專利名稱：基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷磨削加工方法
技術領域：
本發明涉及一種難加工材料的加工方法，尤其是一種非導電難加工材料的加工方法，具體地說是一種能提高非導電工程陶瓷加工效率，快速去除材料并保障加工表面質量與精度的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法。
背景技術：
眾所周知，非導電工程陶瓷(包括Al203、&02、Si3N4、SiC等)由于具有強度高、硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、非導電、熱膨脹系數低等優良性能，日益廣泛地應用于機械、電子、冶金、化工、石油地質鉆探、航空航天和核工業等領域。現代工業對工程陶瓷構件的加工效率、表面質量和精度等要求越來越高，但是現有的熱壓、燒結、真空熱擠壓等工藝僅能成形出幾何形狀較為簡單和精度較低的工程陶瓷構件，對于精度要求較高或形狀較復雜的陶瓷構件，則必須進行后續加工。而多為共價鍵、離子鍵或其混合形式組成的晶體或粉末結構決定了工程陶瓷的硬脆性和難加工性。電火花加工是利用電、熱能而不是機械能蝕除材料的，可以加工任何硬、脆、韌、軟及高熔點的導電材料，且專長于難加工材料、復雜型面及薄壁件。由于非導電工程陶瓷是絕緣體，不能直接作為電極對之一而采用電火花加工，因此， 非導電工程陶瓷電火花加工技術的研究與開發，就成為了當今電火花加工技術領域的一個研究難點。目前對絕緣體的電火花加工主要有高壓電火花加工方法、電解電火花加工方法及輔助電極法電火花加工等。高壓電火花加工方法可以把絕緣體作為介質來進行加工，這種加工方法對絕緣體在粗加工時效率高、成本低，但加工表面形狀粗糙，工件厚度受限，通常只用于打孔加工且深度不深，否則側面放電嚴重，加工無法正常進行。日本學者福澤康、毛利尚武提出了絕緣陶瓷材料的輔助電極電解電火花加工方法，但仍未達到實用化的程度。 電解電火花加工在本質上就是一種使用電解液作為輔助電極的電火花加工技術，該方法一直是國內外學者研究的熱點，但是存在精度差、效率低、易銹蝕機床和對環境有污染等缺陷。日本學者黑松彰雄等開展了機械電解電火花復合磨削技術的研究工作，該復合磨削方法與單純的機械磨削方法相比具有加工效率較高、表面質量好和成本低等優點，但加工過程中會排出一些有害氣體，易污染環境和銹蝕機床，也未能在實際生產中得到推廣應用。輔助電極法電火花加工是利用電極和輔助導電電極之間電火花放電使煤油工作液中產生熱分解，其分解出的碳沉積在絕緣陶瓷加工表面不斷形成導電膜，使絕緣陶瓷的加工表面具有導電性，從而實現了對絕緣陶瓷的電火花放電加工，但進行導電化處理而使加工成本提高，加工效率很低且不穩定。中國專利01261619. 2提出了雙極性砂輪電火花機械復合磨削加工方法，可以實現非導電工程陶瓷材料的高效精密加工，但此方法放電難以控制、電能利用率低，并且存在電解液銹蝕機床污染環境的問題。中國專利CN200410023547. X涉及一種非導電超硬材料電火花機械復合磨削方法及機床，此加工方法綜合利用了電火花加工和機械磨削的能量， 并能在去除材料的同時對磨輪進行修整，時刻保持磨輪磨粒的銳利，降低了成本，提高了材料去除率和表面質量，但因技術需要其選用的磨輪為45鋼輪，硬度較低，機械磨削作用難以全部磨除電火花蝕除作用在工件表面上形成的變質層和鍍覆層，因而加工后的表面留有部分變質層的材料，并且加工效率也不高。電火花機械復合磨削加工方法的總體思路均是利用電火花加工放電所釋放的熱量加熱在放電通道附件區域的絕緣材料，改變其硬度、脆性及韌性，然后再通過機械加工的方法加以去除。加熱的效果主要依賴于脈沖電源的能量輸出。但電火花加工放電釋放出的熱量只是集中在很小的放電通道附近區域，傳輸到絕緣體的熱量十分有限且利用率很低，導致對絕緣體的“軟化作用有限”，使得上述方法的加工效率均不高。
