一种硬脆材料电场辅助车削加工装置及方法

1.本发明属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种硬脆材料电场辅助车削加工装置及方法。


背景技术：

2.难加工硬脆材料，如单晶硅、碳化硅、碳化钨等，以其优异的机械性能、物理性能、光学性能等在光学成像物镜、光学模具、半导体与集成电路等领域获得了越来越广泛的应用。然而硬脆材料高硬度、高脆性的特点降低了其可加工性能，加工过程中多为脆性去除，加工表面质量较差、刀具磨损严重。目前，此类硬脆材料的加工方式多为磨削和抛光，但其存在加工效率低，无法保证复杂形状加工精度等缺点，严重限制了单晶硅、碳化钨、碳化硅等硬脆材料的推广与应用。
3.单点金刚石切削技术利用硬度高、刃口锋利的金刚石刀具进行切削，其具有效率高、加工表面质量好，可实现复杂曲面加工的特点，已成为各类光学曲面和功能表面结构超精密加工的重要方式。然而，在硬脆材料单点金刚石切削过程中，由于材料可加工性较差，加工过程材料以脆性断裂和裂纹扩展的方式去除，导致材料加工表面质量差、加工精度低、刀具磨损严重。为实现硬脆材料高效高质量的加工，激光辅助加工与超声振动辅助加工被应用于硬脆材料的超精密加工中。
4.激光辅助切削，将激光能量引入切削区域，对材料预热并软化硬脆材料，以改善其变形行为，使得材料从延展性区域去除，从而提高温度诱导下材料的加工性能。激光辅助切削技术已被应用于单晶硅、碳化钨、碳化硅等材料的加工，但是由于激光辐照过程中会产生高温，造成材料局部温度过高，切削过程中可能会造成工件表面烧蚀、熔化等不良影响。
5.超声振动辅助切削，利用换能器将高频电能转换为高频机械振动能，是一种间歇式切削方法，在一个振动周期内可实现材料的纳米级去除，从而实现材料超精密加工。目前超声振动辅助切削技术多被应用于模具钢、碳化钨、单晶硅等光学元件的加工，该技术在提高表面质量和减少刀具磨损等方面表现出了一定的优势。超声振动辅助切削过程中，为保证形成间歇式切削，切削速度必须小于刀具振动速度，然而由于工作频率和振幅难以大幅提升，因此超声振动辅助切削速度较低，切削效率较低，极大的限制了该技术在难加工材料领域的推广与应用。
6.高频脉冲电流的引入能改变硬脆材料的价电子结构，激发原子外层共用电子对产生自由电子，从而打破了硬脆材料原有共价键的方向性和饱和性，使硬脆材料具备了塑性变形能力；另一方面，高频脉冲电流可改变硬脆材料内部价电子状态，降低了硬脆材料原子间共价键键能，降低了晶内位错运动阻力和位错通过晶界等障碍的阻力，在外力作用下易发生晶内以及晶粒间旋转，从而使流变应力显著降低，降低材料硬度的同时使塑性得到提升；此外，在高频脉冲电流作用下，电流的焦耳效应使材料温度有一定提升，也有利于硬脆材料切削性能改善。然而目前尚未有电场辅助技术应用于硬脆性材料的超精密切削领域，因此为实现硬脆材料的超精密加工，实现在旋转工件上加载短脉冲高频率脉冲电场，需要
开发一种硬脆材料电场辅助车削加工装置及方法，然而目前电场辅助车削过程导线缠绕等问题导致难以实际应用。


