[发明专利]一种硬脆导电材料电场辅助超声振动切削装置及方法

说明书

本发明公开了一种硬脆导电材料电场辅助超声振动切削装置，包括吸盘座,其吸附在机床主轴的吸盘上；连接柱，固定在吸盘座上；导电滑环，与连接柱的一端同轴设置，其包括定子接线端子和动子接线端子，其中定子接线端子与电场发生器连接；锁紧夹头，与连接柱的另一端同轴安装，并通过一压紧盖与连接柱连接，该锁紧夹头用于夹持工件；绝缘压盖，其上设有用于连接导电滑环的动子接线端子的接线端子，用于将电信号传导到工件上，当工件进行超声振动切削时，通电产生热量加热工件。本发明的装置利用导电滑环将高频电信号加到工件上，实现工件加工时的在位电加热，有效降低材料硬度和强度，避免切削过程的脆性断裂，同时可有效减少刀具磨损，兼顾表面质量的同时减少加工成本。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，更具体地，涉及一种硬脆导电材料电场辅助超声振动切削加工的装置及方法。

背景技术

硬脆材料，如碳化钛、碳化钨、碳化硅、单晶硅、模具钢和不锈钢等，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。然而硬脆材料的高硬度、高脆性的特点降低了其可加工性能，加工过程中的材料去除机理多为脆性去除，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，严重限制了硬脆材料的推广与应用。

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，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。众所周知，材料在被加热到一定温度后，其性质会发生明显变化-硬度下降强度降低等。目前常用的加热方式为激光辅助，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，但是由于激光的能量不易控制，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。因此，急需一种新的加工方法，改善普通金刚石切削工艺中存在的问题和不足，既能提高加工效率又可以保证加工工件的表面质量。

电场产生的高频脉冲电流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。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。

然而目前尚未有电场辅助技术应用于硬脆性材料的超声振动超精密切削领域。因此为实现硬脆材料的超声振动超精密加工，实现在旋转工件上加载高频率脉冲电场，需要开发一种电场辅助超声振动切削加工装置及方法。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种硬脆导电材料电场辅助超声振动切削装置，实现将电场辅助技术应用于超声振动超精密切削加工中。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种硬脆导电材料电场辅助超声振动切削装置，其特征在于，包括：

吸盘座,其吸附在机床主轴的吸盘上；

连接柱，固定在吸盘座上；

导电滑环，与连接柱的一端同轴设置，其包括定子接线端子和动子接线端子，其中定子接线端子与电场发生器连接；