發明內容
本發明的目的是針對目前絕緣材料加工效率低的問題，發明一種通過輔助電極可控燒蝕方式使被加工的非導電工程陶瓷材料快速軟化而后磨削去除的加工方法。本發明的技術方案是
一種基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是采用導電的金屬粘合劑砂輪作為磨輪，并做高速旋轉運動，在磨輪和非導電工程陶瓷之間依靠送進機構連續送入導電輔助電極，并使導電輔助電極前端貼緊加工區域的非導電工程陶瓷材料的表面，在脈沖電壓作用下使磨輪與導電輔助電極之間產生火花放電，在此過程中向加工區域連續或間歇通入能與導電片狀輔助電極材料產生燒蝕放熱效應的助燃氣體，使加工處于電火花誘導放電——輔助電極燒蝕——磨輪對非導電工程陶瓷磨削狀態；磨輪與導電輔助電極在電火花放電作用下產生放電，導電輔助電極材料達到燃點溫度以上而處于熔融甚至氣化狀態與通入的能產生燒蝕放熱效應的助燃氣體發生燒蝕反應，并釋放出大量的熱， 所述的熱量作用于非導電工程陶瓷材料表面，使非導電工程陶瓷材料加熱至軟化甚至熔融狀態，然后在磨輪的磨削作用下將其磨削去除；在加工過程中，部分燒蝕的熱量傳遞到磨輪表面，以保持磨輪的形狀精度和自銳性，降低磨輪所受到的磨削力，從而延長磨輪的使用壽命；以上過程重復進行，可控燒蝕與磨削加工兩種狀態始終交替進行直至加工結束。所述的導電輔助電極為片狀電極，該片狀導電輔助電極的厚度選擇以盡可能接近磨削區域為原則，一般在0. 20 mm左右，可在0. 1-0. 30 mm之間。所述的導電輔助電極為能與助燃氣體發生劇烈放熱反應的鐵基材料或有色金屬合金(如鈦合金)。本發明在向加工區域連續或間歇通入能與導電片狀輔助電極材料產生燒蝕放熱效應的氣體的同時還向加工區域以包裹氣體的方式噴射工作液或將加工區域浸沒在工作液中以壓迫助燃氣體，強化燒蝕作用，并加速加工產物的排出，所述的工作液為水或非可燃水溶性工作液(如乳化液或復合工作液)。所述的非導電工程陶瓷為Al2O3陶瓷、^O2陶瓷、Si3N4陶瓷或SiC陶瓷。所述的助燃氣體為氧氣、氯氣、氮氣和氟氣中的一種或一種以上的組合。本發明可通過氣流控制裝置的主動間歇控制或直接利用磨輪的高速旋轉運動使燒蝕區域強迫轉移從而達到向加工區域間歇供應助燃氣體并達到控制燒蝕釋放的熱量的目的
所述的助燃氣體的工作壓力為0.01、0 MPa0
本發明可用于平面磨削，也可以用于外圓磨削或內圓磨削。本發明的加工方法還可進一步描述為
第一、導電片狀輔助電極與金屬粘合劑砂輪分別接脈沖電源的正負極，對加工區域通入氧氣(或其它助燃氣體)，先在金屬粘合劑砂輪與導電片狀輔助電極之間產生放電，從而使片狀輔助電極達到燃點，然后在氧氣(或其它助燃氣體)作用下形成高溫燒蝕，釋放熱量。第二、燒蝕的熱量傳導作用于非導電工程陶瓷材料表面，使基體表面材料加熱至軟化狀態。燒蝕熱量的控制可以依靠氣體的間歇供給或氣體連續供給時氣體流量、壓力、砂輪轉速及導電片狀輔助電極的送進速度、材料及尺寸等進行調整。所述的氣體的工作壓力為 0.01 90 MPa0第三、在砂輪的磨削作用下將軟化區工程陶瓷材料表面磨削去除，并露出新的基體材料表面。隨著工件的進給以及導電片狀輔助電極的送進，重復上述加工過程。整個加工過程中可以利用高壓液體工作介質沖刷加工區域，包裹氣體，也可以采用將整個加工區域浸入工作液并結合高壓沖液的方式以壓迫氣體，強化燒蝕作用，并加速加工產物的排出。所述的電火花加工的工作介質為水或非可燃水溶性工作液(乳化液、復合工作液等)
