专利名称：陶瓷材料微波辅助加热塑性加工刀具的制作方法
技术领域：
本发明属于陶瓷材料的特种加工工具，特别涉及采用同轴微波辅助加热的切削刀具。
背景技术：
陶瓷是最重要的无机非金属材料，与金属或有机高分子材料相比，具有密度小、硬度高、热膨胀系数低、抗压强度高、化学稳定性好、绝缘性能好、耐热、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。同时，陶瓷材料也因为其自身的出色特性在众多领域有着广泛应用。
陶瓷材料的一般制造工艺是将陶瓷粉末和粘接剂等原料混合，通过冷压成型然后高温烧结或者热压烧结形成工件。然而在烧结过程中陶瓷工件通常会发生较大的收缩，引起工件的尺寸偏差和变形，造成大部分工件需要经过再加工才能达到工程应用所需的尺寸精度要求。
而陶瓷在常温下陶瓷硬度很高，必须采用材料硬度更高的刀具才能进行金属切削原理式的加工；而且陶瓷材料呈示出很大的脆性，在加工过程中很容易出现工件崩裂。正是由于陶瓷的这种高硬度和脆性使其成为典型的难加工材料。难加工性已经严重阻碍了具有许多优良特性的陶瓷材料在众多领域的进一步推广应用。
二十世纪五十年代以后，为了改善陶瓷材料的加工工艺，国内外陆续有学者对陶瓷的加热辅助切削提出了自己的设想，并进行了相关的实验。陶瓷的加热辅助切削是指通过工件进行辅助加热，使陶瓷材料原子的活动能力增加，使其更容易产生滑移，塑性提高，使材料在塑性状下切削，并产生连续切削。现有的辅助加热方式，包括电流加热、氧乙炔焰加热、等离子弧加热、激光加热等。
然而，由于等离子弧、激光、氧乙炔焰加热时热量的传递是由表及里，热量要通过陶瓷的导热才能达到陶瓷里面，但大部分陶瓷的导热系数很低，从而在材料的被加工区会形成很大的温度梯度，易产生很大的热应力，导致亚表层损伤，强度降低。在加工过程中产生的切屑会妨碍陶瓷表面热的吸收。而且等离子弧、激光、氧乙炔焰加热设备昂贵，技术复杂。这也是近年来陶瓷等离子弧、激光、氧乙炔焰加热塑性切削技术仅处于实验室的研究而很难推广实用的原因。因此寻求低成本、均匀加热的热源就成为陶瓷加热塑性切削技术实用化的关键。
发明内容
本发明提供一种陶瓷材料微波辅助加热塑性加工刀具，目的在于克服现有辅助加热方式的不足，使得材料整体受热，热量均匀，减少内部热应力，并保证加热过程和切削过程协调一致。
本发明一种陶瓷材料微波辅助加热塑性加工刀具，切削刀具和最外层的金属外壳之间具有绝缘层，切削刀具与同轴波导的芯极相连接，金属外壳与同轴波导外导体相连接，同轴波导和微波发生与控制电路电信号连接；切削刀具、绝缘层和金属外壳构成微波同轴天线，切削刀具为同轴天线内导体，金属外壳成为同轴天线外导体。
所述的陶瓷材料微波辅助加热塑性加工刀具，所述金属外壳上可以装有反射板；所述微波发生与控制电路可以包括依次电信号连接的电源、微波源、调制器和阻抗匹配单元。
本发明采用微波的传输、定向、天线与刀具一体化设计，并配以加工中所需的温度测量、切削力测量等装置。整个微波装置采取冷却水管散热，保障微波装置的充分散热和可靠工作。
微波加热辅助切削是以微波作用的方式，使陶瓷温度上升，使材料达到从脆性向塑性转化的状态，从而使用相关刀具以塑性切削的方式去除待加工材料。与前述的激光、等离子弧辅助加热方式不同，微波加热过程中材料整体受热，热量均匀，内部热应力小。同时，采用切削刀具与微波发射天线同轴的设计，使得加热过程和切削过程更加协调一致。
在陶瓷材料加工过程中，刀具与工件接触准备切削前微波电磁能量通过刀具天线定向到被加工区实施预热，当加工区温度达到加工区陶瓷材料局部能发生从脆性断裂到塑性变形的转变而不是熔融时，就将刀具切入陶瓷材料实施切削，在切削同时刀具的热影响区对待加工区实施预热，对已加工区实施退火作用如图3所示。通过高温仪测量温度，计算机进行瞬时温度的精确控制，调节微波功率强度的办法来防止陶瓷的局部熔融，实现稳定的塑性切削。由于切削力集中在刃口附近，为了保证刀刃，提高刀头强度，选取较小的正值前角、后角及刃倾角，为改善工件表面粗糙度，在刀具刃磨时应选取较小的正值主偏角、副偏角和较大的刀尖圆弧半径。
