专利名称：纳米氧化锆陶瓷材料微切工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米氧化锆陶瓷材料的加工方法和机械，即一种纳米氧化锆陶瓷
材料微切工艺及设备。
背景技术：
纳米氧化锆陶瓷材料是在氧化锆陶瓷材料的基础上加入纳米粒子而得到的新型 医用材料，广泛应用于口腔修复及生物关节制造等领域。目前，纳米氧化锆医用陶瓷常用热 压烧结制造成型，由于烧结过程常常带来变形和收縮，尺寸精度和形状精度都难以控制，因 此烧结的坯料还需要进行精加工才能制成医用陶瓷制品。由于加工零件特征尺寸极小，一 般在30-300微米之间，因而需要采用微铣削设备进行加工。 微铣削属于微细加工技术，其加工精度极高，切削尺寸极其微细，现零件尺寸已达 毫米级、特征尺寸达微米级、铣刀直径在0. 5mm以下，被称之为"介观尺度"或"微纳尺度"， 在复杂微三维结构的加工中具有独特的优势。可是，现有的微切削设备还不能适应纳米氧 化锆陶瓷材料的加工要求。现有微切削设备主要有硅加工设备和超精密加工设备。超精密 加工设备庞大、加工成本高。硅加工设备材料有限、难以加工复杂3D形状产品，特别是纳米 氧化锆陶瓷材料的强度和硬度极高，而微铣削铣刀的刚性很差，难以满足切削的需要，导致 加工零件尺寸精度、形状精度以及表面质量不能满足临床要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于对纳米氧化锆陶瓷材料进行微铣削加工，特别是能 够降低切削难度，提高加工质量，满足医用材料要求的微切工艺。 本发明的另一 目的是提供一种适于对纳米氧化锆陶瓷材料进行微铣削加工的设 备。 上述目的是由以下技术方案实现的一种适于对纳米氧化锆陶瓷材料进行微铣削 加工的工艺，也是采用微铣削铣刀对纳米氧化锆陶瓷材料进行切削，其特点是在所说的切 削过程中采用激光对切削点周围进行加热处理。 所说的激光加热处理，是用高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，将温度升 高到600-140(TC，促使材料局部软化，降低切削阻力。 —种适于对纳米氧化锆陶瓷材料进行微铣削加工的设备，其特点是在这种设备 的机架上设有装卡工件的六自由度并联平台，并装有与这个平台相对的安装铣刀的电主轴 和安装激光刀具的激光主轴。 所说的六自由度并联平台有定台板和动台板，定台板固定在机架的底座上，动台 板与定台板相对，定台板和动台板之间有六个伸縮杆相支撑，每个伸縮杆的两端和定台板 或动台板之间均通过万向节铰链连接。 所说的伸縮杆是由活塞杆和汽缸组成，汽缸尾端通过电磁阀和单向阀与气压驱动 装置相连，在汽缸的前端设有排气装置。在汽缸上设有位置检测传感器，通过外接计数器与计算机控制系统相联系。汽缸尾端与定平台之间由球形万向节7相铰接，活塞杆上端和动 平台之间由球形万向节相铰接。 所说的电主轴是由电动机的输出轴与安装铣刀的主轴相连而成，主轴通过前磁悬 浮轴承、磁悬浮轴承、后磁悬浮轴承、以及前后两套陶瓷球轴承装配，主轴装有轴向位移传 感器和振动传感器，在铣刀和电动机附近均装有温度传感器，电主轴内置脉冲编码器和冷 却水循环系统。 所说的激光主轴里面装有内汽缸，内汽缸的塞杆外端铰链杠杆，杠杆与激光刀具 相连。 本发明的有益效果是采用激光加热工艺解决了材料硬度高，切削困难的问题。采 用六自由度并联平台和电主轴等装置，可在计算机控制下，可以完成纳米氧化锆陶瓷材料 的微切削作业。上述设备是将传统的机械加工技术应用于微制造领域的小型化机床设备， 本身可以减少热变形误差，提高响应速度，达到较高的精度；与现有硅加工设备和超精密机 床相比，具有价格便宜、空间利用率高、能源消耗小、生产成本低等优点。
图1是一种实施例的主视图；
图2是这种实施例的左视图； 图3是这种实施例的部件平台的立体结构示意图；
图4是这种实施例的部件伸縮杆的主视图；
图5是这种实施例的部件电主轴的主视图；
图6是这种实施例的部件刀具卡盘的主视图；
图7是这种实施例的部件激光主轴的主视图。 图中可见机架l，平台2，动台板3，伸縮杆4，定台板5，底座6，万向节7，激光主 轴8，电主轴9，汽缸10，活塞杆11 ，活塞12，位置检测传感器13，连接管14，电磁阀15，单向 阀16，主轴17，温度传感器18，轴向位移传感器19，振动传感器20，冷却水入口 21，陶瓷球 轴承22，冷却水出口 23，磁悬浮后轴承24，磁悬浮轴承25，磁悬浮前轴承26，夹头27，夹持 孔28，加压腔29，内汽缸30、内汽缸活塞杆31、杠杆32、激光刀33。