本發明的有益效果
本發明通過在金屬粘合劑砂輪與緊貼著絕緣工程陶瓷的片狀輔助電極的電火花誘導作用下，連續或間歇地通入能與輔助電極(鐵基金屬或鈦等有色金屬)發生燒蝕反應的氣體 (如氧氣)，釋放出大量的熱(比為同一時間內電火花放電能量高出3 4個數量級)，這些熱量能夠直接擴散至絕緣工程陶瓷表面，使陶瓷材料產生軟化效應，然后在磨輪的磨削作用下去除。少量的熱量會傳遞到磨輪表面，對磨輪表面進行在線修整，保持磨輪的自銳性。加工過程中磨輪所受到的磨削力很小，因此可以進行大深度磨削，同時也延長了磨輪的使用壽命，并且由于磨削力很小，使得對機床的剛性要求可適當降低。本發明通過電火花的誘導作用，利用導電片狀輔助電極材料可控燒蝕釋放的大量化學能，軟化了加工區域非導電工程陶瓷材料表面，大大提高了蝕除效率。由于大大的減小了磨削力，使得磨輪損耗較小，延長了磨輪的使用壽命。燒蝕熱量的控制可以依靠氣體的間歇供給或氣體連續供給時氣體流量、壓力、砂輪轉速及導電片狀輔助電極的送進速度、材料及尺寸等進行調整。本發明可以對平面、圓柱等幾何形狀的絕緣材料進行表面加工。本發明與常規電火花磨削加工相比可數倍甚至數十倍地提高材料蝕除效率，很好地解決了非導電工程陶瓷材料加工效率低的難題，對降低非導電工程陶瓷材料的加工成本，擴大應用范圍有很大的作用。本發明仍屬于電火花磨削加工，但磨削力較小，對于機床剛性的要求可以適當降低；由于采用了水或非可燃水溶性工作液作為工作介質，不存在油性工作液電火花加工中產生的環境污染，火災隱患等問題，是一種高效、低損耗、低成本、安全、無污染的加工方法。
圖1是本發明的一個加工裝置原理示意圖。圖2是本發明的加工過程示意圖。
其中
圖2 (a)是電火花放電誘導活化導電片狀輔助電極材料示意圖。圖2 (b)是導電片狀輔助電極材料活化區擴大和Al2O3陶瓷表面形成軟化區過程示意圖。圖2 (C)是Al2O3陶瓷表面軟化區繼續擴大和機械磨削過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1、2所示。一種基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法，它包括以下步驟
首先，采用導電的金屬粘合劑砂輪作為磨輪，并做高速旋轉運動，在磨輪和非導電工程陶瓷(可為Al2O3陶瓷、^O2陶瓷、Si3N4陶瓷或SiC陶瓷)之間依靠送進機構連續送入導電輔助電極，導電輔助電極應采用片狀導電輔助電極，導電輔助電極的材料最好采用能與助燃氣體(氧氣、氯氣、氮氣和氟氣中的一種或一種以上的組合)發生劇烈放熱反應的鐵基材料或有色金屬合金(如鈦合金)，為使得可控燒蝕盡可能接近加工區，片狀導電輔助電極的厚度應在0.20 mm左右；同時應使片狀導電輔助電極前端盡可能地貼緊加工區域的非導電工程陶瓷材料的表面，在脈沖電壓作用下使磨輪與導電輔助電極之間產生火花放電，在此過程中向加工區域連續或間歇通入能與導電片狀輔助電極材料產生燒蝕放熱效應的壓力為0. 0Γ90 MI^的助燃氣體(間歇控制可主動采用常規的氣流控制裝置加以實現，也可直接利用磨輪的高速旋轉運動使燒蝕區域強迫轉移從而達到向加工區域間歇性供應助燃氣體的目的)，在向加工區域通入助燃氣體的同時最好能同時向加工區域以包裹氣體的方式噴射工作液或將加工區域浸沒在工作液中以壓迫助燃氣體，強化燒蝕作用，并加速加工產物的排出，所述的工作液為水或非可燃水溶性工作液(如乳化液或復合工作液)，這樣可使加工處于電火花誘導放電——輔助電極燒蝕——磨輪對非導電工程陶瓷磨削狀態；磨輪與導電輔助電極在電火花放電作用下產生放電，導電輔助電極材料達到燃點溫度以上而處于熔融甚至氣化狀態與通入的能產生燒蝕放熱效應的助燃氣體發生燒蝕反應，生成燒蝕產物， 并釋放出大量的熱，所述的熱量作用于非導電工程陶瓷材料表面，使非導電工程陶瓷材料加熱至軟化甚至熔融狀態，然后在磨輪的磨削作用下將其磨削去除；在加工過程中，部分燒蝕的熱量傳遞到磨輪表面，保持磨輪的形狀精度和自銳性，以降低磨輪所受到的磨削力，從而延長磨輪的使用壽命；以上過程重復進行，可控燒蝕與磨削加工兩種狀態始終交替進行直至加工結束。