專利名稱：陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料的特種加工工具，特別涉及采用同軸微波輔助加熱的切削刀具。
背景技術(shù)：
陶瓷是最重要的無機(jī)非金屬材料，與金屬或有機(jī)高分子材料相比，具有密度小、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、絕緣性能好、耐熱、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能。同時(shí)，陶瓷材料也因?yàn)槠渥陨淼某錾匦栽诒姸囝I(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
陶瓷材料的一般制造工藝是將陶瓷粉末和粘接劑等原料混合，通過冷壓成型然后高溫?zé)Y(jié)或者熱壓燒結(jié)形成工件。然而在燒結(jié)過程中陶瓷工件通常會(huì)發(fā)生較大的收縮，引起工件的尺寸偏差和變形，造成大部分工件需要經(jīng)過再加工才能達(dá)到工程應(yīng)用所需的尺寸精度要求。
而陶瓷在常溫下陶瓷硬度很高，必須采用材料硬度更高的刀具才能進(jìn)行金屬切削原理式的加工；而且陶瓷材料呈示出很大的脆性，在加工過程中很容易出現(xiàn)工件崩裂。正是由于陶瓷的這種高硬度和脆性使其成為典型的難加工材料。難加工性已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了具有許多優(yōu)良特性的陶瓷材料在眾多領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
二十世紀(jì)五十年代以后，為了改善陶瓷材料的加工工藝，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)有學(xué)者對(duì)陶瓷的加熱輔助切削提出了自己的設(shè)想，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。陶瓷的加熱輔助切削是指通過工件進(jìn)行輔助加熱，使陶瓷材料原子的活動(dòng)能力增加，使其更容易產(chǎn)生滑移，塑性提高，使材料在塑性狀下切削，并產(chǎn)生連續(xù)切削。現(xiàn)有的輔助加熱方式，包括電流加熱、氧乙炔焰加熱、等離子弧加熱、激光加熱等。
然而，由于等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱時(shí)熱量的傳遞是由表及里，熱量要通過陶瓷的導(dǎo)熱才能達(dá)到陶瓷里面，但大部分陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)很低，從而在材料的被加工區(qū)會(huì)形成很大的溫度梯度，易產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致亞表層損傷，強(qiáng)度降低。在加工過程中產(chǎn)生的切屑會(huì)妨礙陶瓷表面熱的吸收。而且等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱設(shè)備昂貴，技術(shù)復(fù)雜。這也是近年來陶瓷等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱塑性切削技術(shù)僅處于實(shí)驗(yàn)室的研究而很難推廣實(shí)用的原因。因此尋求低成本、均勻加熱的熱源就成為陶瓷加熱塑性切削技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，目的在于克服現(xiàn)有輔助加熱方式的不足，使得材料整體受熱，熱量均勻，減少內(nèi)部熱應(yīng)力，并保證加熱過程和切削過程協(xié)調(diào)一致。
本發(fā)明一種陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，切削刀具和最外層的金屬外殼之間具有絕緣層，切削刀具與同軸波導(dǎo)的芯極相連接，金屬外殼與同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體相連接，同軸波導(dǎo)和微波發(fā)生與控制電路電信號(hào)連接；切削刀具、絕緣層和金屬外殼構(gòu)成微波同軸天線，切削刀具為同軸天線內(nèi)導(dǎo)體，金屬外殼成為同軸天線外導(dǎo)體。
所述的陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，所述金屬外殼上可以裝有反射板；所述微波發(fā)生與控制電路可以包括依次電信號(hào)連接的電源、微波源、調(diào)制器和阻抗匹配單元。
本發(fā)明采用微波的傳輸、定向、天線與刀具一體化設(shè)計(jì)，并配以加工中所需的溫度測(cè)量、切削力測(cè)量等裝置。整個(gè)微波裝置采取冷卻水管散熱，保障微波裝置的充分散熱和可靠工作。
微波加熱輔助切削是以微波作用的方式，使陶瓷溫度上升，使材料達(dá)到從脆性向塑性轉(zhuǎn)化的狀態(tài)，從而使用相關(guān)刀具以塑性切削的方式去除待加工材料。與前述的激光、等離子弧輔助加熱方式不同，微波加熱過程中材料整體受熱，熱量均勻，內(nèi)部熱應(yīng)力小。同時(shí)，采用切削刀具與微波發(fā)射天線同軸的設(shè)計(jì)，使得加熱過程和切削過程更加協(xié)調(diào)一致。
在陶瓷材料加工過程中，刀具與工件接觸準(zhǔn)備切削前微波電磁能量通過刀具天線定向到被加工區(qū)實(shí)施預(yù)熱，當(dāng)加工區(qū)溫度達(dá)到加工區(qū)陶瓷材料局部能發(fā)生從脆性斷裂到塑性變形的轉(zhuǎn)變而不是熔融時(shí)，就將刀具切入陶瓷材料實(shí)施切削，在切削同時(shí)刀具的熱影響區(qū)對(duì)待加工區(qū)實(shí)施預(yù)熱，對(duì)已加工區(qū)實(shí)施退火作用如圖3所示。通過高溫儀測(cè)量溫度，計(jì)算機(jī)進(jìn)行瞬時(shí)溫度的精確控制，調(diào)節(jié)微波功率強(qiáng)度的辦法來防止陶瓷的局部熔融，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的塑性切削。由于切削力集中在刃口附近，為了保證刀刃，提高刀頭強(qiáng)度，選取較小的正值前角、后角及刃傾角，為改善工件表面粗糙度，在刀具刃磨時(shí)應(yīng)選取較小的正值主偏角、副偏角和較大的刀尖圓弧半徑。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)微波輔助加熱方式加熱快、效率高，而且微波能均勻地作用在陶瓷材料的整體之中，從而使材料內(nèi)部的熱量分布十分均勻，工件溫度梯度小、內(nèi)部熱應(yīng)力小。
