航空航天工業(yè)、兵器工業(yè)赖瞒、化學工業(yè)女揭、電子工業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，對產品零部件材料的性能有了更高要求栏饮，同時也出現了各種高強度吧兔、高硬度、高脆性的工程材料抡爹。材料性能提高的同時給加工帶來了困難掩驱。例如高溫合金在高溫下具有優(yōu)良的熱強度性能、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能冬竟，常溫下加工刀具磨損嚴重欧穴、表面質量差。工程陶瓷強度高悟津、耐磨損山椎、抗腐蝕，目前通常采用磨削加工宗瓢，生產效率低徒妒、成本高、加工幾何形狀受限旷厨。近年來出現的加熱輔助切削技術是解決難加工材料加工的一種有效方法乘恩。目前常用的熱源有等離子電弧院籍、氧乙炔焰和激光等。與其他熱源相比容蕉，激光光斑尺寸小衡达、能量密度高，并在能量分布和時間特性上有很好的可控性亩当，在加熱輔助加工上得到越來越廣泛的應用郎抖。

　　激光加熱輔助切削技術

　　激光加熱輔助切削(LaserAssistedMachining，LAM)是將高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面蜓耻，在材料被切除前的短時間內將局部加熱到很高的溫度茫舶，使材料的切削性能在高溫下發(fā)生改變，從而可以采用普通刀具進行加工刹淌。通過對工件加熱饶氏，提高材料的塑性，降低切削力有勾，減小刀具磨損嚷往，減小振動。對硬脆材料可將其脆性轉化為延展性柠衅，使屈服強度降低到斷裂強度以下，避免加工中出現裂紋籍琳，從而達到提高加工效率菲宴、降低成本、提高表面質量的目的趋急。激光加熱輔助切削的示意喝峦。

　　激光加熱輔助切削技術研究現狀

　　激光加熱輔助切削技術最早出現于20世紀70年代，作為一種提高難加工材料生產率的方法呜达，用于鎳合金姚垂、鈦合金和淬硬鋼的加工。雖然LAM的可行性得到了驗證槽脑，但對激光能量障氛、光束位置等影響因素沒有進行系統(tǒng)的研究，受金屬材料吸收率低煌摊、激光技術發(fā)展等因素限制導致加工成本高衫沽、加工經濟性差，使LAM的研究陷入停滯狀態(tài)资杆。而到90年代酒吠，由于陶瓷等復合材料技術的發(fā)展，性能好课陪、加工難度大的材料出現及激光設備價格降低唇佳，LAM技術逐漸回到了研究者的視線骏点。目前，采用激光加熱輔助切削方法加工的材料杆叛。

　　采用LAM技術對金屬材料加工可以有效降低切削力與刀具磨損谷芬，并提高加工效率。Sun等[1]對鈦金屬進行了LAM試驗研究恢筝，發(fā)現切削力可以降低20%~50%哀卫，較低的動態(tài)切削力與加工表面附近的低硬度提高了加工表面質量。Anderson等[2]對 Inconel718材料進行了LAM加工撬槽，研究了工藝參數對工件表面質量此改、材料去除率、刀具磨損侄柔、切削力共啃、表面粗糙度與切削比能的影響。結果表明暂题，采用 LAM技術加工可以降低25%的切削比能移剪，表面粗糙度降低，使陶瓷刀具的壽命增加200%~300%薪者。Anderson等[3]采用LAM方法加工了不銹鋼P550纵苛。隨著加工區(qū)域溫度的升高，比切削能降低25%言津。材料強度降低使刀具壽命提高1倍攻人。工件表面組織沒有發(fā)生變化，硬度與傳統(tǒng)加工的硬度相同署氏，并可以使加工時間節(jié)省20%~50%腋殃。工程陶瓷材料由于其塑性變形能力差、脆性高晓够、斷裂韌性低及強度高等特點使加工難度加大燕党，在室溫條件下很難采用切削方法加工。陶瓷材料在達到一定溫度后開始軟化擅锚，脆性轉變?yōu)樗苄韵に蓿梢圆捎脗鹘y(tǒng)刀具進行加工。Purdue大學的Rozzi涩凑、Lei等對氮化硅呈锣、氧化鋯、莫來石等陶瓷材料的LAM進行了深入研究[4-7]宜掏。加工結果表明秒准，切削力與刀具磨損隨加工溫度的升高而降低，比切削能小惹虏，加工后表面沒有裂紋產生供役，并且可以高效加工復雜形狀零件泻帮。Tian等[8]通過激光輔助三維瞬態(tài)傳熱模型得到了最優(yōu)化加工工藝參數的方法，通過實時改變激光能量计寇，成功地在氮化硅材料上加工出復雜形狀的工件锣杂，并且沒有產生亞表面裂紋與熱損傷。

