CN116674054B - 二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法及精加工工装 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷材料的制造技术领域，具体涉及二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法及精加工工装。所述的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，包括以下步骤：将陶瓷原料装入等静压模具，将等静压压制成型的氧化铝陶瓷生坯料块经切割、烧成后，进行精加工，得到产品；所述的等静压模具是瓦楞纸盒、保鲜袋、环氧树脂板盒由内向外依次组装得到的，瓦楞纸盒为带有瓦楞纸盒盖的长方体结构，环氧树脂板盒为带有环氧树脂板盒盖的长方体结构，环氧树脂板盒上设置有圆孔。本发明提供的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，能够加工大尺寸、超薄型产品，且加工采用的等静压模具制作简单，加工所用的精加工工装，加工精准，保证了产品的高加工精度。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料的制造技术领域，具体涉及二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法及精加工工装。
背景技术
二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10μm附近有几十条谱线的激光输出。二氧化碳激光器里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6μm附近的中红外波段；一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60W。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器，如应用于加工（焊接、切割、打孔等）、通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面。
越来越多的二氧化碳激光器采用氧化铝陶瓷谐振腔。由于氧化铝陶瓷介质材料的相对介电常数较高，其Q值较高，损耗小，同时温度漂移小，因此，相比传统金属腔谐振器，陶瓷材料谐振腔具有高抑制、温度漂移特性好的特点，而且功率和容量都得到了很大的改善。配备陶瓷谐振腔的二氧化碳激光器拥有相对于传统金属谐振腔具有稳定性更高，使用寿命更长的优点。随着半导体行业的大力发展，二氧化碳激光器的尺寸在不断加大，功率在不断增加，其对应的陶瓷谐振腔尺寸也在增大，相应的氧化铝陶瓷板槽尺寸也在不断增加，由最初的300mm长度，已经增加到500mm，而且厚度仅有4mm。陶瓷板槽上需要进行3mm深度的沟槽加工以及打孔，但是氧化铝陶瓷具有高硬度以及脆性，并且用于二氧化碳激光器时的精度要求高，因此，对于如此长且薄的陶瓷板槽进行生产制作以及精加工是相当困难的。
目前的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的尺寸大多在300mm以下，其加工工艺是通过制作不锈钢钢模，单片干压，再通过等静压高压致密化，烧成后再精加工而成的。该工艺由于受干压机尺寸的影响，大尺寸、薄型的产品在干压机是难以实现干压的。现有的大尺寸、薄型陶瓷板槽在等静压机高压致密化时，会发生断裂，工艺繁琐，单片生产制作工期长，成品率低。因此，大尺寸、薄型陶瓷板槽的制作存在难以攻克的困难，目前尚无生产。尤其是在大尺寸、薄型陶瓷板槽的后期精加工过程，由于氧化铝陶瓷属于脆性材料，产品长且薄，容易在装夹和加工过程中造成产品断裂，也会由于移位或者产品变形造成加工精度不够，尺寸偏差大。另外，现有工艺中干压用的不锈钢钢模制作成本高昂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，能够加工大尺寸、超薄型产品，且加工采用的等静压模具制作简单，加工所用的精加工工装，加工精准，保证了产品的高加工精度。