本发明的优点在于(1)微波辅助加热方式加热快、效率高，而且微波能均匀地作用在陶瓷材料的整体之中，从而使材料内部的热量分布十分均匀，工件温度梯度小、内部热应力小。
(2)陶瓷材料微波受热后表现出一定塑性，可采用较大的切深进行切削，因此本发明有较好的加工效率和经济成本。
(3)同时微波加热能抑制陶瓷晶粒异常生长，可得到高质量的加工表面，微波退火也可提高加工后的表面质量。
(4)采用切削刀具与微波天线一体化同轴设计，局部加热区与切削区一致，从而可能提高加热效率。
图1为本发明的结构示意图；图2为整个加工装置的电路结构图；图3为使用本发明车削时微波热影响区示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明详细说明。
图1中的切削刀具1为实施加工的主体，它可以是车刀、铣刀或其他类型的刀具。切削刀具1为硬质合金刀柄，前端刀头为金刚石，刀具外裹有绝缘层8，绝缘层为聚四氟乙烯包层，将刀具与最外层的金属外壳7分隔开，构成同轴天线9。在金属外壳7上，可加装有反射板3，以加强微波的能量集中。同轴天线9和微波同轴波导10是通过内、外两级连接耦合在一起。在内部，同轴波导10的芯极6通过芯极连接头2与切削刀具1相连；在外部，同轴波导10的外导体5通过外导体连接头4与金属外壳7连接。芯极连接头2和外导体连接头4均为紧固件。
工作过程中，切削刀具1是切削过程的直接承担者。同时，切削刀具1和金属外壳7共同构成了同轴天线，将微波能量直接注入到待加工区域，实现陶瓷材料的辅助加热塑性化过程。
图2是整个加工装置的电路结构图。电源14为整个系统供电。微波源13采用2.45GHz可调功率的磁控管，并受调制器12的调制，可产生连续或脉冲的微波振荡功率，通过阻抗匹配单元11、同轴波导10传递到同轴天线9上，同轴波导10可用同轴电缆等来实现。同轴天线9的内导体做成车刀的形状，以形成能量较为集中、强度较为均匀的微波辐射到工件加工区实施加热。通过反射板3反射和天线定向作用，提高控制微波方向性的能力，使微波对操作者辐射达到安全标准内。
图3是对整个微波辅助加热切削过程的直观表示，图3中切削刀具1，金属外壳7，加工区17，预热区16，退火区18。预热区16在未被车刀直接加工的时候，就已经处于同轴天线引出的微波能作用范围内。陶瓷材料在预热区16中被加热，产生一定塑性，以备切削。在加工区17中，被预热过的陶瓷材料直接受到车刀的切除作用，材料被去除。在退火区18，已完成切削过程的材料表面继续受微波作用退火，消除残余应力。
权利要求
1.一种陶瓷材料微波辅助加热塑性加工刀具，切削刀具和最外层的金属外壳之间具有绝缘层，切削刀具与同轴波导的芯极相连接，金属外壳与同轴波导外导体相连接，同轴波导和微波发生与控制电路电信号连接；切削刀具、绝缘层和金属外壳构成微波同轴天线，切削刀具为同轴天线内导体，金属外壳成为同轴天线外导体。
2.如权利要求1所述的陶瓷材料微波辅助加热塑性加工刀具，其特征在于所述金属外壳上装有反射板；所述微波发生与控制电路包括依次电信号连接的电源、微波源、调制器和阻抗匹配单元。
全文摘要
陶瓷材料微波辅助加热塑性加工刀具，属于陶瓷材料的特种加工工具，目的在于克服现有辅助加热方式的不足，使得材料整体受热，热量均匀，减少内部热应力，并保证加热过程和切削过程协调一致。本发明切削刀具和最外层的金属外壳之间具有绝缘层，切削刀具与同轴波导的芯极相连接，金属外壳与同轴波导外导体相连接，同轴波导和微波发生与控制电路电信号连接；切削刀具、绝缘层和金属外壳构成微波同轴天线，切削刀具为同轴天线内导体，金属外壳成为同轴天线外导体。使用本发明既是微波天线也是切削刀具，将辅助加热过程和切削过程统一起来，可使陶瓷材料产生一定塑性，从而实现普通的机床切削过程，实现更佳的加工效果。
文档编号B28D1/32GK1850473SQ20061001916
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月26日 优先权日2006年5月26日
发明者汪学方, 张鸿海, 甘志银, 刘玮钦 申请人:华中科技大学