[發明專利]陶瓷材料密封環微構型準分子激光分層加工方法及裝置

無效

• 申請號: 201010216374.9
• 申請日: 2010-07-05
• 公開（公告）號: CN101905381A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 金洙吉;尹波;康仁科;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23K26/36
• 分類號: B23K26/36;B23K26/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于硬脆性材料微構型超精密加工技術領域，涉及到Al₂O₃、SiC等硬脆性陶瓷材料微構型超精密加工方法和裝置。

背景技術

陶瓷材料具有抗氧化性強，耐磨性能好，硬度高，熱穩定性好，高溫強度大，熱膨脹系數小，熱導率大以及抗熱震和耐化學腐蝕等優良特性。目前陶瓷材料主要用于制備高精密加工設備中刀具的切削刃，高溫、高壓及強腐蝕性環境中的密封部件等，陶瓷材料因其良好的物理化學性能，在石油、化工、機械、航天、核能領域發揮著越來越重要的作用。隨著陶瓷材料制備工藝的不斷完善，陶瓷材料的質量獲得了極大的提高，為在航天、核能等高精尖領域應用打下了良好的基礎。其中SiC陶瓷材料不會被HCl、HNO₃、H₂SO₄和HF等酸性溶液以及NaOH等堿性溶液腐蝕，純SiC在空氣中加熱易氧化，但氧化時表層形成的SiO₂會抑制進一步氧化的擴散，所以氧化速率不高，在電性能方面，SiC具有半導體性，少量雜質的引入會表現出良好的導電性，因此被認為是取代晶體Si而成為新一代的芯片材料。陶瓷材料的制備一般采用燒結或熱壓成型的工藝，其表面粗糙度一般在幾微米到幾十微米，因此必須采用精密加工方法將表面粗糙度降低到納米量級，并達到一定的面型精度，才能投入使用，尤其在高新技術領域，對材料的粗糙度、面型精度和表面及亞表面的完整性提出了更高的要求。目前對陶瓷材料平面的加工，超精密磨削工藝已經可以滿足要求，但是在密封環微構型加工方面，尤其是大尺寸空間復雜微構型密封環超精密無損加工技術發展的滯后已成為制約陶瓷密封環在高新技術領域廣泛應用的瓶頸。

由于陶瓷材料硬脆的特性及高的化學惰性，使得現有加工技術很難實現大尺寸空間復雜微構型密封環超精密無損傷加工。美國專利中通過制作仿形凸輪實現密封環微構型的加工，但是設備復雜、成本高，對于不同形狀需要制備相應的仿形凸輪，很難實現柔性化生產；由于陶瓷材料的非導電性，限制了電火花拋光技術的應用；傳統的機械拋光技術雖然能夠實現納米級加工，且加工質量符合使用要求，但是僅限于對平端面的加工，而且加工效率也有待提高，同時由于采用機械接觸式加工，很容易在被加工表面留下劃痕、嵌入物等缺陷。準分子激光具有瞬時功率高，單光子能量大，加工熱影響區極小，加工參數與材料硬脆性無關等優勢，因此作為一種無接觸、分子層剝離式的超精密冷加工技術，是目前實現大尺寸空間微構型密封環無損傷加工的最理想的加工方法。雖然目前針對準分子激光加工陶瓷方面的報道很多，但往往局限于定性研究，只涉及激光參數對加工的影響規律、激光打孔等方面，并且大多數只是針對有機化合物的研究，沒有涉及大尺寸陶瓷材料密封環微構型微去除方面的研究工作。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種針對大尺寸陶瓷密封環微構型分層微去除超精密低損傷的加工方法及裝置。

本發明加工方法所采用的技術方案是：

加工過程通過改變作用于陶瓷表面激光束的形狀和功率密度，對表層材料實現微去除。被加工陶瓷材料的表面形貌通過計算機軟件轉化為相應的數控程序代碼，并通過路徑優化后輸入數控系統；光路系統中配備數控光闌，結合被加工表面的數控程序，自動調整光闌形狀和尺寸，獲得與加工位置及形貌相適應的光斑；激光聚焦采用圓形凸透鏡和柱面鏡，配合光闌獲得加工不同位置、形狀及厚度的聚焦光斑，實現加工形狀、尺寸及去除量的控制；通過控制激光聚焦透鏡下方的遮光器，最大程度消除被加工材料形狀邊緣處的熱重熔區域；加工過程中通過準分子激光獨具的清洗作用，對已加工表面進行清洗；最終通過對上述加工過程的運用實現陶瓷密封環微構型準分子激光的分層加工；被加工陶瓷材料處于充滿保護氣密閉容器中，通過內置氣體循環系統清理加工時產生的飛屑。

所述加工方法的裝置，包括反射鏡；三軸聯動工作臺、遮光器、聚焦透鏡、光闌、監測器、凸透鏡、凹透鏡、內部吹氣系統、排氣口、窗口透鏡、保護罩和進氣口；其特征在于，光束自激光器輸入后經反射鏡和反射鏡后投射到凹透鏡，光束發散后經過凸透鏡再匯聚，使光束平行傳輸；光束經反射鏡后，沿垂直被加工材料表面方向傳輸；在反射鏡后設置光闌調整光束形狀；最終光束經透鏡聚焦和遮光器后垂直投射到被加工材料表面。