本发明所述的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，包括以下步骤：将陶瓷原料装入等静压模具内，将等静压压制成型的氧化铝陶瓷生坯料块经切割、烧成后，再经过平面磨削、端面磨削、宽度磨削，采用精加工工装进行打孔、开槽，得到二氧化碳激光器用陶瓷板槽；
所述的等静压模具是瓦楞纸盒、保鲜袋、环氧树脂板盒由内向外依次组装得到的，瓦楞纸盒为带有瓦楞纸盒盖的长方体结构，环氧树脂板盒为带有环氧树脂板盒盖的长方体结构，环氧树脂板盒上设置有圆孔。保鲜袋是套在装有陶瓷原料的瓦楞纸盒外的，采用真空封口机或者排除多余空气后透明胶带封口，起到密封防水的作用，环氧树脂板盒是套在保鲜袋外的。
优选的，得到的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的长度为300～800mm，厚度为3.5～5mm。瓦楞纸盒的尺寸为二氧化碳激光器用陶瓷板槽的理论尺寸，根据加工以及烧成收缩放尺后得到的；瓦楞纸盒的厚度为二氧化碳激光器用陶瓷板槽的理论厚度的N倍，N为1～100之间的整数，可以根据实际等静压机尺寸大小、板槽尺寸、工艺条件自行选择。
优选的，圆孔的直径为5～20mm，圆孔在环氧树脂板盒的每个面上的数量为每英寸1～2个。
优选的，环氧树脂板盒的五个面以及环氧树脂板盒盖之间是通过橡皮筋捆绑或者用胶粘接在一起的。由于环氧树脂板具有一定弹性，圆孔太大、太多容易造成环氧树脂板强度不够，等静压产品变形甚至断裂；圆孔太小，需要打孔太多，增加制作时间，且在等静压时，圆孔太小，不利于液体的流动和压力的均匀传递。
所述的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法中采用的精加工工装，包括承接平板、真空吸板、连接板，真空吸板放置在承接平板上，其作用是使真空吸板通过承接平板连接吸附于加工台面上，使待加工的陶瓷板槽吸附牢固不移位。真空吸板内部由承接平台分隔为连通的真空腔，真空吸板的侧面上设置有凹槽，连接板通过凹槽与真空吸板连接固定，连接板通过螺栓和螺母固定连接后使螺栓、承接平板处于同一水平上；真空吸板的侧面设置有通孔，通孔与真空腔连通。真空吸板为亚克力材质。通孔是连接真空抽气管起到抽真空作用的。承接平板、L型连接板的一边、螺栓均放置在加工平台上。陶瓷板槽放置在真空吸板的加工面上。承接平板材质为不锈钢、亚克力或者环氧树脂，要求表面平整光滑，表面粗糙度≤1μm。
优选的，承接平板的尺寸大于真空吸板的尺寸。
优选的，连接板为L型，螺栓为T型；连接板上设置有螺丝孔，螺栓穿过螺丝孔与螺母固定。
优选的，承接平台设置为单个或多个。由于陶瓷板槽长且薄，在真空吸附时，在强大的吸附力下，真空腔优选为两段式中间带承接平台，有效的起到支撑作用，不会使陶瓷板槽发生弯曲变形；且承接平台为中空，使两个真空腔连接，不会导致吸附力不均，受力不平衡。如果陶瓷板槽长度达到800mm以上，可设置两个承接平台，甚至更多，真空吸板长侧边也就是侧面各有两个通孔，连接真空抽气管；真空吸板两长侧边中间带有凹槽用于连接L型连接板。
优选的，连接板与凹槽连接的端部设置为梯形，梯形的腰与凹槽连接的端面的夹角为3～15°，梯形面长度为凹槽深度的1.1～2倍，梯形面的两侧边卡进真空吸板长侧边的凹槽，更好的契合真空吸板，使之卡紧且不移位，T型螺栓通过L型连接板上的螺丝孔将其固定在加工台面上，另一横边卡进加工设备台面的卡槽中。陶瓷板槽放在真空吸板上通压缩空气，通过真空腔吸附在真空吸板上进行沟槽和打孔的精加工。