具体实施例方式
本发明总的构思是针对纳米氧化锆陶瓷材料的硬度高，现有微切削设备难以满足 切削需要的现状，采用了激光加热局部软化工艺，并在现有小型机床的基础上研制了一种 程序控制微切削设备，解决了医用纳米氧化锆陶瓷材料的加工问题。下面结合附图介绍一 种实施例。 图1、2所示的是一种微型切削机床，机床的机架1底座6上装有一个六自由度平 台2。平台2上方，机架1的悬臂上装有电主轴9和激光主轴8。工作时，将工件固定在平 台2上，在电主轴9上安装微型铣刀，激光主轴上安装激光刀具，即可对工件进行切削加工。 当然，这种加工的要求极高，要求各个部件都要具有良好的功能。下面分别说明几个主要部 件的结构和性能。 结合图3可见，平台2的定台板5固定在机架1的底座6上面，与上面的动台板3
4相对。动台板3和定台板5之间由六支伸縮杆4支撑。结合图4可见，这种伸縮杆4主要 由汽缸10和活塞杆11构成，汽缸10采用双作用带阀汽缸，其尾端通过单向阀16和电磁 阀15与设备的气压驱动装置相连，可在计算机控制下向缸内输送压力气体。在汽缸10的 前端设有排气装置。汽缸尾端的电磁阀15、单向阀16及针阀和缓冲阀等组成了具有记忆 功能的供气装置，切断电信号，阀位不变，汽缸活塞杆ll位置也不变，气动系统不受突然停 电干扰。在汽缸10上设有位置检测传感器14，通过活塞杆上的磁尺测得伸縮杆的伸长量， 并通过外接计数器，把活塞杆11的位置连同微小的受热变形数据，随时传给计算机控制系 统，由计算机控制系统按事先确定的程序调整活塞12的压力，操纵活塞杆11的动作。由图 1、2、3可见，汽缸10的尾端与定台板5之间由球形万向节7相铰接，活塞杆11的上端和动 台板3之间也是由球形万向节7相铰接。所以这种伸縮杆4能够自由的摆动，带动上面的 动台板3做平移、升降、绕三维坐标轴摆转以及各种复合运动，近而带动工件实现六自由度 复杂曲面的微铣削加工。 和传统的串联平台相比，这种定台板和动台板台面相对的平台属于并联平台。显 然，这种并联平台有如下优点①平台执行构件的误差不再是简单的线性累加，动台板更容 易获得较高的精度；②平台执行机构运动灵活，很容易实现多自由度联动，从而更易于实现 空间曲面的加工；③平台轨迹规划简单，易于控制；④平台结构简单，零件总数较少，成本 容易控制；⑤平台中的主要变形构件以承受拉压力为主，而且由于闭环力流封闭，使机床具 有较高的刚度重量比；⑥平台移动部件质量小，响应速度快，动态性能好，更适于高速加工； ⑦平台的模块化程度高，易于重构；⑧平台硬件简单，软件复杂，具有更高的技术附加值。
为了获得更高的切削性能，本设备简化了刀具传动机构，取消了电动机和刀具之 间的传动环节，采用了由高频电机直接带动电主轴9的新型结构。电主轴9采用空气动压 轴承径向定位，再用伺服驱动装置控制主轴17的Z向移动。由图5可见，这种电主轴9的 主轴17通过三套磁悬浮轴承，即磁悬浮后轴承24、磁悬浮轴承25、磁悬浮前轴承26，以及 前后两套陶瓷球轴承22进行装配，主轴17转动时可以自动平衡，有很高的旋转精度，并且 无振动，不需润滑。主轴上的振动传感器20用来测量整个机床对主轴17产生的振动。在 离刀柄不远的地方和电动机附近都安装有温度传感器18，测量刀具加工产生的热和电机发 热，经过软件控制补偿主轴17热变形产生的加工误差。主轴17上的轴向位移传感器19可 随时输送主轴的位置数据。冷却水通过冷却水入口 21进入电主轴对两热源部分冷却，并通 过冷却水出口 23带走热量。电主轴9内置脉冲编码器，实现自动换刀以及刚性攻螺纹，以 实现准确的相角控制以及进给的配合。显然，这种传动机构具有结构紧凑、重量轻、惯性小、 振动小、噪声低、响应快、转速高、功率大等优点，是简化机床设计，易于实现主轴定位的理 想结构。 与电主轴9相配合的是一种高性能的TRIBOS夹头27，如图6所示，TRIBOS夹头27 是由夹持孔28和加压腔29构成，其夹持孔28可在压力下产生形变。装刀前对加压腔29 加压使夹持孔28变成圆形，装入刀具后卸压，夹持孔28回复原来的形状，夹紧刀具，旋转精 度可达《3iim。 