CN114347268B - 一种脆性材料局域加热改性切削方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脆性材料局域加热改性切削方法及装置，包括压电叠堆驱动部分、温度控制部分及安装基体部分，压电叠堆驱动部分包括压电驱动陶瓷、第一柔性铰链结构组、第二柔性铰链结构组、第三柔性铰链结构组、中心块机构，温度控制部分包括刀架、固定块、冷却机构和加热机构，安装基体部分包括安装基座；所述温度控制部分与中心块机构的前端固定连接，所述刀架、加热机构、固定块和冷却机构自前向后依次连接。本发明基于电热片的局域加热可以高效、低成本的实现切削区温度的提升，以热效应改善脆性材料塑性流动能力，提高材料脆塑转变极限切深，从而提高脆性材料的去除率。
Description
技术领域
本发明属于脆性材料超精密切削技术领域，具体为一种脆性材料局域加热改性切削方法及装置。
背景技术
脆性材料，如红外窗口材料、光学陶瓷等，在光学应用中日益广泛，而该类材料的低断裂韧性对其切削加工提出了极大挑战，迫切需要发展可获得高质量表面的脆性材料高效加工方法。
目前，通常采用单晶金刚石刀具在塑性域内对脆性材料进行切削加工，而决定材料脆塑性去除特征的极限切深往往在数十至数百纳米，严重限制了材料的去除率。为提高加工效率，诸多方法被提出以实现材料极限切深的提高，主要包括：(超声)振动辅助切削、离子注入材料改性、激光照射改性等。近年来，通过加热工件整体而提高材料塑性流动性的方法也被提出，虽然该方法通过热能辅助材料流动可有效提升材料的脆塑转变极限，但该方法存在较大的热效应，材料整体加热易于诱发材料内部结构变化、材料表面与空气高温接触氧化等问题。同时，材料在整体加热和冷却过程中更易于产生过大的中低频误差，限制了其在超精密加工中的应用。
发明内容
本发明提出了一种脆性材料局域加热改性切削方法及装置，为改善脆性材料的塑性切削提供有效手段。
为实现以上目的的技术解决方案如下：
一种脆性材料局域加热改性切削装置，包括压电叠堆驱动部分、温度控制部分及安装基体部分，所述压电叠堆驱动部分包括压电驱动陶瓷、第一柔性铰链结构组、第二柔性铰链结构组、第三柔性铰链结构组、中心块机构，所述温度控制部分包括刀架、固定块、冷却机构和加热机构，所述安装基体部分包括安装基座；
所述压电驱动陶瓷的后端与安装基座固定连接、前端与第一柔性铰链结构组的后端抵接，所述第二柔性铰链结构组包括至少两个第二柔性铰链，每个第二柔性铰链的一端与安装基座连接、另一端与中心块机构的一侧连接，第一柔性铰链结构组的前端与位于最后部的第二柔性铰链的侧部连接，第三柔性铰链结构组的一端与中心块机构的另一侧连接、另一端与安装基座连接，
所述温度控制部分与中心块机构的前端固定连接，所述刀架、加热机构、固定块和冷却机构自前向后依次连接。
进一步地，所述中心块机构包括位于前部的质量块、位于所述质量块两侧的中心块机构柔性铰链、中心通孔和位于中心通孔后部的力传感器安装壁。
进一步地，还包括压电式力传感器，所述压电式力传感器的头部穿过所述力传感器安装壁的螺纹孔抵接于所述质量块的后端面。
进一步地，还包括电容式位移传感器，所述电容式位移传感器的头部穿过安装基座抵接于中心块机构的后端面。
进一步地，所述冷却机构为水冷机构，包括冷却水进口、冷却水出口和位于机构内的U形水冷通道。
进一步地，所述加热机构为电加热片。
进一步地，所述刀架四角上开设有光孔，所述固定块的四角上开设有与四个光孔对应的固定块螺纹孔。
一种采用上述的脆性材料局域加热改性切削装置提升脆性材料的塑性切削性能方法，在切削过程中通过加热机构实现刀架、刀具和脆性材料的加热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
基于电热片的局域加热可以高效、低成本的实现切削区温度的提升，以热效应改善脆性材料塑性流动能力，提高材料脆塑转变极限切深，从而提高脆性材料的去除率；装置具有结构简单紧凑、配件易获得等优点，可有效实现刀具的局域加热和温度控制；刀架装置具有压电驱动和位移传感模块，可以实现快速刀具伺服功能以加工复杂曲面；刀架装置集成有力传感单元，可以实现切削过程背吃刀力的在位监控，具备切削过程智能监控能力。