本发明将等静压压制成型的氧化铝陶瓷生坯料块经切割、烧成陶瓷板槽后，再经打孔、开槽等精加工成二氧化碳激光器用陶瓷板槽。精加工工装的承接平板尺寸大于真空吸板，承接平板放置于加工中心台面上，真空吸板放置在承接平板上，其作用是使真空吸板通过承接平板连接吸附于台面上，使待加工的陶瓷板槽吸附牢固不移位。真空吸板其内部中空为两段式真空腔且带中间承接平台。L型连接板短边放置于台面上。梯形面的两侧边卡进真空吸板长侧边的凹槽，更好的契合真空吸板，使之卡紧且不移位。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
（1）本发明的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，解决了大尺寸（长度500mm以上）、薄型（厚度4mm以下）二氧化碳激光器用陶瓷板槽受干压机尺寸影响，干压成型压力低而导致陶瓷坯体不致密，坯体断裂，单片生产制作工期长，成品率低，工艺繁琐的问题。
（2）本发明的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，相比于传统的等静压模具不锈钢模具，制作成本低。
（3）本发明的所述的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法中采用的精加工工装，解决了长且薄的二氧化碳激光器用陶瓷板槽，在装夹和加工过程中的产品易断裂以及由于移位或者变形造成的加工精度不够，尺寸偏差大的问题。
附图说明
图1为本发明的等静压模具的示意图。
图2为环氧树脂板盒的结构示意图。
图3为精加工工装的结构示意图。
图4为承接平板和真空吸板组装后的俯视图。
图5为承接平板和真空吸板组装后的侧视图。
图6为连接板和螺栓组装后的俯视图。
图1中：1、瓦楞纸盒；101、瓦楞纸盒盖；2、保鲜袋；3、环氧树脂板盒；31、环氧树脂板盒盖；32、圆孔；4、承接平板；5、真空吸板；51、加工面；52、侧面；6、连接板；7、螺栓；8、真空腔；9、承接平台；10、通孔；11、凹槽；12、螺母；13、螺丝孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明对于所述的等静压以及其他未描述的工艺或者所用到的装置均为现有技术，故不再论述。
以下实施例采用的等静压模具均如图1所示，等静压模具是瓦楞纸盒1、保鲜袋2、环氧树脂板盒3由内向外，依次组装得到的，瓦楞纸盒1为带有瓦楞纸盒盖101的长方体结构。
如图2所示，环氧树脂板盒3为带有环氧树脂板盒盖31的长方体结构，环氧树脂板盒3上设置有圆孔32。保鲜袋2是套在装有陶瓷原料的瓦楞纸盒1外的，采用真空封口机或者排除多余空气后透明胶带封口，起到密封防水的作用，环氧树脂板盒3是套在保鲜袋2外的。
以下实施例采用的精加工工装均如图3所示，包括承接平板4、真空吸板5、连接板6，真空吸板5放置在承接平板4上，其作用是使真空吸板5通过承接平板4连接吸附于加工台面上，使待加工的陶瓷板槽吸附牢固不移位。
如图4所示，真空吸板5内部由承接平台9分隔为连通的真空腔8。如图3所示，真空吸板5的侧面52上设置有凹槽11，连接板6通过凹槽11与真空吸板5连接固定，连接板6通过螺栓7和螺母12固定连接后使螺栓7、承接平板4处于同一水平上。如图5所示，真空吸板5的侧面设置有通孔10，通孔10与真空腔8连通。真空吸板5为亚克力材质。通孔10是连接真空抽气管起到抽真空作用的。承接平板4、L型连接板6的一边、螺栓7均放置在加工平台上。陶瓷板槽放置在真空吸板5的加工面51上。承接平板4材质为不锈钢、亚克力或者环氧树脂，要求表面平整光滑，表面粗糙度≤1μm。
承接平板4的尺寸大于真空吸板5的尺寸。
连接板6为L型，螺栓7为T型。
如图6所示，连接板6上设置有螺丝孔13，螺栓7穿过螺丝孔13与螺母12固定。
承接平台9设置为单个或多个。由于陶瓷板槽长（500mm以上）且薄（厚度4mm以下），在真空吸附时，在强大的吸附力下会发生弯曲变形，造成加工尺寸偏差，真空腔8优选为两段式中间带承接平台9，有效的起到支撑作用，不会使陶瓷板槽发生弯曲变形；且承接平台9中空，使两个真空腔8连接，不会导致吸附力不均，受力不平衡。如果陶瓷板槽长度达到800mm以上，可以设置两个承接平台，甚至更多，真空吸板5长侧边也就是侧面52各有两个通孔10，连接真空抽气管；真空吸板5两长侧边中间带有凹槽11用于连接L型连接板6。
