CN112829073A - 一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，包括：利用主剂和添加剂配制切削液，其中，所述主剂包括长链烷烃、硅酸、甘油三酸酯和有机醇，所述添加剂为直链饱和脂肪酸盐；将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层；对经切削液处理的所述硬脆材料工件进行加工。该方法一方面利用切削液与刀具、硬脆材料工件之间固‑液界面的物理吸附与化学吸附共同作用形成湿润性油膜，从而改善加工表面质量；另一方面利用切削液与硬脆材料工件之间在高温高压加工区域发生界面热化学反应形成软化膜层，降低了硬脆材料表面的硬度与脆性，从而减弱了碎裂损伤程度。

Description

一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法。

背景技术

工程陶瓷、晶体硅等硬脆材料具有优异的力学或光电磁等物理性能，被广泛应用于集成电路、光电器件、传感器、探测器、耐磨损元件、耐高温烧蚀部件、耐腐蚀元件等众多方面。硬脆材料具有高硬脆性与低韧性，在金刚石砂轮磨削、金刚石刀具单点车削等切削加工过程中极易产生随机性大的碎裂损伤，严重降低了硬脆材料工件的成品率与使用性能，进而限制了硬脆材料产品的广泛应用，这也是限制硬脆材料高效低成本超精密加工技术发展的瓶颈。

工程陶瓷、晶体硅等硬脆材料加工中的材料去除形式一般可分为脆性去除、延性域去除和塑性去除。为了改善硬脆材料加工表面的破碎、剥落、裂纹等脆性损伤，通常以降低加工效率与提升加工成本为代价，使得硬脆材料呈现出延性域加工。硬脆材料碎裂损伤的控制措施主要采用切削工艺优化法、预应力辅助切削法与热软化辅助切削法等。切削工艺优化法是以加工表面质量为目标，优化硬脆材料的切削工艺条件，其涉及切削加工参数、冷却条件、刀具与机床等众多因素。然而，切削工艺优化法在实际应用过程中往往只考虑部份因素的影响，难以形成全行业内可推广应用的通用范例。预应力辅助切削法主要适用于减少或消除硬脆材料的边缘碎裂现象，采用特定夹具的机械方式预先施加一定压应力以达到材料边缘表面增韧效果。然而，预应力辅助切削法对硬脆材料内部表面的破碎、裂纹等脆性损伤的控制作用却不显著，且并不适用于薄片状或细条状工件的切削加工。热软化辅助切削法通常采用激光、等离子弧、电火花等热源进行加热辅助切削加工方式，使得硬脆材料待加工表面材料软化，使硬脆材料转变为塑性去除形式，较好地改善了硬脆材料的切削性能与脆性损伤程度。然而，热软化辅助切削法在加工过程中难以实现对加热精确控制而极易造成工件的热裂纹损伤，同时也使砂轮易于发生黏附堵塞与热损伤而缩短了砂轮使用寿命。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，包括：

利用主剂和添加剂配制切削液，其中，所述主剂包括长链烷烃、硅酸、甘油三酸酯和有机醇，所述添加剂为直链饱和脂肪酸盐，所述主剂与所述添加剂的重量百分比为(85％～95％)∶(5％～15％)；

将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层；

对经切削液处理的所述硬脆材料工件进行加工。

在本发明的一个实施例中，利用主剂和添加剂配制切削液，包括：

将所述主剂与所述添加剂按照重量百分比90％:10％混合于容器中，并恒温搅拌至完全融合。

在本发明的一个实施例中，长链烷烃、硅酸、甘油三酸酯和有机醇的质量百分比为(50％～70％):(20％～10％):(20％～15％):(10％～5％)。

在本发明的一个实施例中，所述长链烷烃为十八烷，所述有机醇为乙二醇。

在本发明的一个实施例中，十八烷、硅酸、甘油三酸酯和乙二醇的质量百分比为50％:20％:20％:10％。

在本发明的一个实施例中，所述添加剂为月桂酸钠或硬脂酸钾。

在本发明的一个实施例中，将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层，包括：

将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中，并加热至70℃以上保持至少1小时，使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层由孔隙与裂纹构成的裂隙网络系统中。

在本发明的一个实施例中，在对经切削液处理的所述硬脆材料工件进行加工之后，还包括：

加工结束后，对所述硬脆材料工件表面进行超声清洗。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的方法通过配制适当化学成份的切削液，一方面利用切削液与刀具、硬脆材料工件之间固-液界面的物理吸附与化学吸附共同作用形成湿润性油膜，减弱砂轮堵塞程度或使刀具保持锐利状态，从而改善加工表面质量；另一方面利用切削液与硬脆材料工件之间在高温高压切削区域发生界面热化学反应形成软化膜层，降低了硬脆材料表面的硬度与脆性，改善了硬脆材料的切削加工性能，从而减弱了碎裂损伤程度。