附图说明
图1是本发明脆性材料局域加热改性切削装置整体装配图。
图2是本发明压电叠堆驱动部分示意图。
图3是柔性铰链部分放大图。
图4是本发明温度控制部分示意图。
图5是本发明刀架装置部分示意图。
图6是本发明固定块结构示意图。
图7是水冷机构结构示意图。
图8是本发明安装基体部分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
结合图1-8，一种脆性材料局域加热改性切削装置，包括压电叠堆驱动部分、温度控制部分及安装基体部分，所述压电叠堆驱动部分包括压电驱动陶瓷7、第一柔性铰链结构组9、第二柔性铰链结构组10、第三柔性铰链结构组13、中心块机构11，所述温度控制部分包括刀架1、固定块2、冷却机构3和加热机构8，所述安装基体部分包括安装基座4；
结合图2-3，所述压电驱动陶瓷7的后端与安装基座4固定连接、前端与第一柔性铰链结构组9的后端抵接，所述第二柔性铰链结构组10包括至少两个第二柔性铰链，每个第二柔性铰链的一端与安装基座4连接、另一端与中心块机构11的一侧连接，第一柔性铰链结构组9的前端与位于最后部的第二柔性铰链的侧部连接，第三柔性铰链结构组13的一端与中心块机构11的另一侧连接、另一端与安装基座4连接，
结合图4，所述温度控制部分与中心块机构11的前端固定连接，所述刀架1、加热机构8、固定块2和冷却机构3自前向后依次连接。
优选地，结合图3，所述中心块机构11包括位于前部的质量块12、位于所述质量块12两侧的中心块机构柔性铰链11-1、中心通孔11-2和位于中心通孔11-2后部的力传感器安装壁11-3。
第一柔性铰链结构组9与压电驱动陶瓷7接触相连接并通过基座4上的螺纹孔22使用螺钉进行压紧，压电驱动陶瓷7中心与第一柔性铰链结构组9中心处于同一直线上。压电驱动陶瓷7被激励后推动第一柔性铰链结构组9沿y轴(切削刀具运动方向)方向做直线运动，结合图3，第一柔性铰链结构组9通过杠杆原理推动第二柔性铰链结构组10做运动在xy平面(x轴为与y轴垂直的位于水平方向的轴，z轴为与竖直方向的轴)内做以固定端为圆心的转动。第二柔性铰链结构组10带动中心块机构11运动，因受两组平行的第二柔性铰链结构组10、第三柔性铰链结构组13的限制，中心块机构11沿与y轴方向做直线运动。中心块机构11中采用刚度较大的柔性铰链组用于达到以下目的：1)使用柔性铰链机构使得在切削过程中机构6有且仅测得切削力在y轴方向的力，过滤x、z轴方向存在的切削力，从而达到使力传感器仅受到y轴方向力、保护力传感器的目的；2)使用刚度较大的柔性铰链，使得质量块12中心块上的位移相较于机构11而言较小，保证了力传感器的安全。力传感器6通过螺纹孔26与中心块机构11相固定，力传感器头部顶在中心块质量块12上测量切削过程中力的大小。中心块机构11前部螺纹孔25通过螺钉与温度控制部分相固定连接。
优选地，还包括压电式力传感器6，所述压电式力传感器6的头部穿过所述力传感器安装壁11-3的螺纹孔抵接于所述质量块12的后端面。力传感器构件6安装于螺纹孔26中，两者通过螺纹稳固连接，力传感器构件6尾部连接配套的放大器，将放大器与数据卡相连接进行数据的读取与储存。力传感器构件6力传感器头部紧贴质量块12背面，在该情况下，力传感器测量的是质量块12该平面上的受力，力传感器所能读取的数值大小即为切削过程中力传感器构件6轴向方向上的切削力大小。
优选地，还包括电容式位移传感器5，所述电容式位移传感器5的头部穿过安装基座4抵接于中心块机构11的后端面。
两组平行柔性铰链设计：第二柔性铰链结构组10、第三柔性铰链结构组13两组平行柔性铰链设计则保证了在第一柔性铰链结构组9末端施加驱动的时候，中心块机构11能沿着y轴方向做平动直线运动，运动期间中心块机构11不发生翻转。第一柔性铰链结构组9与第二柔性铰链结构组10中的一条铰链构成了一个放大机构，可将第二柔性铰链结构组10中的一条铰链看作杠杆，对于一端固定，一端活动的杠杆来说，a点固定，驱动施加在c点位置，则b点位置相较于c点而言位移放大，放大比例为ab之间距离比上ac之间x轴方向距离。