连接板6与凹槽11连接的端部设置为梯形，梯形的腰与凹槽11连接的端面的夹角为3～15°，梯形面长度为凹槽11深度的1.1～2倍，梯形面的两侧边卡进真空吸板5长侧边的凹槽11，更好的契合真空吸板5，使之卡紧且不移位，T型螺栓7通过L型连接板6上的螺丝孔13将其固定在加工台面上，另一横边卡进加工设备台面的卡槽中。陶瓷板槽放在真空吸板5上通压缩空气，通过真空腔8吸附在真空吸板5上进行沟槽和打孔的精加工。
实施例1
本实施例加工的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的尺寸为长度500mm，宽度50mm，厚度为4mm。所采用的真空吸板5内的承接平台9有1个，得到的真空腔8为两个腔室；连接板6与凹槽11连接的端部设置为梯形，梯形的腰与凹槽11连接的端面的夹角为10°，梯形面长度为凹槽11深度的1.5倍。
所述的加工方法，包括以下步骤：
（1）将陶瓷原料装入等静压模具的瓦楞纸盒1内，然后盖上瓦楞纸盒盖101，然后将保鲜袋2采用真空封口机排除多余空气后透明胶带封口，然后套上环氧树脂板盒3，并盖上环氧树脂板盒盖，通过橡皮筋捆绑在一起，设置圆孔32的直径为10mm，圆孔32在环氧树脂板盒3的每个面上的数量为每英寸1.5个。
（2）将等静压压制成型的氧化铝陶瓷生坯料块经切割、烧成后，再经过平面磨削、端面磨削、宽度磨削后，加工成长度500mm，宽度50mm，厚度为4mm的薄板，然后采用精加工工装进行打孔、开槽。精加工工装具体工作步骤如下：将经过磨削后的薄板放置在精加工工装的真空吸板5的加工面51上，连接板6通过螺栓7和螺母12固定连接后使螺栓7、承接平板4处于同一水平上。连接板6梯形面的两侧边卡进真空吸板5长侧边的凹槽11，更好的契合真空吸板5，使之卡紧且不移位。通过真空吸板5上的通孔10连接上真空抽气管，然后通压缩空气，通过真空腔8吸附在真空吸板5上。设定好加工程序，依次进行精加工开槽、打孔，得到二氧化碳激光器用陶瓷板槽。
实施例2
本实施例加工的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的尺寸为长度300mm，宽度50mm，厚度为3.5mm。所采用的真空吸板5内的承接平台9有1个，得到的真空腔8为2个腔室；连接板6与凹槽11连接的端部设置为梯形，梯形的腰与凹槽11连接的端面的夹角为3°，梯形面长度为凹槽11深度的1.1倍。
所述的加工方法，包括以下步骤：
（1）将陶瓷原料装入等静压模具的瓦楞纸盒1内，然后盖上瓦楞纸盒盖101，然后将保鲜袋2采用真空封口机排除多余空气后透明胶带封口，然后套上环氧树脂板盒3，并盖上环氧树脂板盒盖，通过橡皮筋捆绑在一起，设置圆孔32的直径为5mm，圆孔32在环氧树脂板盒3的每个面上的数量为每英寸1个。
（2）将等静压压制成型的氧化铝陶瓷生坯料块经切割、烧成后，再经过平面磨削、端面磨削、宽度磨削后，加工成长度300mm，宽度50mm，厚度为3.5mm的薄板，然后采用精加工工装进行打孔、开槽。精加工工装具体工作步骤如下：将经过磨削后的薄板放置在精加工工装的真空吸板5的加工面51上，连接板6通过螺栓7和螺母12固定连接后使螺栓7、承接平板4处于同一水平上。连接板6梯形面的两侧边卡进真空吸板5长侧边的凹槽11，更好的契合真空吸板5，使之卡紧且不移位。通过真空吸板5上的通孔10连接上真空抽气管，然后通压缩空气，通过真空腔8吸附在真空吸板5上。设定好加工程序，依次进行精加工开槽、打孔，得到二氧化碳激光器用陶瓷板槽。
实施例3
本实施例加工的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的尺寸为长度800mm，宽度50mm，厚度为5mm。所采用的真空吸板5内的承接平台9有2个，得到的真空腔8为3个腔室；连接板6与凹槽11连接的端部设置为梯形，梯形的腰与凹槽11连接的端面的夹角为15°，梯形面长度为凹槽11深度的2倍。
所述的加工方法，包括以下步骤：
