一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法，其涉及工程陶瓷微细加工技术领域，包括：精密送粉系统

【技术实现步骤摘要】
一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法


[0001]本专利技术涉及工程陶瓷材料微细加工
，具体一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法
。

技术介绍

[0002]在高端装备
，工程陶瓷因具有硬度高
、
化学稳定性好和生物相容性好等特点而得到广泛应用，如陶瓷刀具
、
生物陶瓷部件
、
陶瓷轴承
、
陶瓷密封环以及陶瓷耐磨衬套等
。
然而，在工程陶瓷零部件的服役过程中，因界面摩擦磨损而产生的大量磨屑不易排出，在接触面之间以第三体的形式参与并加速了材料的磨损
。
这不仅影响工程陶瓷零部件的使用寿命与可靠性，还将增加能耗
、
产生噪音和振动，甚至因工程陶瓷零部件的突然失效而产生严重的安全事故
。
为大幅度提高工程陶瓷零部件的服役性能，需要在其表面加工出深度特征尺寸为
0.5
～
50
μ
m
与宽度特征尺寸为
100
～
1000
μ
m
的微结构
。
但工程陶瓷材料的高硬脆特性给其高使役性能微结构加工带来了严峻挑战，其微结构表面微裂纹损伤程度直接影响工程陶瓷零部件的使役性能
。
因此如何实现工程陶瓷微结构的近无损伤加工成为摆在科研工作者面前亟待解决的科学难题
。
[0003]目前，功能陶瓷微结构的主要加工方法有微切削加工技术
、
激光加工技术
、
电火花加工技术
、
磨料射流加工技术等
。
[0004]微切削加工技术
。
该方法是指采用具有特定几何特征切削刃的超硬材料刀具进行机械微加工的过程，如微车削
、
微铣削
、
微钻削与微磨削等
。
该方法具有成本低
、
加工效率高
、
可批量生产等优势
。
然而，在实际应用中，微切削加工技术存在的一些关键问题，如刀具磨损严重
、
刀具系统刚性差及刀具易折断等，严重制约了该技术在功能陶瓷微结构加工中的广泛应用
。
此外，由于功能陶瓷材料的高硬脆特性将不可避免地导致材料产生包括不规则裂纹
、
材料破损等在内的表面
/
亚表面损伤，易导致功能陶瓷零部件在遇到循环载荷或振动时发生失效
。
[0005]激光加工技术
。
该方法是利用高功率密度均匀的激光束作为热源，通过激光器光路整合聚焦在材料表面，使局部位置瞬时产生高温达到材料的熔化或气化温度，从而实现材料去除
。
激光加工技术具有高效可控
、
无切削作用力
、
无刀具磨损，以及可加工高硬度
、
高脆性
、
高熔点等难加工材料的特点而备受关注
。
然而，激光加工过程中产生的大量热量易使工件表面形成微裂纹与氧化层
。
而且激光器的前期投入较大，维修费用高昂，这些都制约了激光加工技术在功能陶瓷微结构加工应用中的进一步发展
。
[0006]电火花加工技术
。
该方法是利用工具电极和工件电极之间放电，击穿两级之间的绝缘工作液产生瞬时高温熔化甚至汽化来实现材料去除
。
但由于该方法对被加工材料的强导电性能要求，只有借助辅助电极才可实现对绝缘功能陶瓷的加工
。
与激光加工技术类似，该方法在加工表面产生的高热量也会导致其产生微裂纹，降低功能陶瓷的使役性能
。
[0007]磨料射流加工技术
。
该方法是利用流体驱动磨料喷射至工件表面，实现特定区域
材料去除的一种非传统加工方法
。
相较于上述加工方法，该技术具有无工具磨损
、
无热影响区
、
加工柔性高
、
不破坏材料表面物理结构与化学完整性等优点，广泛应用于硬脆材料表面微结构加工领域
。
此外，运用磨料射流加工技术加工出的微结构具有边界倒角
、
底部平坦等优势，对于降低摩擦副的接触应力，提升流体动压效应等方面大有益处
。
[0008]在微磨料气射流加工过程中，随着喷射距离的增加，微磨料气射流束的发散效应愈加明显，为了减小微磨料气射流束发散效应对微结构加工分辨率的影响，研究人员相继提出了掩膜式
、
缩短冲蚀加工距离