在切削过程中切削力增加，通过质量块12的传递，力传感器测量到力的大小并记录，在此过程中，切削力较大时，质量块12的位移增加幅度较大，质量块12对力传感器构件6的撞击较大。为了达到保护力传感器的目的，中心块机构11中的柔性铰链输出刚度较大，在该情况下，即使切削力大小较大，质量块12的位移也较小，对力传感器构件6的撞击较小。增大中心块机构11中的柔性铰链输出刚度，起到了保护力传感器构件6的作用。与此同时，两组平行柔性铰链也起到了过滤力的作用。在切削的过程中，刀具受到多个方向的力，经过质量块12的限制，力传感器构件6受且仅受到质量块12运动方向，及力传感器轴向的力的作用。这样的设计避免了力传感器构件6受到非轴向力的情况发生，起到了保护力传感器构件6的目的。
第一柔性铰链结构组9、第二柔性铰链结构组10、第三柔性铰链结构组13、中心块机构11使得第一柔性铰链结构组9在压电的推动下沿y轴运动时，质量块12沿y轴产生运动并且不会出现xy平面内的倾斜翻转。
优选地，结合图7，所述冷却机构3为水冷机构，包括冷却水进口、冷却水出口和位于机构内的U形水冷通道。
优选地，所述加热机构8为电加热片。
刀架1为铝合金刀架，刀架顶部有螺纹孔14用于与金刚石刀具相固定连接。固定块2为铝合金固定块，作用是与刀架1刀架相连接并将陶瓷加热片8夹紧使其位置固定。固定块2的形状如图6所示，电加热片8连通电源加热升温并通过热传导将温度传递到刀架1、固定块2和冷却机构3，使其升温。水冷机构如图7所示，17为两个光孔，与中心块12上的两个螺纹孔25相配合固定，两个螺钉的螺钉头可安置于固定块2中央的空缺处中。固定块2、水冷机构3通过高温粘胶相连接。水冷机构起到降温作用，阻止温度从固定块2传导到安装基座4甚至是电容式位移传感器5、压电式力传感器6中
优选地，结合图5-6，所述刀架1四角上开设有光孔15，所述固定块2的四角上开设有与四个光孔15对应的固定块螺纹孔16。
安装基座4如图8所示，安装基座4通过连接孔18、24与机床相固定连接，19、23为通孔用于与超精密工作平台相固定连接。21为阶梯孔用于与位移传感器5相配合，20为两个螺纹孔用于精密控制位移传感器的装夹与固定，22为螺纹孔，可使用螺钉拧紧将压电驱动陶瓷7压电固定，使压电接触第一柔性铰链结构组9可完成压电的驱动。
一种采用上述的脆性材料局域加热改性切削装置提升脆性材料的塑性切削性能方法，在切削过程中通过加热机构8实现刀架1、刀具和脆性材料的加热。
变温方法:加热机构8加热片连通电源升温发热，将温度通过热传导、热传导的方法将刀架1、固定块2和冷却机构3以及金刚石刀具、脆性样品及切削区域进行加热。冷却机构3起到了降温、散热的作用，使得传感器在常温下工作，起到保护传感器、保证传感器正常使用的目的。通过调节加热片电源大小能够改变加热片的发热量从而改变系统热平衡时整个温度控制模块的温度。通过在高温下进行切削改变切削环境温度来提升脆性材料的塑性域，扩大塑性切削的范围、改善脆性材料的切削特性。
从热力学角度进行分析，随着脆性材料温度的升高，材料中原子、分子之间的分子吸引力降低，材料中的分子离开原有的常温下的平衡位置并向促进材料位错的方向游离。因此随着温度的升高，对于脆性材料而言，塑性变形更加容易发生。与此同时，随着脆性材料的温度上升，脆性材料自身弹性模量的数值变小，材料本身塑性增加。综上所述，随着脆性材料的温度上升，相较于常温下而言，在切削的过程中，脆性材料更容易发生塑性切削，材料性能得到改善。相较于常温下的脆性材料而言，高温下的脆性材料脆塑转换临界深度较大，因此在切削的过程中脆性材料发生塑性切削的深度范围更大，实现塑性切削的难度降低。
基于上述理论，为了改善脆性材料的切削性能，本装置在高温环境下对脆性材料进行切削，为了保证传感器等设备在允许的工作温度范围内，本设备仅在局部区域进行加热。
