相反。
作为优选，所述工件的自转速度为100rpm～1000rpm，抛光盘的自转速度为40rpm～90rpm。
进一步，所述化学辅助力流变抛光液包括磨粒、多羟基聚合物、去离子水和化学试剂，所述磨粒为#3000～#5000氧化铈，所述多羟基聚合物的微粒粒径为1μm～35μm，所述化学添加剂包括氧化铈分散剂与酸碱性调节剂，所述碱性调节剂为NaOH与柠檬酸，所述化学辅助力流变抛光液的PH值为10～11。
进一步，所述工件最低点离所述抛光盘底面的距离为1mm～5mm，所述工件侧面离所述抛光盘内壁距离为1mm～3mm。
更进一步，所述化学辅助力流变抛光液在抛光盘的液面不低于工件高度的三分之一。
优选的，抛光过程中，温度保持室温25℃。
再进一步，所述氧化锆陶瓷在碱性溶液中的化学腐蚀受控于水合反应，碱性环境中，氧化锆陶瓷表面的水合作用使水分子与键Zr-O-Zr作用生成Zr-O-H而降低了材料的表层硬度，抛光时通过抛光液中的“粒子簇”包裹的磨粒将表面水合层(软质层)去除；抛光过程中，工件与抛光液的摩擦作用升温，加速水和反应的生成。
抛光过程结束后需要对工件表面粗糙度进行反复测量，重复抛光过程，直至氧化锆陶瓷半球表面粗糙度达到超精密加工要求。
实现本实施例的氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光加工方法的装置，包括抛光盘(1)、抛光盘驱动轴(2)、吸盘夹具(3)、工件轴(4)、齿轮机构(5)、工件驱动轴(6)、转接头(7)、密封管(8)和真空泵(9)，所述抛光盘(1)位于所述抛光盘驱动轴(2)上，所述抛光盘(1)内放置加工液(10)，所述加工液(10)为含有磨粒(21)的化学辅助力流变抛光液，所述吸盘夹具(3)安装在所述工件轴(4)下端，所述工件驱动轴(6)通过齿轮机构(5)，使工件轴(4)自转，所述转接头(7)安装在工件轴(4)与密封管(8)之间，所述真空泵(9)与密封管(8)相连接。
进一步，所述吸盘夹具(3)位于抛光盘(1)的上方，所述吸盘夹具(3)下方安装工件(11)。
进一步，所述吸盘夹具(3)对称分布得设有13个直径为5的通气孔，所述吸盘夹具(3)外圆上安装有一圈橡胶环(12)。
进一步，所述工件轴(4)的内部中空可通气，所述工件轴(4)的下端设有台阶，用于所述吸盘夹具(3)的轴向定位。
进一步，所述齿轮机构(5)包括主齿轮(13)与副齿轮(14)，所述主齿轮(13)安装在所述工件驱动轴(6)上，所述副齿轮(14)与所述主齿轮(13)正常啮合，所述副齿轮(14)安装在工件轴(4)上。
进一步，所述转接头(7)可以在自转的情况下工作。
更进一步，所述主齿轮(13)与副齿轮(14)的中心距相对位置不变，所述工件轴(4)可以随着所述工件驱动轴(6)上下左右移动，所述工具轴(4)只绕工件自转。
Claims (8)
1.一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：采用具有剪切增稠效应与化学腐蚀作用的力流变液作为基液，在加工基液中添加设定量设定规格的磨粒，制备力流变抛光液；通过真空泵，使吸盘夹具端产生负压，工件的平面被大气压强牢牢固定在吸盘夹具上；抛光液中的化学试剂在工件表面从外向内形成质地均匀的软质层，当工件与化学辅助力流变抛光液的相对速度达到设定值时，力流变抛光液会在工件接触区形成柔性“类固着磨具”，包裹磨粒对软质层表面微凸峰进行切削去除。
2.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：所述工件与所述抛光盘旋转方向相反。
3.根据权利要求1或2所述的一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：所述工件的自转速度为100rpm～1000rpm，抛光盘的自转速度为40rpm～90rpm。
4.根据权利要求1或2所述的一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：所述化学辅助力流变抛光液包括磨粒、多羟基聚合物、去离子水和化学试剂，所述磨粒为#3000～#5000氧化铈，所述多羟基聚合物的微粒粒径为1μm～35μm，所述化学添加剂包括氧化铈分散剂与酸碱性调节剂，所述碱性调节剂为NaOH与柠檬酸，所述化学辅助力流变抛光液的PH值为10～11。
5.根据权利要求1或2所述的一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：所述工件最低点离所述抛光盘底面的距离为1mm～5mm，所述工件侧面离所述抛光盘内壁距离为1mm～3mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：所述化学辅助力流变抛光液在抛光盘的液面不低于工件高度的三分之一。
7.根据权利要求1或2所述的一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：抛光过程中，温度保持室温25℃。
8.根据权利要求1或2所述的一种氧化锆陶瓷半球化学辅助力流变抛光方法，其特征在于：所述氧化锆陶瓷在碱性溶液中的化学腐蚀受控于水合反应，碱性环境中，氧化锆陶瓷表面的水合作用使水分子与键Zr-O-Zr作用生成Zr-O-H而降低了材料的表层硬度，抛光时通过抛光液中的“粒子簇”包裹的磨粒将表面水合层去除；抛光过程中，工件与抛光液的摩擦作用升温，加速水和反应的生成。
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