　　激光加熱輔助銑削(LAML)加工過程復雜番宁，是間歇切削過程元莫，對刀具與工件的沖擊大，因此關于此方面的研究相對較少蝶押。K?nig對鎢鉻鈷合金進行了LAML研究踱蠢，證明了加熱輔助銑削的可行性。Yang等[9-10]進行了激光加熱輔助銑削陶瓷的研究棋电，通過試驗證明了輔助銑削的可行性茎截，結果表明激光加熱輔助銑削可以顯著降低切削力，切屑連續(xù)赶盔，得到良好的加工表面企锌。Tian等[11]建立了LAML三維溫度場模型，并通過試驗驗證了模型的準確性于未。成功采用TiAlN涂層硬質合金刀具對氮化硅材料進行了加工試驗其神，以磨損極限 VB=0.3mm計算，刀具壽命可以達到260mm币沫。采用LAML技術明顯提高了Inconel718的加工性能永韭，切削溫度達到520℃時切削力降低 40%~50%，刀具壽命提高1倍卡撤，表面粗糙度降低到原來的1/2。

　　激光加熱輔助切削技術在氮化硅陶瓷加工上的應用

　　氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的熱物理性能埃灿，能在惡劣的工作環(huán)境下保持高強度企亮、耐腐蝕、抗磨損的性能绝开，但其脆性與高硬度決定了加工難度大讶里、加工成本高，是一種典型的難加工材料剑督。當氮化硅陶瓷溫度超過1000℃時谆精，玻璃相開始軟化，強度與硬度都有明顯的下降菠食，此時將軟化的材料去除浮笔，可以達到加熱輔助切削的目的。

　　1激光加熱輔助切削工藝參數選擇方法

　　激光加熱輔助切削應用中影響加工結果的參數很多瓣铣，包括激光能量答朋、激光光斑直徑贷揽、激光入射位置、切削深度梦碗、激光移動速度與進給量等激光參數與切削參數禽绪。選擇合適的工藝參數是解決加熱輔助切削加工的首要問題。切削區(qū)域溫度是加熱輔助切削首要滿足條件之一洪规，可作為制定工藝參數的依據印屁。

　　參數選擇原則是切削區(qū)域溫度達到材料的軟化溫度，加熱過程中產生的熱應力不產生裂紋斩例，并且激光加熱不會對加工后表面質量與工件性能帶來影響雄人。參數選擇流程首先通過材料性能分析、理論傳熱計算及切削參數經驗初選工藝參數范圍樱拴，利用材料的熱物理參數與材料吸收激光參數結合熱傳導控制方程建立有限元模型柠衍。分析初選工藝參數對切削區(qū)域溫度、激光引起熱應力的影響規(guī)律晶乔，再結合切削用量的選擇原則枪岖，選擇合適的加工參數。采用所選的加工參數進行工藝試驗奖肋，分析表面質量仑连、刀具磨損、加工效率等加工結果遣拔，進一步修正加工參數瀑尔，最終得到高效率、高質量加工的工藝參數嘶刚。

　　2激光加熱輔助車削氮化硅陶瓷

　　經過參數選擇分析元糯，試驗中采用的參數為：激光能量Pl=220W，激光光斑直徑Dl=3mm紧碴，主軸轉速N=630旷程，激光移動速度 Vl=12.6mm/min，激光光斑中心距離刀具軸向距離Ll=1mm拔较，切削深度ap=0.2mm起衫，預熱時間tp=15s。工件尺寸為 φ10×40mm槽畔，激光與刀具的圓周角度為60°栈妆。采用機卡式車刀，刀片為PCBN材料厢钧，刀片型號為SNGN120408鳞尔。

　　加工得到的切屑噴金后SEM照片。當切削區(qū)域溫度達到脆性-塑性轉變溫度后早直，晶界玻璃相發(fā)生粘滯流動铅檩，刀具與晶粒相互作用憎夷，重新分布，產生如傳統(tǒng)金屬切削相似的卷曲半連續(xù)切屑昧旨，表明此時是塑性切削過程拾给。隨著切削區(qū)域溫度降低，材料軟化程度下降兔沃，材料由切削區(qū)流出后即在刀具的作用下斷裂蒋得，切屑會明顯減小，逐漸變?yōu)獒槧钋行肌?/p>

