专利名称：采用周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工崩边的方法
技术领域：
本发明属于陶瓷加工领域，特别涉及陶瓷材料加工时的质量控制方法。
背景技术：
工程陶瓷因具有高强度、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，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，加工成本占到陶瓷元件总成本的80% -90%。磨削加工是一种损伤加工，在获得尺寸大小、形状精度及表面粗糙度的同时，也会引起工件加工表面产生表面/亚表面损伤。在磨削过程中，当金刚石工具突然接触或离开陶瓷工件时，受应力集中的影响会在工件的边缘产生碎裂或剥落， 这种损伤形式即被称之为边缘碎裂，俗称“崩边”。金刚石砂轮磨削加工属于精加工工艺。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磨削时的1/8-1/10，完全依靠磨削这种精加工的方法，去完成本应由粗加工完成的主要材料去除工作，加工效率低，成本高。因此，与金属加工相比，陶瓷加工效率低、加工成本高的根本原因，是缺乏适应陶瓷特性的粗加工方法，这也是制约先进陶瓷广泛应用的瓶颈。工程陶瓷电极引弧微爆轰加工技术的出现较好地解决了此问题。电极引弧微爆轰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。在利用电极引弧微爆轰加工陶瓷工件的边缘时，由于边缘处材料缺乏支撑，在微爆炸等离子体射流的高冲击力作用下会产生边缘碎裂，导致工件的严重损伤。边缘碎裂由于随机性大、难以控制而成为工程陶瓷等脆性材料的加工难题，破坏了陶瓷工件的几何精度，增加了加工成本。通常，陶瓷工件的边缘碎裂越严重，修整难度就越大，加工费用就越高。因此，减轻或消除工程陶瓷加工过程中的边缘碎裂，对于提高陶瓷工件的加工质量、降低加工成本具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对工程陶瓷等脆性材料的加工难题，提供一种利用周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工崩边的方法，本方法具有加工效率高、加工成本低，陶瓷工件精度高、损伤低的特点，可进一步推动工程陶瓷的工程实际应用。本发明提出一种利用周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工崩边的方法，其特征在于包括以下步骤；1)首先选用低熔点温度的金属材料作为包封材料，熔点温度范围在200-70(TC， 并将该金属材料熔化备用；2)将待加工的陶瓷材料工件置于金属模具中，将步骤1)的熔融状态的金属材料注入模具中，使所述陶瓷材料工件周向被熔融状态的金属材料包封；3)将置于金属模具的陶瓷材料工件冷却至室温取出后进行加工；4)陶瓷材料工件加工完成后，通过加热使包封材料与陶瓷材料工件分离。本发明具有如下的有益效果1、从对包封后陶瓷工件进行加工时的边缘损伤看，此方法可以避免陶瓷材料加工时产生的边缘碎裂，提高了陶瓷工件的加工质量。2、没有包封时，为了减轻陶瓷工件边缘的损伤，加工参数选取比较保守；在周向包封后，进行磨削加工或电极引弧微爆轰加工时，可以选用较大的加工参数，提高了加工效率。3、不仅减少了陶瓷工件的报废率，降低了加工成本，而且为陶瓷工件高精度低损伤加工提供了新的质量控制手段，进一步推动工程陶瓷的工程实际应用。
图1为本发明陶瓷材料工件周向包封示意图；图2为利用铝合金包封好的Si3N4陶瓷工件实施例实物照片；
具体实施例方式下面通过具体的实施例及附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。本发明提出的一种利用周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工崩边的方法，其特征在于包括以下步骤；1)首先选用低熔点温度的金属材料作为包封材料，熔点温度范围在200-70(TC， 并将该金属材料熔化备用；2)将待加工的陶瓷材料工件置于金属模具中，将步骤1)的熔融状态的金属材料注入模具中，使所述陶瓷材料工件周向被熔融状态的金属材料包封；3)将置于金属模具的陶瓷材料工件冷却至室温取出后进行加工(包封材料对陶瓷材料工件施加一定的压预应力，随后对带有包封材料的陶瓷材料工件进行加工，陶瓷工件的边缘在加工中易碎裂的性质由于预应力的存在而得到控制)；4)陶瓷材料工件加工完成后，通过加热使包封材料与陶瓷材料工件分离。在步骤2、中还可包括将陶瓷先放入热处理炉进行预热，温度控制在200-700°C， 预热时间5-15分钟。以获得更好的效果。所述的包封材料可选自铝、锡、铅等低熔点金属或合金中的任一种。所述的陶瓷材料工件可包括氮化硅或氧化铝或氧化锆或碳化硅或莫来石。所述的金属模具可由45号钢制成。
