一种脆性材料高效低损加工方法技术

一种脆性材料高效低损加工方法，属于脆性材料精密加工技术领域。包括以下步骤：1）、确定拟加工脆性材料后，对拟加工的脆性材料进行单向裂纹扩展临界切削深度的确定；2）、确定对拟加工的脆性材料的实际加工深度，实际加工深度小于脆性材料进行单向裂纹扩展临界切削深度；3）、对工件的预加工面进行对刀，调整刀具姿态，使刀具向预走刀进给方向旋转一定角度，并配合刀具沿振动轨迹对拟加工的脆性材料进行切削；利用多次走刀方式，此次走刀产生的已加工表面偏向预走刀进给方向一侧的裂纹，将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料的加工。通过该方法，可以有效提高脆性材料低损伤加工的切削深度，切削效率高、成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种脆性材料高效低损加工方法


[0001]一种脆性材料高效低损加工方法，属于脆性材料精密加工


技术介绍

[0002]随着超精密加工技术的发展，脆性材料（诸如单晶硅、陶瓷、玻璃等硬脆性材料和碲锌镉、氟化钙、硒化锌等软脆材料）在航空航天、国防军事、微电子信息与光学制造等领域得到了广泛的应用。然而，脆性材料的断裂韧性低，极易在加工过程中产生裂纹，使其可加工性能极差，加工效率和精度受微裂纹等缺陷的影响，限制了其进一步应用的发展。因此，如何实现脆性材料高效、低损伤的精密加工是推动其进一步应用和相关领域快速发展的关键，同时也是当前业界内需要解决的关键问题。针对该问题，众多学者开展了相关方法和装备的研究，取得了许多有益成果。目前，脆性材料的高质量加工仍然依赖于磨抛技术，其加工效率较低。为改善脆性材料的可加工性，有学者提出激光辅助加工、表面改性、振动辅助加工等方式，试图在保证加工质量的前提下，进一步提高加工效率，上述方法的有效性也得到了实验的验证。然而，激光辅助加工受限于装备的复杂性及高成本，表面改性则会在基体材料表面引入其他离子造成表面污染。相比于激光辅助加工和表面改性两种方法，振动辅助加工是实现脆性材料高效、低成本、低损伤创成的有效手段，但其对应的脆塑转变临界切削深度通常较低。当前提高脆性材料加工效率的基本思想是通过提高脆塑转变临界切削深度，将实际切削深度控制在其脆塑转变临界切削深度之内，实现脆性材料的延性去除。采用激光辅助加工、表面改性和振动辅助加工等均是以提高脆性材料的脆塑转变临界切削深度为目的，一定程度上局限了改善脆性材料可加工性的方法与技术的发展。因此，目前针对脆性材料低成本、高效、延性精密加工技术还有待进一步发展，从而满足各相关领域更广泛的应用需求。
[0003]中国专利CN114226866A公开了一种设定轨迹循环振动切削方法，公开了以下
技术实现思路
：实际切削厚度大于临界切削厚度时，若脆性域切削产生的脆性裂纹尚未传播到理想加工面深度，该瞬时裂纹可通过下一振动周期直接切除而不影响最终加工面质量。但是其所说的临界切削厚度其实是脆塑转变临界切削深度，其并未发现还存在单向裂纹扩展临界切削深度，所以其并不能控制裂纹的扩展方向，这就造成刀具横向进给方向的反方向上的裂纹无法消除，如果两个方向加工则导致加工效率降低，并且在此基础上，其切削深度也有限，效率并不能大幅提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种脆性材料高效低损加工方法，能够主动调控加工过程中微裂纹的扩展方向，实现对脆性材料在脆塑转变临界切削深度限制外的低损伤塑性加工，具有高效率、低成本的优点。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：该脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、确定拟加工脆性材料后，对拟加工的脆性材料进行单向裂纹扩展临界切削深度的确定；单向裂纹扩展临界切削深度为刀具加工脆性材料过程中，沟槽表面产生的裂纹仅在沟槽的一侧，且裂纹即将扩展至沟槽最底部位置时的切削深度，加工过程中刀具向一侧偏转，使刀具的切削刃与切削速度方向形成夹角；2）、确定对拟加工的脆性材料的实际加工深度，实际加工深度大于脆塑转变临界切削深度，小于单向裂纹扩展临界切削深度，脆塑转变临界切削深度即为沟槽内产生第一处裂纹损伤的切削深度，实际切削深度小于单向裂纹扩展临界切削深度，即为达到单向裂纹扩展临界切削深度之前的切削深度，使得在实际切削深度下分布于一侧的加工表面裂纹距离沟槽最底部有一定距离；3）、对工件的预加工面进行对刀，并且调整刀具姿态，使刀具向横向进给方向偏转一定角度，刀具的切削刃与切削速度方向形成夹角，并配合刀具沿规划的振动轨迹对拟加工的脆性材料进行切削；利用多次走刀方式，此次走刀产生的已加工表面偏向预走刀进给方向一侧的裂纹，将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料的加工。