本發明可用于平面磨削，也可以用于外圓磨削或內圓磨削。下面結合Al2O3陶瓷的磨削加工方法對本發明作進一步的說明。對本領域的普通技術人員而言可參照本發明的思路和提供的步驟很容易得到其它類似材料的磨削加工方法，故不再一一羅列。一種基于放電誘導可控燒蝕及放電磨削加工Al2O3陶瓷的新方法(如圖1、2所示)， 包括以下步驟
第一步、構建加工裝置系統。如圖1所示，導電片狀輔助電極與金屬粘合劑砂輪分別接脈沖電源的正負極，產生電火花放電，導電片狀輔助電極前端盡量貼緊在陶瓷表面。采用復合工作液作為液體工作介質，高壓氧氣周圍由復合工作液包圍，直接利用磨輪的高速旋轉運動使燒蝕區域強迫轉移從而達到在加工區域實現間歇性氣流供氣的效果，通過向加工區域噴射復合工作液以壓迫可燃氣體，強化燒蝕作用，并加速加工產物的排出。第二步、放電誘導可控燒蝕及放電磨削加工。該加工方法從微觀上分為三個過程
1、如圖2(a)所示，在電火花放電誘導作用下，片狀輔助電極與金屬粘合劑砂輪之間形成放電通道，少量片狀輔助電極材料被火花放電蝕除，形成放電凹坑，凹坑及附近輔助電極材料由于溫度較高，形成活化區，表面材料達到燃點；
2、如圖2(b)所示，活化區材料在氧氣的作用下，發生劇烈的燒蝕反應，釋放出大量的熱量，使活化區進一步擴大。此外，由于片狀輔助電極很薄(厚度可在0.1-0. 30 mm之間選取，一般以0. 20 mm左右為宜)并貼緊陶瓷表面，釋放的熱量作用于Al2O3陶瓷材料，使其加熱至軟化甚至熔化狀態，從而在Al2O3陶瓷表面形成軟化區；
3、如圖2(c)所示，在氧氣的持續作用下，由于片狀輔助電極材料邊燒蝕邊送進，使被加工Al2O3陶瓷基體材料軟化區也進一步擴大，然后在金屬粘合劑砂輪的作用下，僅需要很小的磨削力便可將Al2O3陶瓷的軟化區磨削去除。通入氧氣的壓力可在0.0廣90 MI^a之間選擇。重復上述過程直至加工完成。第三步、進給及軌跡控制。導電片狀輔助電極根據極間狀態沿工件表面向高速旋轉的金屬粘合劑砂輪作進給運動，同時工件相對于金屬粘合劑砂輪也作伺服進給運動，并采用軌跡控制蝕除Al2O3陶瓷，完成加工。表1為對Al2O3陶瓷采用放電誘導可控燒蝕及電火花磨削加工、常規電火花磨削加工和常規機械磨削加工的方法對比。表1 Al2O3陶瓷加工方法對比
權利要求
1.一種基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是采用導電的金屬粘合劑砂輪作為磨輪，在磨輪和非導電工程陶瓷之間連續送入導電輔助電極，并使導電輔助電極前端貼緊加工區域的非導電工程陶瓷材料表面，在脈沖電壓作用下使磨輪與導電輔助電極之間產生火花放電，在此過程中向加工區域連續或間歇通入能與導電片狀輔助電極材料產生燒蝕放熱效應的助燃氣體，使加工處于電火花誘導放電一輔助電極燒蝕一磨輪對非導電工程陶瓷磨削狀態；磨輪與導電輔助電極在電火花放電作用下產生放電，導電輔助電極材料達到燃點溫度以上而處于熔融甚至氣化狀態與通入的能產生燒蝕放熱效應的助燃氣體發生燒蝕反應，生成燒蝕產物，該燒蝕過程釋放出大量的熱量，所述的熱量作用于非導電工程陶瓷材料表面，使非導電工程陶瓷材料加熱軟化甚至達到熔融狀態， 然后在磨輪的磨削作用下將其磨削去除；在加工過程中，部分燒蝕產生的熱量傳遞到磨輪表面，使磨輪保持形狀精度和自銳性，以降低磨輪所受到的磨削力，從而延長磨輪的使用壽命；以上過程重復進行，可控燒蝕與磨削加工兩種狀態始終交替進行直至加工結束。
