CN203275220U - 超声作用下硬脆材料去除的塑脆转换临界条件确定装置 - Google Patents
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Abstract
超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，包括刀具、测力单元及超声波振动部分，晶片设置在测力单元上，测力单元与X轴控制器连接，刀具与超声波振动部分、Z轴控制器连接;测力单元、X轴控制器连接和Z轴控制器均与电脑连接。本实用新型既能满足硬脆材料表面划痕实验的要求，又可获得超声作用下硬脆材料塑性域到脆性域转化的临界条件，为超声加工脆性材料提供了良好的理论基础和试验平台。
Description
技术领域
本实用新型属于硬脆材料去除技术领域，涉及一种超声作用下硬脆材料去除的塑性与脆性转换的临界条件确定装置。
背景技术
随着空间应用技术的迅猛发展，对光学系统的反射镜的要求越来越高。考虑到空间光学系统对反射镜轻量化的需求，对反射镜材料提出了一系列要求：低密度、高弹性模量、低热膨胀系数、高热导率和无热应力等。传统材料已经不能满足这些要求。碳化硅材料以其较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的热导率、耐热冲击性、高的比刚度和尺寸稳定性好等优点而成为具有良好应用前景的反射镜材料。但碳化硅由于高的硬度和脆性，加工相当困难，容易出现表面缺陷和裂纹。所以，对碳化硅切削机理进行研究，寻找碳化硅从塑性域转化到脆性域的临界条件，具有重要的意义。在塑性域中，可以实现碳化硅的无损加工，表面缺陷大大降低，加工过程容易实现。现有技术已经证明，碳化硅存在着塑性域加工。有文献表明，在超声作用下，玻璃材料的塑性域到脆性域转化的临界条件会发生变化。目前，还无法获得硬脆材料去除的塑性与脆性转换的临界条件。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种超声作用下硬脆材料去除的塑脆转换临界条件确定装置，为不同的硬脆材料提供其无损加工的极限条件，解决现有技术存在的对硬脆材料加工困难的问题。
本实用新型的技术方案是，超声作用下硬脆材料去除的塑脆转换临界条件确定装置,包括刀具、测力单元及超声波振动部分，晶片安装在测力单元上，测力单元与X轴控制器连接，刀具与超声波振动部分、Z轴控制器连接。
本实用新型的特点还在于：
测力单元、X轴控制器连接和Z轴控制器均与电脑连接。
超声波振动部分包括超声波发声器，超声波发声器包括换能器且通过变幅杆与导波杆连接，导波杆与刀具连接。
超声波振动部分设置在滑台上，滑台通过丝杠、联轴器与Z轴驱动电机连接。
测力单元包括夹紧装置，晶片设置在夹紧装置上，夹紧装置通过X轴控制器与X轴驱动电机连接。
测力单元还包括微动螺杆。
测力单元设置在床身上，床身上还设有立柱，刀具、Z轴驱动电机和超声波振动部分设置在立柱上。
本实用新型具有如下有益效果：
1、本实用新型既能满足硬脆材料表面划痕实验的要求，即传统的压痕、划痕测试，又可获得超声作用下硬脆材料塑性域到脆性域转化的临界条件。
2、通过本实用新型可获得在超声作用下硬脆材料在不同的加工深度下的材料去除机理，为实现硬脆材料超声辅助加工过程中的工艺参数如切削深度选择以实现塑性域加工提供条件；另外，本实用新型可以应用于硬脆材料超声辅助加工效果的研究。
3、通过本实用新型，能够根据超声振动划过硬脆材料表面产生的切屑获得硬脆材料的塑性域到脆性域转换的临界数值，为获得的塑脆转换的临界切削深度进行验证和解释。
4、本实用新型为超声加工脆性材料提供了良好的理论基础和试验平台。
附图说明
图1本实用新型超声作用下硬脆材料去除的塑脆转换临界条件确定装置结构示意图；
图2硬脆材料表面的划痕图；
图3硬脆材料塑性与脆性划痕对比图；
图4几种划痕的切屑对比图。
图中：1.Z轴驱动电机，2.联轴器，3.丝杠，4.滑台，5.换能器，6.变幅杆，7.导波杆，8.刀具，9.立柱,10.晶片，11.床身，12.X轴驱动电机，13.微动螺杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
超声作用下硬脆材料的加工装置，包括刀具8、测力单元及超声波振动部分，晶片设置在测力单元上，测力单元与X轴控制器连接，刀具与超声波振动部分、Z轴控制器连接。
测力单元、X轴控制器连接和Z轴控制器均与电脑连接。
超声波振动部分包括超声波发声器，超声波发声器包括换能器5且通过变幅杆6与导波杆7连接，导波杆7与刀具8连接。
超声波振动部分设置在滑台4上，滑台通过丝杠3、联轴器2与Z轴驱动电机1连接。
测力单元包括夹紧装置，晶片10设置在夹紧装置上，夹紧装置通过X轴控制器与X轴驱动电机12连接。
测力单元还包括微动螺杆13。
测力单元设置在床身上，床身上还设有立柱9，刀具8、Z轴驱动电机1和超声波振动部分设置在立柱9上。