[0006]进一步地，步骤1）中对单向裂纹扩展临界切削深度的确定方法如下：刀具对拟加工的脆性材料进行变切削深度的连续刻划，直至刻划沟槽内的裂纹至少扩展至沟槽最底部。
[0007]进一步地，将拟加工的脆性材料与水平面倾斜一定角度固定，刀具对倾斜固定的拟加工的脆性材料进行连续刻划，使切削深度沿切削方向增加。
[0008]进一步地，步骤3）中刀具的偏转角度与步骤1）中刀具的偏转角度相同。
[0009]进一步地，步骤3）中由精密旋转平台调整刀具的姿态，精密旋转平台在不改变刀尖位置的基础上旋转刀具，实现刀具姿态变化。精密旋转平台安装在加工机床上，将刀具固定在精密旋转平台上，对刀具的姿态进行精确调整。
[0010]进一步地，步骤2）中还确定刀具的横向进给量，刀具的横向进给量的确定是令连续走刀的刀具轮廓部分重叠，保证下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹切削去除。
[0011]根据所选择刀具调制切削方式中刀具的振动轨迹对刀具的姿态进行调整，使刀具旋转一定的角度后实现斜角切削，令斜角切削与刀具的振动轨迹相互配合，使工件加工表面裂纹在一定深度内偏向一侧扩展。
[0012]进一步地，步骤3）中刀具采用椭圆振动轨迹的方式对拟加工的脆性材料进行切削。
[0013]进一步地，所述椭圆振动轨迹为二维椭圆振动或三维椭圆振动。
[0014]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果是：本专利技术首先确定拟加工的脆性材料的单向裂纹扩展临界切削深度，实际加工深度大于脆塑转变临界切削深度，从而使得加工过程中产生的裂纹只偏向走刀进给方向一侧，将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料在脆塑转变临界切削深度限制外的高效延性低损伤加工，通过该方法，可以有效提高脆性材料低损伤加工的切削深度，切削效率高、成本低。
[0015]当刀具的切削刃与切削速度方向垂直时，切削沟槽内所产生的裂纹是向两侧扩展的，而当刀具的切削刃偏转一定角度后，即刀具的切削刃与切削速度方向不垂直，切削沟槽
内的裂纹就会集中在沟槽的一侧，并且裂纹位于切削方向一侧，反方向的沟槽内并不存在裂纹，这样就可以找到单向裂纹扩展临界切削深度，提高切削深度的同时通过下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹切削去除。
[0016]还通过确定刀具的横向进给量，保证下一次走刀将本次走刀残留的加工表面裂纹切削去除，仅留下低表面损伤的被加工表面，在保证加工质量的同时，进一步提高加工效率。
附图说明
[0017]图1为该脆性材料高效低损加工方法的三维原理示意图。
[0018]图2为该脆性材料高效低损加工方法的原理示意图的俯视图。
[0019]图3为确定单向裂纹扩展临界切削深度的变切削深度连续刻划示意图。
[0020]图4为三维椭圆振动辅助斜角切削方式变切削深度刻划的光学显微镜下单晶硅沟槽的图像。
[0021]图5为平板类工件的平面高效低损伤加工原理示意图。
[0022]图6为圆柱类工件的端面高效低损伤加工原理示意图。
[0023]图7为圆柱类工件的圆柱面高效低损伤加工原理示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：包括以下步骤：1）、确定拟加工脆性材料（2）后，对拟加工的脆性材料（2）进行单向裂纹扩展临界切削深度（4）的确定；单向裂纹扩展临界切削深度（4）为刀具（1）加工脆性材料（2）过程中，沟槽表面产生的裂纹（5）仅在沟槽的一侧，且裂纹（5）即将扩展至沟槽最底部位置时的切削深度，加工过程中刀具（1）向一侧偏转，使刀具（1）的切削刃与切削速度方向形成夹角；2）、确定对拟加工的脆性材料（2）的实际加工深度，实际加工深度小于单向裂纹扩展临界切削深度（4）；3）、对工件的预加工面进行对刀，并且调整刀具（1）姿态，使刀具（1）向横向进给方向偏转一定角度，刀具（1）的切削刃与切削速度方向形成夹角，并配合刀具（1）沿规划的振动轨迹对拟加工的脆性材料（2）进行切削；利用多次走刀方式，此次走刀产生的裂纹（5），将在下次走刀过程中被去除，循环往复，实现脆性材料（2）的加工。2.根据权利要求1所述的脆性材料高效低损加工方法，其特征在于：步骤1）中对单向裂纹扩展临界切削深度（4）的确定方法如下：刀具（1）对拟加工的脆性材料（2）进行变切削深度的连续刻划，直至刻划沟槽内的裂纹（...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩金国，于海强，李世玉，韩新哲，周宗正，李顺康，冯泽奇，田业冰，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：