Способ оптикокавитационной обработки керамики

 

Изобретение относится к технологии механической обработки труднообрабатываемых не проводящих материалов, например, таких как конструкционная керамика, и может найти применение в размерной высокоточной обработке керамических деталей в машиностроении. Способ оптикокавитационной обработки позволяет повысить точность выполнения тонких разрезов и локализации обработки не проводящих материалов за счет размещения обрабатываемой детали в прозрачную для оптического излучения жидкость и последующего воздействия концентрированной мощностью в виде сфокусированного импульсного оптического излучения. В рабочую жидкость можно добавить твердые непрозрачные частицы с размерами соизмеримыми с размером пятна. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии механической обработки труднообрабатываемых не проводящих материалов, таких как конструкционная керамика, и может найти применение в размерной высокоточной обработке керамических деталей в машиностроении или какой-либо другой области, например, микроэлектронике, при изготовлении печатных форм.

Известен способ ультразвуковой механической обработки деталей из керамики, в котором на деталь воздействуют ультразвуковыми колебаниями заданной частоты, причем поверхность детали предварительно перекрывают слоем жидкости [1] Недостатками известного способа является то, что минимальный размер получаемых отверстий или ширина образуемых в керамике разрезов, определяемые размером ультразвукового излучателя и длиной волны ультразвука, не могут быть достаточно малыми. К тому же получающиеся размеры в материале имеют большой разброс размеров и низкое качество поверхности (сколы кромок, грубо отработанную поверхность). Поэтому тонкие разрезы, мелкие отверстия, высокую точность и качество получаемой поверхности ультразвуковой обработкой получить невозможно. Эти недостатки связаны с самим существом способа обработки, в котором разрушение детали происходит в результате схлопывания кавитационных пузырьков, приводимых в действие ультразвуковым полем в жидкости. В случае использования ультразвука для обработки деталей область воздействия имеет достаточно большие размеры.

Наиболее близким техническим решением является способ обработки поверхностей деталей из керамики в жидкости импульсным излучением, например, для резки и создания фигурных отверстий [2] Недостатком этого способа является то, что получают недостаточно хорошее качество обработки. По этой причине способ неприменим для обработки не проводящих материалов, какими являются многие керамики.

Техническим результатом предложенного способа является повышение точности выполнения тонких резервов и локализации обработки не проводящих материалов.

Технический результат достигается тем, что в способе оптико-кавитационной обработки керамики воздействуют концентрированной мощностью на обрабатываемую деталь покрытую слоем жидкости. Деталь помещают в прозрачную жидкость и на поверхность раздела жидкости и твердого материала обрабатываемой детали воздействуют концентрированной мощностью в виде сфокусированного импульсного оптического излучения с величиной энергии, необходимой для возникновения локального вскипания жидкости в зоне обработки, кроме того в жидкость доставляют взвешенные твердые непрозрачные частицы с характерными размерами соизмеримыми с размером пятна сфокусированного импульсного излучения, а длительность импульса воздействия определяется нагревом жидкости до локального вскипания и временем схлопывания пузырьков.

На чертеже изображена схема осуществления способа обработки непрозрачных диэлектриков путем возбуждения оптической кавитации у поверхности детали. Схема осуществления способа состоит из источника излучения, прерывателя 2, собирающей линзы 3, прозрачной жидкости 4, сосуда 5 и обрабатываемой детали 6.

Способ обработки осуществляется следующим образом. Излучение от источника 1, промодулированное с помощью прерывателя 2, собирается линзой 3 в фокус, расположенный на поверхности подлежащей обработке детали 6, покрытой прозрачной жидкостью для данного излучения и размещенной в сосуде 5 или какой-либо другой емкости. Можно обойтись без специального прерывателя, если в качестве источника излучения использовать импульсный лазер и лазер с модулированной добротностью.

Сфокусированный поток оптического излучения при достаточно большой энергии (поток энергии в пятне может равняться 10⁵ Вт/см²) вызывает образование кавитационных пузырьков. Возникновение пузырьков облегчено наличием микропримесей, например, крупинок твердого непрозрачного для оптического излучения вещества, в прозрачной жидкости, например, дистиллированная вода, керосин. Микропримеси добавляются в виде взвеси крупинок размером 5 10 мкм. Эту же роль инициирования пузырьков пара и газа в жидкости в фокусе излучения играет поглощение его непрозрачным материалом, на поверхность которого сфокусирован пучок любого оптического излучения. Пузырьки газа и пара создаются в жидкости в результате нагрева объема керамики и жидкости теплом, поглощенным непрозрачной керамикой. В паузы ≈ 2 - 3 · 10^-6 сек между импульсами излучения, которые выбираются в зависимости от размеров (ширины) разреза обрабатываемой детали (до 10 20 мкм), пузырьки схлопываются, воздействуя на керамику именно в месте фокуса излучения, соответствующему месту обработки. Это приводит к образованию локальной эрозионной лунки, размеры которой имеют порядок размера пятна сфокусированного излучения на керамике. Поскольку можно сфокусировать оптическое излучение в пятно в поперечнике в несколько микрон, то разрезы керамики можно производить толщиной в несколько микрон, что недостижимо ни ультразвуковым, ни электроэрозионным способом обработки.

В предлагаемом способе материал из обрабатываемой зоны уносится в результате механического воздействия схлопывающихся кавитационных пузырей на керамику, для чего необходимо нагревать жидкость до ее температуры кипения, которая в десятки раз меньше, чем температура испарения керамики, что позволяет значительно (больше порядка) снизить температуру и соответственно и мощность, затраченную на обработку деталей (в несколько раз меньше чем при электрической обработке). Разновидностью этого способа является использование в качестве центров генерации пузырьков специально введенной в жидкость взвеси мелких поглощающих излучение частиц. При этом излучение фокусируют в точке в жидкости, отстоящей на некотором оптимальном расстоянии 1 2 радиуса пузырька от обрабатываемой поверхности. В случае, когда в жидкость добавлены частицы, расстояние соизмеримо с ее размерами. Фокусное расстояние определяется эмпирическим образом в зависимости от гидростатического давления жидкости.

Использование предлагаемого способа обработки керамики позволяет совершить прецизионную фигурную резку и сверление керамики с помощью лазеров малой энергии. Кроме того, ввиду присущего этому способу уменьшенной температуры нагрева обрабатываемого материала растрескивание деталей и появление сколов обработанных границ вследствие термических напряжений практически исключено, что и позволяет повысить точность обработки керамических деталей.

Формула изобретения

1. Способ оптикокавитационной обработки керамики путем воздействия импульсным излучением на обрабатываемую деталь, помещенную в жидкость, отличающийся тем, что воздействие излучением ведут до возникновения локального вскипания жидкости в зоне обработки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в жидкость добавляют взвешенные твердые непрозрачные частицы с характерными размерами, соизмеримыми с размером пятна сфокусированного импульсного излучения.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что длительность воздействия сфокусированного импульсного излучения определяется нагревом жидкости до локального вскипания и временем схлопывания пузырьков.

РИСУНКИ

Рисунок 1