技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种硬脆材料电场辅助车削加工装置及方法，旨在实现将电场辅助技术应用于光学元件的单点金刚石切削中。
8.为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供了一种硬脆材料电场辅助车削加工装置，包括吸盘座、er夹头和压紧盖，其特征在于，包括：导电滑环、连接柱和绝缘压盖；
9.所述吸盘座固定在连接柱一端，所述er夹头安装在连接柱的另一端；
10.所述连接柱外侧壁上套有导电滑环，导电滑环的动子端与连接柱固定连接；
11.所述导电滑环的定子接线端用于电连接外界电场生成设备；
12.所述压紧盖与连接柱具有er夹头的一侧螺纹连接，能够通过旋转压紧盖控制er夹头装夹工件的松紧；
13.所述绝缘压盖与压紧盖螺纹连接，所述导电滑环的动子接线端穿过绝缘压盖，动子接线端穿过绝缘盖的部分用于电连接工件。
14.优选的，导电滑环的动子接线端通过接线端子与压线端子连接，压线端子用铜螺母压紧固定，铜螺钉穿过铜螺母，铜螺钉用于直接接触电连接工件；
15.所述压线端子、铜螺母和铜螺钉均包裹在绝缘帽中。
16.优选的，吸盘座与与机床主轴通过吸盘负压吸附固定连接。
17.优选的，吸盘座固定在连接柱一端的方式为螺栓连接。
18.优选的，导电滑环的动子端与连接柱固定连接的方式为螺栓连接。
19.优选的，er夹头和绝缘压盖均采用绝缘材料制造。
20.优选的，导电滑环采用高转速滑环，最高转速达5000转/分钟。
21.优选的，外界电场生成设备的脉冲输出峰值电流为50a-2000a，脉冲输出平均电流为5a-25a，脉冲时间为50μs-200μs，脉冲频率在100hz-3000hz之间连续可调。
22.按照本发明的另一个方面，提供了一种硬脆材料电场辅助车削加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
23.(1)将待加工的硬脆材料工件通过夹头装夹于机床中；
24.(2)给硬脆材料工件通入可调节的高频脉冲电流，以改变硬脆材料的价电子结构和状态，降低材料硬度的同时使塑性得到提升；此外，所述高频脉冲电流的焦耳效应提升了材料温度，使得硬脆材料的切削性能得以改善；
25.其中高频脉冲电流改变了硬脆材料的价电子结构，激发原子外层共用电子对产生自由电子，从而打破了硬脆材料原有共价键的方向性和饱和性，使硬脆材料具备了塑性变形能力；同时高频脉冲电流改变了硬脆材料内部价电子状态，降低了硬脆材料原子间共价键键能，降低了晶内位错运动阻力和位错通过晶界等障碍的阻力，在外力作用下易发生晶内以及晶粒间旋转，从而使流变应力显著降低，降低材料硬度的同时使塑性得到提升；此外，在高频脉冲电流作用下，电流的焦耳效应使材料温度有一定提升，改善硬脆材料切削性能；
26.(3)根据切削参数，计算加工过程中硬脆材料工件所需通入的高频脉冲电流，对工
件进行超精密加工。
27.进一步的，该方法适用于硬脆材料的车削、磨削、铣削和钻削的加工过程。
28.总体而言，本发明的技术方案与现有技术相比，用于取得下列有益效果：
29.1.本发明将高频脉冲电流通入被加工材料中，可提高硬脆材料的塑性、降低硬脆材料的硬度、提高工件表面质量、减少刀具磨损，可实现硬脆材料高效高质量加工及复杂曲面微结构加工；
30.2.本发明解决了旋转工件上加载高频短脉冲的绕线问题，通过导电滑环提供高频脉冲电流。
附图说明
31.图1为本发明实施例提供的硬脆材料电场辅助车削加工装置示意图；
32.图2为为本发明实施例提供的导电滑环详细示意图；
33.图3为为本发明实施例提供的er夹头设计详细示意图；
34.图4为为本发明实施例提供的电路走线详细示意图；
35.图5为为本发明实施例提供的硬脆材料电场辅助加工装置安装加工示意图。
36.附图中标记为：吸盘座100，导电滑环定子接线端101，杯头螺钉102，连接柱103，导电滑环104，紧定螺钉105，导电滑环动子接线端106，接线端子107，压线端子108，er夹头109，压紧盖110，绝缘帽111，铜螺母112，绝缘压盖113，铜螺钉114，工件115，加工端面116，机床主轴117，电场辅助车削加工装置118，金刚石刀具119，刀架120。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.参见图1和图2所示，本发明实施例提供的硬脆材料电场辅助车削加工装置包括：
39.吸盘座100，与机床主轴117通过吸盘负压吸附固定连接；
40.导电滑环104，保持定子接线端101与动子接线端106的电路连接，所述定子接线端101与外界电场生成设备连接，所述动子接线端106经设计电路最终连接工件的两端；
41.所述导电滑环104采用高转速滑环，最高转速达5000转/分钟，选配12路5a电流，用于保持定子接线端101与动子接线端106的电路连接；
42.所述外界电场生成设备的脉冲输出峰值电流为50a-2000a，脉冲输出平均电流为5a-25a，脉冲时间为50μs-200μs，脉冲频率在100hz-3000hz之间连续可调；
43.连接柱103，与所述吸盘座100通过杯头螺钉102固定连接，安装所述导电滑环104，在加工过程中保证所述导电滑环104动子端与机床主轴117同步旋转；
44.er夹头109，安装于所述连接柱103上，所述er夹头109可更换不同型号以适应不同口径工件115的夹紧；
45.压紧盖110，与所述连接柱103通过螺纹连接，旋紧压紧盖110将er夹头109压紧，er夹头109内径缩小从而夹紧工件115；
46.绝缘压盖113，与所述压紧盖110通过螺纹连接，支承工件115与所述动子接线端
106之间的电路连接；
47.压线端子108，与动子接线端106通过接线端子107连接，用铜螺母112压紧固定，通过铜螺钉114最终与工件115相连。
48.参见图2所示，图1中的所述硬脆材料电场辅助车削加工装置118通过负压吸附于超精密机床主轴117上，安装刀架120和金刚石刀具119，使用xzc三轴联动进行慢刀伺服加工出高表面质量的复杂曲面及表面微结构。