2、本发明的方法能得到碎裂损伤少的硬脆材料加工表面，大幅度提高了零件的切削加工质量与使用可靠性能；有利于减弱砂轮堵塞现象，提高了砂轮使用寿命，降低了加工成本；在硬脆材料表面发生热化学反应而生成软化层，有助于降低硬脆材料加工难度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法的流程图；

图2是利用本发明实施例的方法获得切削加工后的砂轮表面形貌图；

图3是在普通的水基切削液冷却作用下获得切削加工后的砂轮表面形貌图；

图4是利用本发明实施例的方法获得切削加工后的氧化铝陶瓷工件表面微观形貌图；

图5是在普通的水基切削液冷却作用下获得切削加工后的氧化铝陶瓷工件表面微观形貌图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法的流程图。该方法包括：

S1：利用主剂和添加剂配制切削液，其中，所述主剂由长链烷烃、硅酸、甘油三酸酯和有机醇组成，所述添加剂为直链饱和脂肪酸盐，所述主剂与所述添加剂的重量百分比为(85％～95％)∶(5％～15％)；

具体地，将所述主剂与所述添加剂按照重量百分比(85％～95％)∶(5％～15％)混合于容器中，并恒温搅拌至完全融合，其中，长链烷烃、硅酸、甘油三酸酯及有机醇的质量百分比为(50％～70％):(20％～10％):(20％～15％):(10％～5％)。

优选地，所述长链烷烃为十八烷，所述有机醇为乙二醇或丙三醇，所述添加剂为月桂酸钠或硬脂酸钾等直链饱和脂肪酸盐，其官能团-COOR可自由分离Na+或K+而形成较强的化学吸附。

在其他实施例中，所述长链烷烃还可以是十四烷、十五烷、十六烷、十七烷、十九烷、二十烷、三十烷、四十烷等。

S2：将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层；

具体地，将待加工的硬脆材料工件沉浸在步骤S1中配置的切削液中，并加热至70℃以上保持至少1小时，使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层由孔隙与裂纹构成的裂隙网络系统中。

S3：对经切削液处理的所述硬脆材料工件进行加工。

具体地，将经切削液处理过的硬脆材料工件在配制好的切削液冷却作用下进行磨削、车削等切削加工，并等加工完成后在清水中将工件表面超声清洗干净。

这里的硬脆材料可以是氧化铝、氮化硅、单晶硅等硬脆材料。

在硬脆材料的切削加工过程中，一方面利用本实施例的切削液与刀具、硬脆材料工件之间固-液界面的物理吸附与化学吸附共同作用形成湿润性油膜，减弱砂轮堵塞程度或使刀具保持锐利状态，从而改善加工表面质量；另一方面利用本实施例的切削液与硬脆材料工件之间在高温高压切削区域发生界面热化学反应形成软化膜层，降低了硬脆材料表面的硬度与脆性，改善了硬脆材料的切削加工性能，从而减弱了碎裂损伤程度。

实施例二

本实施例提供了一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，所述方法包括：

步骤1a：利用主剂和添加剂配制切削液，其中，所述主剂包括十四烷、硅酸、甘油三酸酯和丙三醇，所述添加剂为月桂酸钠，所述主剂与所述添加剂的重量百分比为85％∶15％。十四烷、硅酸、甘油三酸酯和丙三醇的质量百分比为70％:10％:15％:5％；

步骤1b：将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中，并加热至70℃以上保持2小时；

步骤1c：将经切削液处理过的硬脆材料工件在配制好的切削液冷却作用下进行磨削、车削等切削加工，并等加工完成后在清水中将工件表面超声清洗干净。

实施例三

本实施例提供了一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，所述方法包括：

步骤2a：利用主剂和添加剂配制切削液，其中，所述主剂包括四十烷、硅酸、甘油三酸酯和乙二醇，所述添加剂为硬脂酸钾，所述主剂与所述添加剂的重量百分比为95％∶5％。四十烷、硅酸、甘油三酸酯和乙二醇的质量百分比为50％:20％:25％:10％；

步骤2b：将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中，并加热至70℃以上保持1.5小时；

步骤2c：将经切削液处理过的硬脆材料工件在配制好的切削液冷却作用下进行磨削、车削等切削加工，并等加工完成后在清水中将工件表面超声清洗干净。

实施例四

本实施例利用切削液与砂轮、硬脆材料工件之间界面反应弱化氧化铝加工碎裂损伤的实例对本发明实施例的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法进行进一步阐述。

本实施例的方法包括：

步骤一：利用主剂和添加剂配制切削液。

具体地，主剂混合液中的长链烷烃选用十八烷，有机醇选用乙二醇，添加剂选用月桂酸钠。利用电子恒温水浴锅在70℃温度条件下进行切削液配制，将十八烷、硅酸、甘油三酸酯、乙二醇、月桂酸钠按照重量百分比40％:20％:20％:10％:10％混合于烧瓶中恒温搅拌融合30分钟。