如图1所示，晶片（硬脆材料）10安装在测力单元上，启动机床，启动超声波发生器，在Z轴控制器的作用下，Z轴驱动电机1通过联轴器2带动丝杠3转动，带动滑台4移动，刀尖逐渐靠近晶片，离晶片大约5mm处停止Z轴移动，然后在X轴驱动电机12的控制下（工作方式同Z轴移动方式），移动X轴，调整刀尖在晶片上的相对位置，然后通过微动螺杆13进一步调整刀尖相对于晶片的位置。调整完毕后，在Z轴驱动电机1的作用下进一步让刀尖接近晶片10，从测力单元上读取刀尖对晶片10的压力，当压力达到实验压力时，停止Z轴移动；然后在X轴驱动电机12的作用下，在晶片表面形成划痕，划痕完毕后，可以通过调整微动螺杆13调整划痕与划痕之间的间隙。
超声波振动部分包括超声波发生器、换能器6、变幅杆7和导波杆8，该部分的作用是刀具9在与晶片10形成划痕的过程中，带动刀尖在平衡位置做波形为正弦曲线的超声振动，达到改善切削力波形的目的，即减小切削过程中的切削力和切削热，有利于加工出更好的晶片表面质量，减小亚表面损伤层。
实施例，将晶片10安装在测力单元上，用夹紧装置夹紧，启动机床，启动超声波发生器；第二步：在Z轴控制器的作用下，Z轴驱动电机1通过联轴器2带动丝杠3转动，带动滑台4移动，金刚石刀具8的刀尖逐渐靠近晶片10，离晶片10大约5mm处停止Z轴移动；第三步：在X轴驱动电机12的控制下（工作方式同Z轴移动方式），移动X轴，调整刀尖在晶片上的相对位置，然后通过微动螺杆13进一步调整刀具8的刀尖相对于晶片10的位置；第四步：调整完毕后，在Z轴驱动电机1的作用下进一步让刀具8的刀尖接近晶片10，从测力单元上读取刀具8的刀尖对晶片10的压力，当压力达到实验压力时，停止Z轴移动；第五步：在X轴驱动电机12的作用下，在晶片表面形成划痕，划痕完毕后，在Z轴驱动电机的作用下，带动刀具8的刀尖远离晶片，通过调整微动螺杆13调整划痕与划痕之间的间隙。重复第二步、第三步、第四步和第五步，直到实验结束；第六步：关闭机床，关闭超声波发生器。
通过超声划痕实验，研究了SiC单晶的塑性去除和脆性去除转换的临界切削深度。为获得准确的实验数据，将工件与刀具用丙酮清洗，晾干，然后将工件和刀具安装在实验台上，让刀具接近工件，当加载力达到预期载荷时，通过X轴控制器移动X平台使刀具在工件表面形成划痕，每道划痕长度为4mm，然后移动刀具远离工件表面，旋转微动旋钮调整划痕间距，按照不同的力，重复以上划痕过程，形成如图3所示的不同力作用在金刚石刀具在SiC单晶表面上产生的划痕。
通过SEM观察每道划痕的材料去除方式，找到以塑性方式去除的划痕，如图4中a与c区域所示，通过SEM测得每道划痕的深度。可以看到SiC单晶片表面划痕a,c区域的材料为塑性去除，其典型特征是可以明显看出刀具在工件表面上产生的划擦和犁耕痕迹；b脆性断裂去除，晶片表面呈现出片状和块状断裂痕迹。a与c区域可通过SEM测得每道划痕的深度，获得SiC单晶在静态下的塑脆转换的临界切削深度，并可根据SEM下观察到的实验中收集到的切屑，如图5进行验证，图5中a和b为塑性切屑，呈现连续状。c和d为塑性与脆性共存切屑，可以看出既有脆性断裂又有塑性状态切屑。e和f为脆性断裂切屑，可以明显看出块状崩碎屑。根据划痕和切屑的对比分析，可以获得硬脆材料的塑脆转变临界切削深度。通过开启或关闭超声振动，测得有超声振动和无超声振动下的塑脆转变的临界切削深度。
Claims (7)
1.超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，其特征在于：包括刀具（8）、测力单元及超声波振动部分，晶片（10）设置在所述测力单元上，所述测力单元与X轴控制器连接，所述刀具（8）与所述超声波振动部分、Z轴控制器连接。
2.如权利要求1所述的超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，其特征在于：所述测力单元、X轴控制器连接和Z轴控制器均与电脑连接。
3.如权利要求1或2所述的超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，其特征在于：所述超声波振动部分包括超声波发声器，所述超声波发声器包括换能器（5）且通过变幅杆（6）与导波杆（7）连接，所述导波杆（7）与所述刀具（8）连接。
4.如权利要求3所述的超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，其特征在于：所述超声波振动部分设置在滑台（4）上，所述滑台（4）通过丝杠（3）、联轴器（2）与Z轴驱动电机（1）连接。
5.如权利要求4所述的超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，其特征在于：所述测力单元包括夹紧装置，所述晶片（10）设置在所述夹紧装置上，所述夹紧装置通过X轴控制器与X轴驱动电机（12）连接。
6.如权利要求5所述的超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，其特征在于：所述测力单元还包括微动螺杆（13）。
7.如权利要求6所述的超声作用下硬脆材料的塑脆转变临界条件确定装置，其特征在于：所述测力单元设置在床身上，所述床身上还设有立柱（9），所述刀具（8）、Z轴驱动电机（1）和超声波振动部分设置在所述立柱（9）上。
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