49.参见图3所示，导电滑环104在使用过程中其定子接线端101保持不动，导电滑环104的动子端通过紧定螺钉105与连接柱103相连，并保持同步旋转，动子接线端106将电路引出与接线端子107相连，便于后续电路的连接。
50.所选导电滑环为高转速滑环，最高转速可达5000转/分钟，可选配12路5a电流。
51.参见图4所示，er夹头109通过连接柱103与压紧盖110的相对旋紧，其内径缩小从而夹紧工件115。
52.所用er夹头109和绝缘压盖113均采用绝缘材料制造，有效防止加工过程中的漏电安全问题。
53.参见图5所示，电路依次沿接线端子107、压线端子108、铜螺母112、铜螺钉114与工件相连，在绝缘压盖113中对称分布形成闭环回路。绝缘帽111将裸露的压线端子绝缘保护。
54.根据上述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，进行超精密加工方法包括以下几个步骤：
55.(1)提供权利要求1-5任一项所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，将待加工工件通过er夹头装夹于机床中；
56.(2)将接线端子与工件连接，调节电场生成设备，提供工件切削过程中所需输出电流和输出频率，为工件提供高频脉冲电流；
57.(3)确定切削参数后，利用所述装置对硬脆材料进行超精密加工。
58.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改：等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种硬脆材料电场辅助车削加工装置，包括吸盘座(100)、er夹头(109)和压紧盖(110)，其特征在于，包括：导电滑环(104)、连接柱(103)和绝缘压盖(113)；所述吸盘座(100)固定在连接柱(103)一端，所述er夹头(109)安装在连接柱(103)的另一端；所述连接柱(103)外侧壁上套有导电滑环(104)，导电滑环(104)的动子端与连接柱(103)固定连接；所述导电滑环(104)的定子接线端(101)用于电连接外界电场生成设备；所述压紧盖(110)与连接柱(103)具有er夹头(109)的一侧螺纹连接，能够通过旋转压紧盖(110)控制er夹头(109)装夹工件(115)的松紧；所述绝缘压盖(113)与压紧盖(110)螺纹连接，所述导电滑环(104)的动子接线端(106)穿过绝缘压盖(113)，动子接线端(106)穿过绝缘盖(113)的部分用于电连接工件(115)。2.如权利要求1所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，其特征在于，所述导电滑环(104)的动子接线端(106)通过接线端子(107)与压线端子(108)连接，压线端子(108)用铜螺母(112)压紧固定，铜螺钉(114)穿过铜螺母(112)，铜螺钉(114)用于直接接触电连接工件(115)；所述压线端子(108)、铜螺母(112)和铜螺钉(114)均包裹在绝缘帽(111)中。3.如权利要求1所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，其特征在于，所述吸盘座(100)与与机床主轴(117)通过吸盘负压吸附进行固定连接。4.如权利要求1所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，其特征在于，所述吸盘座(100)固定在连接柱(103)一端的方式为螺栓连接。5.如权利要求1所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，其特征在于，所述导电滑环(104)的动子端与连接柱(103)固定连接的方式为螺栓连接。6.如权利要求1所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，其特征在于，所述er夹头(109)和绝缘压盖(113)均采用绝缘材料制造。7.如权利要求1所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，其特征在于，所述导电滑环采用高转速滑环，最高转速达5000转/分钟。8.如权利要求1所述的硬脆材料电场辅助车削加工装置，其特征在于，所述外界电场生成设备的脉冲输出峰值电流为50a-2000a，脉冲输出平均电流为5a-25a，脉冲时间为50μs-200μs，脉冲频率在100hz-3000hz之间连续可调。9.一种硬脆材料电场辅助车削加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将待加工的硬脆材料工件通过夹头装夹于机床中；(2)给硬脆材料工件通入可调节的高频脉冲电流，以改变硬脆材料的价电子结构和状态，降低材料硬度的同时使塑性得到提升；此外，所述高频脉冲电流的焦耳效应提升了材料温度，使得硬脆材料的切削性能得以改善；(3)根据切削参数，计算加工过程中硬脆材料工件所需通入的高频脉冲电流，对工件进行超精密加工。10.如权利要求9所述的硬脆材料电场辅助车削加工方法，其特征在于，该方法适用于硬脆材料的车削、磨削、铣削和钻削的加工过程。

技术总结
本发明涉及超精密加工领域，特别是涉及一种硬脆材料电场辅助车削加工装置及方法，装置包括吸盘座、ER夹头、压紧盖、导电滑环、连接柱和绝缘压盖；导电滑环的动子端与连接柱固定连接；导电滑环的定子接线端用于电连接外界电场生成设备；导电滑环的动子接线端穿过绝缘压盖。方法包括以下步骤：将待加工工件通过夹头装夹于机床中；给工件通入可调节的高频脉冲电流；根据切削参数，计算加工过程中工件所需通入的高频脉冲电流，对工件进行超精密加工。本发明将高频脉冲电流通入被加工材料中，实现硬脆材料高效高质量加工及复杂曲面微结构加工，同时解决了旋转工件上加载高频短脉冲的绕线问题。问题。问题。


技术研发人员：许剑锋 陈肖 徐国清 林创挺 张建国 佘中迪
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/3/8