[發明專利]一種硬脆導電材料電場輔助超聲振動切削裝置及方法

在審

• 申請號: 202310023151.8
• 申請日: 2023-01-09
• 公開（公告）號: CN116198038A
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 許劍鋒;柯金洋;陳肖;林創挺;張建國;肖峻峰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B28D5/04
• 分類號: B28D5/04;B28D5/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 許美紅

本發明公開了一種硬脆導電材料電場輔助超聲振動切削裝置，包括吸盤座,其吸附在機床主軸的吸盤上；連接柱，固定在吸盤座上；導電滑環，與連接柱的一端同軸設置，其包括定子接線端子和動子接線端子，其中定子接線端子與電場發生器連接；鎖緊夾頭，與連接柱的另一端同軸安裝，并通過一壓緊蓋與連接柱連接，該鎖緊夾頭用于夾持工件；絕緣壓蓋，其上設有用于連接導電滑環的動子接線端子的接線端子，用于將電信號傳導到工件上，當工件進行超聲振動切削時，通電產生熱量加熱工件。本發明的裝置利用導電滑環將高頻電信號加到工件上，實現工件加工時的在位電加熱，有效降低材料硬度和強度，避免切削過程的脆性斷裂，同時可有效減少刀具磨損，兼顧表面質量的同時減少加工成本。

技術領域

本發明涉及超精密加工領域，更具體地，涉及一種硬脆導電材料電場輔助超聲振動切削加工的裝置及方法。

背景技術

硬脆材料，如碳化鈦、碳化鎢、碳化硅、單晶硅、模具鋼和不銹鋼等，以其優異的機械性能、物理性能、光學性能等在光學成像物鏡、光學模具、半導體與集成電路等領域獲得了越來越廣泛的應用。然而硬脆材料的高硬度、高脆性的特點降低了其可加工性能，加工過程中的材料去除機理多為脆性去除，加工表面質量較差、刀具磨損嚴重。目前，此類硬脆材料的加工方式多為磨削和拋光，但其存在加工效率低，無法保證復雜形狀加工精度等缺點，嚴重限制了硬脆材料的推廣與應用。

單點金剛石切削技術利用硬度高、刃口鋒利的金剛石刀具進行切削，具有效率高、加工表面質量好，可實現復雜曲面加工的特點，已成為各類光學曲面和功能表面結構超精密加工的重要方式。然而，在硬脆材料單點金剛石切削過程中，由于材料可加工性較差，加工過程材料以脆性斷裂和裂紋擴展的方式去除，導致材料加工表面質量差、加工精度低、刀具磨損嚴重。眾所周知，材料在被加熱到一定溫度后，其性質會發生明顯變化-硬度下降強度降低等。目前常用的加熱方式為激光輔助，將激光能量引入切削區域，對材料預熱并軟化硬脆材料，以改善其變形行為，使得材料從延展性區域去除，從而提高溫度誘導下材料的加工性能。激光輔助切削技術已被應用于單晶硅、碳化鎢、碳化硅等材料的加工，但是由于激光的能量不易控制，輻照過程中會產生高溫，造成材料局部溫度過高，切削過程中可能會造成工件表面燒蝕、熔化等不良影響。因此，急需一種新的加工方法，改善普通金剛石切削工藝中存在的問題和不足，既能提高加工效率又可以保證加工工件的表面質量。

電場產生的高頻脈沖電流能改變硬脆材料的價電子結構，激發原子外層共用電子對產生自由電子，從而打破硬脆材料原有共價鍵的方向性和飽和性，使硬脆材料具備了塑性變形能力；另一方面，高頻脈沖電流可改變硬脆材料內部價電子狀態，降低了硬脆材料原子間共價鍵鍵能，降低了晶內位錯運動阻力和位錯通過晶界等障礙的阻力，在外力作用下易發生晶內以及晶粒間旋轉，從而使流變應力顯著降低，降低材料硬度的同時使塑性得到提升；此外，在高頻脈沖電流作用下，電流的焦耳效應使材料溫度有一定提升，也有利于硬脆材料切削性能改善。超聲振動輔助切削，利用換能器將高頻電能轉換為高頻機械振動能，是一種間歇式切削方法，在一個振動周期內可實現材料的納米級去除，從而實現材料超精密加工。

然而目前尚未有電場輔助技術應用于硬脆性材料的超聲振動超精密切削領域。因此為實現硬脆材料的超聲振動超精密加工，實現在旋轉工件上加載高頻率脈沖電場，需要開發一種電場輔助超聲振動切削加工裝置及方法。

發明內容

本發明主要目的在于提供一種硬脆導電材料電場輔助超聲振動切削裝置，實現將電場輔助技術應用于超聲振動超精密切削加工中。

本發明所采用的技術方案是：

提供一種硬脆導電材料電場輔助超聲振動切削裝置，其特征在于，包括：

吸盤座,其吸附在機床主軸的吸盤上；

連接柱，固定在吸盤座上；

導電滑環，與連接柱的一端同軸設置，其包括定子接線端子和動子接線端子，其中定子接線端子與電場發生器連接；