加热片通电释放热量，可视为热源，通过热传导的方式将与加热片直接接触的刀架1和固定块2进行加热。刀架1升温后将热量通过热传导的方式传递至刀尖，使刀尖升温至设定温度。受热升温的刀尖通过热传导、热辐射的方式将脆性材料待切削区域加热至实验所需温度，营造脆性材料高温切削的高温试验环境。另一方向，固定块2被加热片加热之后由水冷装置进行水冷降温，减少传递至安装基座4的热量，从而保证与安装基座4相配合的位移传感器5以及压电式力传感器6在常温下进行工作，不会发生传感器高温工作失效的情况。
在此结构中，只有局部切削区域是高温环境，在此高温环境下进行切削即可实现脆性材料的高温切削，与常温切削相比，脆性材料的塑性切削范围更大，脆性材料切削性能得到改善。
本发明脆性材料局域加热改性切削方法，包括：
脆性工件材料通过真空吸盘固定在机床主轴，加热刀架固定在机床Z轴，并跟随机床X轴进行侧向进给作用。
通过控制微型加热片控制电压调节加热片温度，加热片使用热传导的方式将金刚石刀具进行加热。切削过程中，加热刀具与脆性工件材料进行接触，并将热量传递至切削区域。由于工件快速旋转，刀具热量在有限时间内仅能传递至刀具-工件相接触的局部区域，实现局域热辅助材料去除。
加热过程中，U型水冷结构通过水流带走加热片向刀架基体传递的热量，从而保证驱动与传感部分保持常温，以起到对传感器和驱动器的保护和精度保持作用。
在局域热效应作用下，材料塑性流动得到增强，可提高脆性材料脆塑转变的极限切深，实现材料去除率的有效提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种脆性材料局域加热改性切削装置，其特征在于，包括压电叠堆驱动部分、温度控制部分及安装基体部分，所述压电叠堆驱动部分包括压电驱动陶瓷(7)、第一柔性铰链结构组(9)、第二柔性铰链结构组(10)、第三柔性铰链结构组(13)、中心块机构(11)，所述温度控制部分包括刀架(1)、固定块(2)、冷却机构(3)和加热机构(8)，所述安装基体部分包括安装基座(4)；
所述压电驱动陶瓷(7)的后端与安装基座(4)固定连接、前端与第一柔性铰链结构组(9)的后端抵接，所述第二柔性铰链结构组(10)包括至少两个第二柔性铰链，每个第二柔性铰链的一端与安装基座(4)连接、另一端与中心块机构(11)的一侧连接，第一柔性铰链结构组(9)的前端与位于最后部的第二柔性铰链的侧部连接，第三柔性铰链结构组(13)的一端与中心块机构(11)的另一侧连接、另一端与安装基座(4)连接，
所述温度控制部分与中心块机构(11)的前端固定连接，所述刀架(1)、加热机构(8)、固定块(2)和冷却机构(3)自前向后依次连接；
所述中心块机构(11)包括位于前部的质量块(12)、位于所述质量块(12)两侧的中心块机构柔性铰链(11-1)、中心通孔(11-2)和位于中心通孔(11-2)后部的力传感器安装壁(11-3)；
还包括压电式力传感器(6)，所述压电式力传感器(6)的头部穿过所述力传感器安装壁(11-3)的螺纹孔抵接于所述质量块(12)的后端面；
还包括电容式位移传感器(5)，所述电容式位移传感器(5)的头部穿过安装基座(4)抵接于中心块机构(11)的后端面；
所述加热机构(8)为陶瓷电加热片。
2.根据权利要求1所述的脆性材料局域加热改性切削装置，其特征在于，所述冷却机构(3)为水冷机构，包括冷却水进口、冷却水出口和位于机构内的U形水冷通道。
3.根据权利要求2所述的脆性材料局域加热改性切削装置，其特征在于，所述刀架(1)四角上开设有光孔(15)，所述固定块(2)的四角上开设有与四个光孔(15)对应的固定块螺纹孔(16)。
4.一种采用如权利要求1-3任一项所述的脆性材料局域加热改性切削装置提升脆性材料的塑性切削性能方法，其特征在于，在切削过程中通过加热机构(8)实现刀架(1)、刀具和脆性材料的加热。
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