（1）将陶瓷原料装入等静压模具的瓦楞纸盒1内，然后盖上瓦楞纸盒盖101，然后将保鲜袋2采用真空封口机排除多余空气后透明胶带封口，然后套上环氧树脂板盒3，并盖上环氧树脂板盒盖，通过橡皮筋捆绑在一起，设置圆孔32的直径为20mm，圆孔32在环氧树脂板盒3的每个面上的数量为每英寸2个。
（2）将等静压压制成型的氧化铝陶瓷生坯料块经切割、烧成后，再经过平面磨削、端面磨削、宽度磨削后，加工成长度800mm，宽度50mm，厚度为5mm的薄板，然后采用精加工工装进行打孔、开槽。精加工工装具体工作步骤如下：将经过磨削后的薄板放置在精加工工装的真空吸板5的加工面51上，连接板6通过螺栓7和螺母12固定连接后使螺栓7、承接平板4处于同一水平上。连接板6梯形面的两侧边卡进真空吸板5长侧边的凹槽11，更好的契合真空吸板5，使之卡紧且不移位。通过真空吸板5上的通孔10连接上真空抽气管，然后通压缩空气，通过真空腔8吸附在真空吸板5上。设定好加工程序，依次进行精加工开槽、打孔，得到二氧化碳激光器用陶瓷板槽。
通过以上制备工艺与步骤制备出的二氧化碳激光器用陶瓷板槽，根据GB/T2997-2015，检测其体积密度；根据GB/T6569-2006，检测其弯曲强度；根据GB/T16534-2009，检测其维氏硬度；根据GB/T23806-2009，断裂韧性。根绝JJF1097-2003测试校正，检测结果如表1所示。
表1 检测结果
本发明提供的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，能够加工大尺寸、超薄型产品，且加工采用的等静压模具制作简单，加工所用的精加工工装，加工精准，保证了产品的高加工精度。
Claims (3)
1.一种二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：将陶瓷原料装入等静压模具，将等静压压制成型的氧化铝陶瓷生坯料块经切割、烧成后，再经过平面磨削、端面磨削、宽度磨削，采用精加工工装进行打孔、开槽，得到二氧化碳激光器用陶瓷板槽；
所述的等静压模具是瓦楞纸盒（1）、保鲜袋（2）、环氧树脂板盒（3）由内向外依次组装得到的，瓦楞纸盒（1）为带有瓦楞纸盒盖（101）的长方体结构，环氧树脂板盒（3）为带有环氧树脂板盒盖（31）的长方体结构，环氧树脂板盒（3）上设置有圆孔（32）；圆孔（32）的直径为5～20mm，圆孔（32）在环氧树脂板盒（3）的每个面上的数量为每英寸1～2个；
得到的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的长度为300～800mm，厚度为3.5～5mm。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法，其特征在于：环氧树脂板盒（3）的五个面以及环氧树脂板盒盖（31）之间是通过橡皮筋捆绑或者用胶粘接在一起的。
3.一种权利要求1-2任一项所述的二氧化碳激光器用陶瓷板槽的加工方法中采用的精加工工装，其特征在于：包括承接平板（4）、真空吸板（5）、连接板（6），真空吸板（5）放置在承接平板（4）上，真空吸板（5）内部由承接平台（9）分隔为连通的真空腔（8），真空吸板（5）的侧面（52）上设置有凹槽（11），连接板（6）通过凹槽（11）与真空吸板（5）连接固定，连接板（6）通过螺栓（7）和螺母（12）固定连接后使螺栓（7）、承接平板（4）处于同一水平上；真空吸板（5）的侧面设置有通孔（10），通孔（10）与真空腔（8）连通；
承接平板（4）的尺寸大于真空吸板（5）的尺寸；
连接板（6）为L型，螺栓（7）为T型；连接板（6）上设置有螺丝孔（13），螺栓（7）穿过螺丝孔（13）与螺母（12）固定；
承接平台（9）设置为单个或多个；
连接板（6）与凹槽（11）连接的端部设置为梯形，梯形的腰与凹槽（11）连接的端面的夹角为3～15°，梯形面长度为凹槽深度的1.1～2倍。
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