需要说明的是，本实施例配制的切削液为乳化液。

步骤二：利用配制好的切削液对硬脆材料工件进行预处理。

在本实施例中，先将尺寸规格为20mm×20mm×40mm的氧化铝陶瓷工件沉浸在本实施例步骤一中配制的切削液里，并加热至70℃保持2小时，使得切削液能完全扩散至硬脆材料表层由孔隙与裂纹构成的裂隙网络系统，并且提高了切削液在硬脆材料工件表面的物化反应活性。

步骤三：在该切削液冷却作用下，在XD250AH卧轴矩台精密平面磨床上，利用环氧树脂金刚石砂轮以砂轮转度3000r/min、工件台进给速度10m/min、磨削深度0.02mm的条件，对经过步骤二预处理过的氧化铝陶瓷工件平面进行磨削加工。

在加工过程中，该新型切削液与砂轮、氧化铝之间固-液界面存在物理吸附与化学吸附共同作用，形成了较好的湿润性油膜，其中，物理吸附是由于乳化液中有着长碳链型主剂混合物形成的范德华力，化学吸附主要源于添加剂月桂酸钠可分离出Na+进行电子的自由转移。该切削液在环氧树脂金刚石砂轮上吸附与扩散，吸附能力的增强，使得切削液在砂轮表面四周扩散形成较宽的乳化液覆盖区域。

请参见图2和图3，图2是利用本发明实施例的方法获得切削加工后的砂轮表面形貌图；图3是在普通的水基切削液冷却作用下获得切削加工后的砂轮表面形貌图。如图2所示，采用本实施例的切削液冷却作用下，砂轮表面粘附现象已经微乎其微。然而，如图3所示，在普通的水基切削液冷却作用下，以同样磨削加工参数进行氧化铝平面磨削加工后，砂轮表面存在显著的粘附现象。因此，本实施例的切削液有利于改善砂轮堵塞问题。

接着，在加工完成后，将该氧化铝陶瓷工件在清水中超声清洗干净，并采用扫描电镜观测氧化铝陶瓷工件加工表面形貌。请参见图4和图5，图4是利用本发明实施例的方法获得切削加工后的氧化铝陶瓷工件表面微观形貌图；图5是在普通的水基切削液冷却作用下获得切削加工后的氧化铝陶瓷工件表面微观形貌图。从图4可以看出，利用本发明实施例的方法获得切削加工后的氧化铝陶瓷工件表面并未发现残余裂纹现象，并呈现出软化的延性域加工迹象。然而，在普通的水基切削液冷却作用下，以同样磨削加工参数平面磨削加工的氧化铝表面微观形貌如图5所示，可以看出不可避免地存在一些微裂纹与微破碎现象。因此，本实施例的方法有利于改善氧化铝等硬脆材料加工碎裂损伤问题，从而提高工件的力学性能。追究其原因，切削液与硬脆材料工件之间在高温高压切削区域发生界面热化学反应形成软化膜层，降低了硬脆材料表面的硬度与脆性，改善了硬脆材料的切削加工性能，从而减弱了碎裂损伤程度。

综上，本实施例的方法能得到碎裂损伤少的硬脆材料加工表面，大幅度提高了零件的切削加工质量与使用可靠性能；有利于减弱砂轮堵塞现象，提高了砂轮使用寿命，降低了加工成本；在硬脆材料表面发生热化学反应而生成软化层，有助于降低硬脆材料加工难度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，包括：

利用主剂和添加剂配制切削液，其中，所述主剂包括长链烷烃、硅酸、甘油三酸酯和有机醇，所述添加剂为直链饱和脂肪酸盐，所述主剂与所述添加剂的重量百分比为(85％～95％)∶(5％～15％)；

将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层；

对经切削液处理的所述硬脆材料工件进行加工。

2.根据权利要求1所述的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，利用主剂和添加剂配制切削液，包括：

将所述主剂与所述添加剂按照重量百分比90％:10％混合于容器中，并恒温搅拌至完全融合。

3.根据权利要求1所述的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，长链烷烃、硅酸、甘油三酸酯和有机醇的质量百分比为(50％～70％):(20％～10％):(20％～15％):(10％～5％)。

4.根据权利要求1所述的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，所述长链烷烃为十八烷，所述有机醇为乙二醇。

5.根据权利要求4所述的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，十八烷、硅酸、甘油三酸酯和乙二醇的质量百分比为50％:20％:20％:10％。

6.根据权利要求1所述的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，所述添加剂为月桂酸钠或硬脂酸钾。

7.根据权利要求1所述的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层，包括：

将待加工的硬脆材料工件沉浸在所述切削液中，并加热至70℃以上保持至少1小时，使得所述切削液完全扩散至所述硬脆材料工件的表层由孔隙与裂纹构成的裂隙网络系统中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的利用界面反应弱化硬脆材料加工碎裂损伤的方法，其特征在于，在对经切削液处理的所述硬脆材料工件进行加工之后，还包括：

加工结束后，对所述硬脆材料工件表面进行超声清洗。

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