2.根據權利要求1所述的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法， 其特征是所述的導電輔助電極為片狀電極，該片狀導電輔助電極的厚度0. 1-0. 30 mm。
3.根據權利要求1或2所述的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是所述的導電輔助電極為能與助燃氣體發生劇烈放熱反應的鐵基材料或有色金屬合金。
4.根據權利要求1所述的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法， 其特征是在向加工區域連續或間歇通入能與導電片狀輔助電極材料產生燒蝕放熱效應的氣體的同時，還向加工區域以包裹氣體的方式噴射工作液或將加工區域浸沒在工作液中以壓迫助燃氣體，強化燒蝕作用，并加速加工產物的排出，所述的工作液為水或非可燃水溶性工作液。
5.根據權利要求1所述的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法， 其特征是所述的非導電工程陶瓷為Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷、Si3N4陶瓷或SiC陶瓷。
6.根據權利要求1所述的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法， 其特征是所述的助燃氣體為氧氣、氯氣、氮氣和氟氣中的一種或一種以上的組合。
7.根據權利要求1所述的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法， 其特征是通過氣流控制裝置的主動間歇控制或直接利用磨輪的高速旋轉運動使燒蝕區域強迫轉移從而達到向加工區域間歇供應助燃氣體從而達到控制燒蝕釋放的熱量的目的。
8.根據權利要求1所述的基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法， 其特征是所述的助燃氣體的工作壓力為0.01、0 MPa0
全文摘要
一種基于放電誘導可控燒蝕的非導電工程陶瓷的磨削加工方法，其特征是采用導電的金屬粘合劑砂輪作為磨輪，在磨輪和非導電工程陶瓷之間連續送入導電輔助電極，在脈沖電壓作用下使磨輪與導電輔助電極之間產生火花放電，在此過程中向加工區域連續或間歇通入能與導電片狀輔助電極材料產生燒蝕放熱效應的助燃氣體，使加工處于電火花誘導放電——輔助電極燒蝕——磨輪對非導電工程陶瓷磨削狀態；磨輪與導電輔助電極在電火花放電作用下產生放電，導電輔助電極材料達到燃點溫度以上而處于熔融甚至氣化狀態與通入的能產生燒蝕放熱效應的助燃氣體發生燒蝕反應，生成燒蝕產物，并物釋放出大量的熱，所述的熱量作用于非導電工程陶瓷材料表面，使非導電工程陶瓷材料表面加熱至軟化甚至熔融狀態，然后在磨輪的磨削作用下將其磨削去除。本發明具有加工效率高，綠色環保的優點。
文檔編號B23P23/02GK102172833SQ20111004160
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月21日 優先權日2011年2月21日
發明者劉志東, 汪煒, 王祥志, 田宗軍, 邱明波, 黃因慧 申請人:南京航空航天大學