(2)陶瓷材料微波受熱后表現(xiàn)出一定塑性，可采用較大的切深進(jìn)行切削，因此本發(fā)明有較好的加工效率和經(jīng)濟(jì)成本。
(3)同時(shí)微波加熱能抑制陶瓷晶粒異常生長(zhǎng)，可得到高質(zhì)量的加工表面，微波退火也可提高加工后的表面質(zhì)量。
(4)采用切削刀具與微波天線一體化同軸設(shè)計(jì)，局部加熱區(qū)與切削區(qū)一致，從而可能提高加熱效率。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為整個(gè)加工裝置的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3為使用本發(fā)明車削時(shí)微波熱影響區(qū)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說明。
圖1中的切削刀具1為實(shí)施加工的主體，它可以是車刀、銑刀或其他類型的刀具。切削刀具1為硬質(zhì)合金刀柄，前端刀頭為金剛石，刀具外裹有絕緣層8，絕緣層為聚四氟乙烯包層，將刀具與最外層的金屬外殼7分隔開，構(gòu)成同軸天線9。在金屬外殼7上，可加裝有反射板3，以加強(qiáng)微波的能量集中。同軸天線9和微波同軸波導(dǎo)10是通過內(nèi)、外兩級(jí)連接耦合在一起。在內(nèi)部，同軸波導(dǎo)10的芯極6通過芯極連接頭2與切削刀具1相連；在外部，同軸波導(dǎo)10的外導(dǎo)體5通過外導(dǎo)體連接頭4與金屬外殼7連接。芯極連接頭2和外導(dǎo)體連接頭4均為緊固件。
工作過程中，切削刀具1是切削過程的直接承擔(dān)者。同時(shí)，切削刀具1和金屬外殼7共同構(gòu)成了同軸天線，將微波能量直接注入到待加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的輔助加熱塑性化過程。
圖2是整個(gè)加工裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。電源14為整個(gè)系統(tǒng)供電。微波源13采用2.45GHz可調(diào)功率的磁控管，并受調(diào)制器12的調(diào)制，可產(chǎn)生連續(xù)或脈沖的微波振蕩功率，通過阻抗匹配單元11、同軸波導(dǎo)10傳遞到同軸天線9上，同軸波導(dǎo)10可用同軸電纜等來實(shí)現(xiàn)。同軸天線9的內(nèi)導(dǎo)體做成車刀的形狀，以形成能量較為集中、強(qiáng)度較為均勻的微波輻射到工件加工區(qū)實(shí)施加熱。通過反射板3反射和天線定向作用，提高控制微波方向性的能力，使微波對(duì)操作者輻射達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。
圖3是對(duì)整個(gè)微波輔助加熱切削過程的直觀表示，圖3中切削刀具1，金屬外殼7，加工區(qū)17，預(yù)熱區(qū)16，退火區(qū)18。預(yù)熱區(qū)16在未被車刀直接加工的時(shí)候，就已經(jīng)處于同軸天線引出的微波能作用范圍內(nèi)。陶瓷材料在預(yù)熱區(qū)16中被加熱，產(chǎn)生一定塑性，以備切削。在加工區(qū)17中，被預(yù)熱過的陶瓷材料直接受到車刀的切除作用，材料被去除。在退火區(qū)18，已完成切削過程的材料表面繼續(xù)受微波作用退火，消除殘余應(yīng)力。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，切削刀具和最外層的金屬外殼之間具有絕緣層，切削刀具與同軸波導(dǎo)的芯極相連接，金屬外殼與同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體相連接，同軸波導(dǎo)和微波發(fā)生與控制電路電信號(hào)連接；切削刀具、絕緣層和金屬外殼構(gòu)成微波同軸天線，切削刀具為同軸天線內(nèi)導(dǎo)體，金屬外殼成為同軸天線外導(dǎo)體。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，其特征在于所述金屬外殼上裝有反射板；所述微波發(fā)生與控制電路包括依次電信號(hào)連接的電源、微波源、調(diào)制器和阻抗匹配單元。
全文摘要
陶瓷材料微波輔助加熱塑性加工刀具，屬于陶瓷材料的特種加工工具，目的在于克服現(xiàn)有輔助加熱方式的不足，使得材料整體受熱，熱量均勻，減少內(nèi)部熱應(yīng)力，并保證加熱過程和切削過程協(xié)調(diào)一致。本發(fā)明切削刀具和最外層的金屬外殼之間具有絕緣層，切削刀具與同軸波導(dǎo)的芯極相連接，金屬外殼與同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體相連接，同軸波導(dǎo)和微波發(fā)生與控制電路電信號(hào)連接；切削刀具、絕緣層和金屬外殼構(gòu)成微波同軸天線，切削刀具為同軸天線內(nèi)導(dǎo)體，金屬外殼成為同軸天線外導(dǎo)體。使用本發(fā)明既是微波天線也是切削刀具，將輔助加熱過程和切削過程統(tǒng)一起來，可使陶瓷材料產(chǎn)生一定塑性，從而實(shí)現(xiàn)普通的機(jī)床切削過程，實(shí)現(xiàn)更佳的加工效果。
文檔編號(hào)B28D1/32GK1850473SQ20061001916
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者汪學(xué)方, 張鴻海, 甘志銀, 劉瑋欽 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)