结合图1、2和图7可见，激光主轴8是由内汽缸30、内汽缸活塞杆31、杠杆32、激 光刀33等构成，通过内汽缸30的恒压装置和磁性限位开关来操纵激光刀33的摆动。采 用这种装置对于纳米氧化锆陶瓷材料的加工具有重要的作用。由于被加工工件是毫米级的细小零件，且硬度极高，铣削去除量是微米级，直接用微型刀具加工有很大的困难，因此 在铣削之前先用这种激光刀具33，也就是激光辅助加热装置发出高功率激光束，聚焦在切 削刃前的工件表面，利用激光能瞬间聚焦释放高能量，使工件将被去除的部位温度升高到 600-140(TC，使材料变软，强度降低，然后再用微型铣刀去除材料。因为激光的加热作用仅 使材料表层性能发生变化，不会使工件熔化或汽化，该层材料被切去后，新表面的性能仍保 持材料原来的机械性能。所以既降低了切削难度，提高了加工速度，延长刀具寿命，降低了 加工成本，又改善了加工质量，保证了产品的性能。
权利要求
一种纳米氧化锆陶瓷材料微铣削加工工艺，包括采用微铣削铣刀对纳米氧化锆陶瓷材料进行切削，其特征在于在所说的切削过程中采用激光对切削点周围进行加热处理。
2. 根据权利要求1所述的纳米氧化锆陶瓷材料微铣削加工工艺，其特征在于所说的激光加热处理，是用高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，将温度升高到600-140(TC，促使材料局部软化，降低切削阻力。
3. —种纳米氧化锆陶瓷材料微铣削加工设备，其特征在于在这种设备的机架(1)上设有装卡工件的六自由度并联平台(2)，并装有与平台(2)相对的可安装铣刀的电主轴(9) 和可装配激光刀具的激光主轴(8)。
4. 根据权利要求3所述的纳米氧化锆陶瓷材料微铣削加工设备，其特征在于所说的 六自由度并联平台(2)有定台板(5)和动台板(3)，定台板(5)固定在机架(1)的底座(6) 上，动台板(3)与定台板(5)相对，定台板(5)和动台板(3)之间有6个伸縮杆(4)相支撑， 每个伸縮杆(4)的两端和定台板(5)或动台板(3)之间均通过万向结(7)铰链连接。
5. 根据权利要求4所述的纳米氧化锆陶瓷材料微铣削加工设备，其特征在于所说的 伸縮杆(4)是由活塞杆(11)和汽缸(10)组成，汽缸(10)尾端通过单向阀(16)和电磁阀 (15)与气压驱动装置相连，在汽缸(10)上设有位置检测传感器(13)，通过外接计数器与计 算机控制系统相联系，汽缸(10)尾端与定平台(5)之间以及活塞杆(11)上端和动台板(3) 之间均由球形万向节7相铰接。
6. 根据权利要求3所述的纳米氧化锆陶瓷材料微铣削加工设备，其特征在于所说的 电主轴(9)是由电动机的输出轴与安装铣刀的主轴(17)相连而成，内置脉冲编码器和冷却 水循环系统，主轴(17)通过磁悬浮后轴承(24)、磁悬浮轴承(25)、磁悬浮前轴承(26)、以及 前后两套陶瓷球轴承(22)装配，主轴(17)装有轴向位移传感器(19)和振动传感器(20)， 在铣刀和电动机附近均装有温度传感器(18)。
7. 根据权利要求3所述的纳米氧化锆陶瓷材料微铣削加工设备，其特征在于所说的 激光主轴(8)里面装有内汽缸(30)，内汽缸(30)的活塞杆(31)外端铰链杠杆(32)，杠杆 (32)与激光刀(33)相连。
全文摘要
本发明涉及一种纳米氧化锆加工方法和器械，即一种纳米氧化锆陶瓷材料微切工艺及设备。其工艺包括采用微铣削铣刀对纳米氧化锆陶瓷材料进行切削，其特点是在切削过程中采用激光对切削点周围进行加热处理，促使材料局部软化，降低切削阻力。其设备的机架(1)上设有装卡工件的六自由度并联平台(2)，并装有与平台(2)相对的可安装铣刀的电主轴(9)和可装配激光刀具的激光主轴(8)。其有益效果是采用激光加热工艺解决了材料硬度高，切削困难的问题。采用六自由度并联平台和电主轴等装置，可在计算机控制下，完成纳米氧化锆陶瓷材料的微切削作业。采用小型化机床系统，减少了热变形误差，提高了响应速度，达到较高的精度，而且价格便宜、空间利用率高、能源消耗小，大大降低了生产成本。
文档编号B81C99/00GK101733845SQ20091026380
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月14日 优先权日2009年12月14日
发明者丁玉成, 侯亚丽, 李长河 申请人:青岛理工大学