所述周向包封是指利用包封材料将陶瓷材料工件的被加工面的侧面完全包覆。所述陶瓷材料工件的边缘是被加工平面的边缘或被加工外圆端面的边缘。所述对包封好的陶瓷工件进行加工可采用磨削加工或电极引弧微爆轰加工。本发明的主要原理是低熔点合金和陶瓷是两种不同的材料，它们的热膨胀系数不同，合金的热膨胀系数较大而陶瓷的较小。图1为用于周向包封的装置示意图，将经过预热的陶瓷试件12置于模具13中，将熔化状态的低熔点合金11注入模具13中，熔化后的低熔点合金在凝固过程中，由于温度下降而产生收缩，使合金的体积发生变化，由于合金和陶瓷热膨胀系数的不同，这种变化受到陶瓷的阻碍，从而造成对陶瓷的压缩应力，在冷却到常温时，就形成了对陶瓷施加压预应力的周向包封试件。陶瓷材料在磨削加工过程中，产生两类裂纹系统侧向裂纹和中位裂纹，其中侧向裂纹随着法向载荷的去除而扩展到材料表面导致材料的去除，而中位裂纹向材料表面正下方扩展。当磨削加工边缘时，中位裂纹并不沿着与被磨削表面垂直的线路径向纵深扩展，而是沿着一定的曲线向材料自由表面扩展，当载荷大于某一临界值时，裂纹就会穿透自由表面，形成边缘碎裂。电极引弧微爆轰加工陶瓷时，材料去除是微爆炸等离子体射流的高温和高冲击力协同作用的结果，高温使陶瓷材料软化，高冲击力则使软化的陶瓷材料裂纹扩展而去除材料，在加工材料边缘时，和磨削加工类似，裂纹向边缘处的自由表面扩展，形成了边缘碎裂。通过周向包封对被加工陶瓷工件施加预应力，裂纹扩展规律发生了变化，裂纹不易向材料下方扩展，从而裂纹不会扩展到边缘处的自由表面，边缘碎裂现象得到了控制。实施例本发明以铝合金对Si3N4陶瓷进行周向包封为实施例。Si3N4陶瓷具有热膨胀系数小、弯曲强度高、硬度高、电阻率高以及化学稳定性好等优点，综合性能优良，在耐热、耐腐蚀、耐磨损等零部件的加工领域得到了非常广泛的应用，但由于脆性大在加工时极易产生边缘碎裂现象。在此采用本发明的方法进行包封，并利用电极引弧微爆轰加工进行验证。依次按照以下步骤进行加工1)选用铝合金为包封材料，将块状铝合金放入石墨坩埚中，随后放入坩埚电阻炉进行熔化，温度控制在750°C左右。2)陶瓷工件为反应烧结法制成的Si3N4陶瓷块，尺寸为60 X 30 X 10mm，陶瓷放入热处理炉进行预热，温度控制在500°C左右，预热时间10分钟。将陶瓷工件取出置于金属模具中，将步骤1)的熔融状态的铝合金注入模具中，使Si3N4陶瓷块的周向被熔融状态的铝合金包封；3)将置于金属模具的Si3N4陶瓷块与铝合金冷却至室温并从模具中一起取出，将 Si3N4陶瓷块上表面多余的铝合金材料铣削去除，得到了包封好的陶瓷试件，包封好的Si3N4 陶瓷工件实施例实物照片，如图2所示，21为铝合金包封材料，22为待加工边缘，23为Si3N4 陶瓷块。4)对Si3N4陶瓷块的边缘进行电极引弧微爆轰加工，电极引弧微爆轰加工时的主要技术参数为工作电流I = 90A,工作气压P = O. 2MPa,工作距离D = 5mm,工作脉宽T = 80ms，工作台的进给速度F = 40mm/min。5)加工完成后，将Si3N4陶瓷块与铝合金一起放入热处理炉加热，温度控制在 500°C，5分钟后取出并立刻利用工具将陶瓷快与软化的铝合金分离。
权利要求
1.一种利用周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工崩边的方法，其特征在于包括以下步骤；1)首先选用低熔点温度的金属材料作为包封材料，熔点温度范围在200-700°C，并将该金属材料熔化备用；2)将待加工的陶瓷材料工件置于金属模具中，将步骤1)的熔融状态的金属材料注入模具中，使所述陶瓷材料工件周向被熔融状态的金属材料包封；3)将置于金属模具的陶瓷材料工件冷却至室温取出后进行加工；4)陶瓷材料工件加工完成后，通过加热使包封材料与陶瓷材料工件分离。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于在所述步骤幻中还包括将陶瓷先放入热处理炉进行预热，温度控制在200-700°C，预热时间5-15分钟。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于所述的包封材料选自铝、锡、铅等低熔点金属或合金中的任一种。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于所述的陶瓷材料工件包括氮化硅或氧化铝或氧化锆或碳化硅或莫来石。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于所述的金属模具由45号钢制成。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于所述周向包封是指利用包封材料将陶瓷材料工件的被加工面的侧面完全包覆。
7.如权利要求1所述方法，其特征在于所述陶瓷材料工件的边缘是被加工平面的边缘或被加工外圆端面的边缘。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于所述对包封好的陶瓷工件进行加工采用磨削加工或电极引弧微爆轰加工。
全文摘要
本发明涉及一种利用周向包封对陶瓷工件施加预应力控制陶瓷加工崩边的方法，该方法包括选用低熔点温度的金属材料作为包封材料，并将该金属材料熔化；将待加工的陶瓷材料工件置于金属模具中，将熔融状态的金属材料注入模具中，使所述陶瓷材料工件周向被熔融状态的金属材料包封；将置于金属模具的陶瓷材料工件冷却至室温取出后进行加工；陶瓷材料工件加工完成后，通过加热使包封材料与陶瓷材料工件分离。本发明使陶瓷工件边缘在加工中易碎裂的问题由于预应力的存在而得到控制，进一步推动工程陶瓷的工程实际应用。
文档编号B28D1/00GK102310487SQ20111026800
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者唐修检, 张保国, 张建坤, 林克凌, 田欣利, 郭昉 申请人:张保国, 田欣利