[发明专利]工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于硬脆材料的加工技术领域，具体涉及一种工程陶瓷材料的特种加工方法。

背景技术

工程陶瓷材料因具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐热、抗腐蚀、抗氧化、防核辐射等优异的性能，被日益广泛地应用于机械、电子、航空航天、能源、军事等领域，但其高脆性、高硬度给加工带来了极大的困难。

目前国内外加工陶瓷的主要手段是用金刚石砂轮磨削，但只能加工简单的平面或圆弧曲面组成的零件，对于复杂的型腔或型面则无法加工，因而限制了陶瓷材料的应用与发展。另外，由于陶瓷烧结后收缩变形量大于20%，结构尺寸很难象金属那样精确控制，所以一般加工余量比金属要大50%左右，而磨削深度仅是金属的1/8-1/10，完全依靠磨削这种精加工的方法去做本应粗加工完成的主要材料去除工作，所以加工效率很低，且金刚石砂轮耗损过快，致使加工成本很高。据统计，工程陶瓷加工工艺的80%是采用金刚石砂轮进行磨削加工的，其加工成本占到陶瓷元件总成本的60-90％。由此看来，与金属加工相比，陶瓷加工效率低、加工成本高的根本原因，是缺乏适应陶瓷材料特性的粗加工方法。

近年来，特种加工技术在工程陶瓷加工领域得到了广泛的应用，如激光加工、激光加热辅助加工、电火花加工、等离子弧切割、高压磨料水射流加工、引弧微爆炸加工等。其中，引弧微爆炸加工作为一种可行的加工方法，已经在高效、低成本等方面显露出较为明显的优势。引弧微爆炸加工技术是一项针对工程陶瓷材料粗加工的特种加工方法，具有系统组成简单、加工成本低、效率高、参数可控性好、对陶瓷工件损伤较小、加工范围广泛等特点。加工系统工作时，以微爆炸发生器的喷嘴作为阳极，铪极为阴极，利用专用脉冲电源在通电后产生的高频电压击穿阳极与阴极间的间隙，形成火花放电使电流急剧增加，气体电离程度随之猛烈增长，从而诱导出微爆炸并产生具有高温高压特性的等离子体射流。等离子体射流由微爆炸发生器喷嘴喷射出，作用到下方的陶瓷工件，在极短的时间内，其高温高冲击能量使陶瓷表面材料熔化、汽化及裂纹扩展形成蚀坑，从而去除材料。随着数控工作台的三维进给运动，蚀坑按照点-线-面的顺序扩展，可完成各种形状工件的加工。由于引弧微爆炸加工是一种粗加工技术，因此加工后工件表面比较粗糙，并存在一些损伤。

激光辅助加工技术近年来在陶瓷零件加工领域得到了较快速的发展。工程陶瓷的激光辅助加工方法是使用激光作为外加热源先于刀具加热软化陶瓷工件，然后再使用刀具将软化的材料去除。陶瓷材料软化后，其屈服应力和硬度降低，其变形特征从脆性转变为塑性或者准塑性，切削力降低，在此条件下，可以用耐高温刀具对陶瓷材料进行像切削金属材料一样加工，从而提高切削效率和延长刀具使用寿命。激光辅助加工陶瓷的存在的问题主要包括两点，一是对激光束参数的控制，必须与工件材料性能和切削参数密切相关；二是刀具由于接触传热导致的温升使其硬度下降，刀具磨损仍然比较严重，尽管有人提出用液氮内循环降低刀具的温度，但效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是针对工程陶瓷等硬脆性材料的加工难题，提出一种工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法及装置，将激光辅助加工与引弧微爆炸加工相结合的、通过激光加热辅助方式使加工区域的陶瓷材料快速软化而后进行引弧微爆炸加工去除。

本发明提出的一种工程陶瓷材料的激光加热辅助引弧微爆炸加工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1）将激光器发出的激光束经激光头聚焦后倾斜照射于待加工的工程陶瓷工件表面；将引弧微爆炸发生器的喷嘴垂直向下对准该工程陶瓷工件表面；

2）待加工的工程陶瓷工件随工作台持续做进给运动，调整激光的工作参数使激光光斑瞬间将工程陶瓷工件表面照射区域的微区温度升高至陶瓷材料的软化温度，对该微区先进行激光预热，造成该区陶瓷材料的硬度下降，塑性提高；

3）工作台继续进给，使工程陶瓷工件软化区域移进至引弧微爆炸发生器喷嘴下方，再进行引弧微爆炸加工，使微爆炸发生器喷射出的微爆炸等离子体射流随之作用于该软化区域，使软化的工程陶瓷工件材料在引弧微爆炸的热与爆炸冲击力的联合作用下被去除并抛离工件基体；

4）重复步骤2）-3）的过程，直至待加工的工程陶瓷工件加工结束。