(Stand
‑
off Distance,SOD)
与气射流辅助聚焦式等方法
。
[0009]对于气射流辅助聚焦式而言，微磨料气射流束发散状态的抑制主要依靠两侧气射流束的作用来实现的
。
然而，该方法的装置复杂，且微磨料气射流束易受两侧气射流的扰动而出现加工精度差等问题
。
对于掩膜式加工方法而言，冲蚀加工过程中掩膜材料的冲蚀磨损及其开口边缘反弹磨料对工件的二次冲蚀作用，致使掩膜开口尺寸的转移误差高达
20
％
。
采用缩短冲蚀加工距离来实现减小微磨料气射流束发散效应对微结构加工分辨率的影响是一种行之有效的工艺方法，但容易出现
W
型微结构
。
[0010]此外，粉末化脆性剥离是功能陶瓷材料在高法向冲击力与低切向冲击力作用下的主要去除形式，并在表面
/
横截面引入微裂纹，将极大地降低功能陶瓷零部件的使役性能
。
这是目前制约微磨料气射流加工技术在功能陶瓷高使役性能微结构加工领域中推广应用的主要原因，因此对微裂纹的控制尤为重要
。
为了实现功能陶瓷表面微结构的近无损伤加工，国内外研究人员一直致力于功能陶瓷材料在高切向冲击力作用下的塑性剪切冲蚀加工工艺研究
。
虽然加工表面
/
横截面微裂纹损伤程度得到了明显改善，但其材料去除效率低
、
工艺空间小
。
因此，在保证加工效率的同时，减小微磨料气射流束发散程度
、
消减微裂纹损伤是微磨料气射流加工技术在功能陶瓷高使役性能微结构加工应用中必须解决的科学与技术难题
。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是针对现有工程陶瓷微结构微磨料气射流加工方法中存在射流束发散严重
、
表面加工质量差等问题，提供一种用于解决上述技术问题的一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法
。
[0012]本专利技术的技术方案是：
[0013]一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法，其特征在于它包括：
[0009]一精密送粉系统，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法，其特征在于它包括：闸阀
(1)、
调压阀
(2)、
磨料仓
(3)、
气粉混合器
(4)、
精密送粉系统
(5)、
固体磨料颗粒与剪切稀化流体两级喷嘴系统
(6)、
微磨料气射流喷嘴
(7)、
剪切稀化流体喷嘴
(8)、
工程陶瓷工件
(9)、
四坐标移动平台
(10)、
底座
(11)、
加工系统
(12)、
闸阀
(13)、
废液储存箱
(14)、
废液回收系统
(15)、
剪切稀化流体供应系统
(16)、
剪切稀化流体储存箱
(17)、
蠕动泵
(18)、
脉动阻尼器
(19)、
第二层剪切稀化流体喷嘴
(801)、
旋紧装置
(802)、
第一层剪切稀化流体喷嘴
(803)、
旋紧装置
(804)、
第二层柔性约束系统
(805)、
第一层柔性约束系统
(806)。2.
根据权利要求1所述的一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法，其特征在于：所述的固体磨料颗粒与剪切稀化流体两级喷嘴系统包括：第一
、
二层柔性约束系统中在微磨料气射流喷嘴
(7)
轴向位置处均匀布置6个剪切稀化流体喷嘴；其中，同一层间相邻剪切稀化流体喷嘴的位置角度
β
1、
β2均取值为
60
°
，第一
、
二层柔性约束系统中相邻剪切稀化流体喷嘴的位置角度
β3取值为
30
°
。3.
根据权利要求2所述的一种基于磨料柔性约束微射流的工程陶瓷微细加工系统及方法，其特征在于：第一
、
二层柔性约束系统包括：第一层柔性约束系统
(806)

【专利技术属性】
技术研发人员：张桂冠，马文田，高航，赵玉刚，孙玉利，赵国勇，高跃武，卢文壮，孟建兵，左敦稳，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：