　　加工7.5min后刀具僅在刀尖處出現很薄的磨損帶乒疏，磨損很小(VBmax=0.05mm)额衙。采用基準加工參數得到的表面與基體表面SEM照片。從LAM加工后的表面可以看見明顯的走刀痕跡善薪。由于玻璃相的軟化及在刀具作用下的重分布氛拜，可以看到由于晶粒脫離產生的空腔及玻璃相材料下的晶粒，表明加工后的表面是在刀具塑性擠壓作用下形成的由瞒，表面粗糙度Ra=0.85μm子钾。基體是磨削形成的表面个懒，由金剛石砂輪與脆性材料相互作用团弧，形成磨削光滑區(qū)、塑性溝槽乌爪、涂敷區(qū)和脆性斷裂區(qū)幔瓮。

　　加工后工件經金剛石鋸片切開，拋光后截面的SEM圖片经褒。工件內部不受激光與刀具作用影響谅练，加工后表面內部沒有微裂紋產生。

　　3激光加熱輔助銑削氮化硅陶瓷

　　經過參數選擇分析哈讯，試驗中采用的參數為：激光能量Pl=140W贿汞，激光光斑直徑Dl=4mm，切削速度vc=59.3m/min耸黑，進給速度 Vf=11.8mm/min，進給量f=0.02mm/r篮幢，激光光斑中心距離刀具的距離Ll=3.5mm大刊，切削深度ap=0.25mm。工件尺寸為 17mm×10mm×4mm三椿，刀具直徑為32mm缺菌，片型號為APMN160404。激光入射角度為53°搜锰，預熱時間tp=15s伴郁。加工得到的工件耿战。

　　加工中同樣得到了與激光加熱輔助車削中相似的塑性連續(xù)切屑，表明加工過程中的材料在激光加熱作用下由脆性轉變成為塑性焊傅。

　　加工平面的長度達到105mm后刀具磨損剂陡，VBmax=0.21mm。在工件對刀具間斷的沖擊作用下狐胎，刀具磨損與加熱輔助車削試驗中的刀具磨損相比明顯增大鸭栖。受高斯分布光束引起熱應力的限制，切削區(qū)域溫度沒有提高至更理想的溫度粮按。系統(tǒng)改進后忽浓，隨切削區(qū)域溫度的升高，刀具磨損可以降低到能夠接受的范圍中已转。

　　激光加熱輔助銑削得到的工件表面SEM照片矮憔，在加工表面可以看到明顯的走刀痕跡，表面質量良好渗送，沒有裂紋產生遭绝。軟化的晶間玻璃相在刀具作用下附著在加工后工件的表面，工件冷卻后均勻分布在工件表面铡暂，下面有明顯的晶粒突起邢侵，還有由于晶粒脫離而形成的空腔。采用表面粗糙度輪廓儀測量工件表面的粗糙度倡油，其值為 Ra=0.21μm版鳞。晶粒間的玻璃相在高溫下是流動的，加工后冷卻填充了加工過程中由于晶粒拋出而形成的空腔并在刀具擠壓作用下留在工件表面栓栋，從而改善了加工效果程腹，表面粗糙度較小。

　　采用XRD分析LAML加工后的工件與基體材料物相組成以研究激光加熱對表面帶來的影響結果儒拂。β- Si3N4是工件的主要組成成分寸潦，并且加工后的物相組成與基體相同。由于加工時氮化硅晶粒在刀具的作用在軟化的玻璃相中發(fā)生流動社痛，晶粒重新分布见转，并在冷卻的過程中被玻璃相覆蓋，導致加工后樣品表面β-Si3N4晶粒的取向與基體不同蒜哀，檢測得到的峰值略有些不同斩箫。

　　通過建立的連續(xù)軌跡 LAML加工系統(tǒng)，加工后的工件沒有表面裂紋產生撵儿，表面質量良好乘客，直線軌跡工件的粗糙度Ra=0.13μm，曲線軌跡工件的粗糙度Ra=0.12μm。由此證明了采用激光加熱輔助銑削技術加工連續(xù)軌跡的可行性易核，在此基礎上可以實現復雜形狀陶瓷材料零件的高效加工匈织。

　　結束語

　　高性能材料的發(fā)展是航空航天產業(yè)發(fā)展的關鍵因素，同時促進著高效率牡直、高質量加工技術的進步圣掷。氮化硅陶瓷是一種應用日益廣泛的典型高硬度、高脆性的高性能材料台泥，采用激光加熱輔助切削技術可實現氮化硅陶瓷工件外圓言雀、平面及復雜溝槽加工，表面質量好必胜，不產生裂紋刚哼，并且加工后材料沒有發(fā)生物相變化。充分展現了激光加熱輔助切削技術在難加工材料誓梦，尤其是在復合材料加工中的應用前景丹残。隨著激光技術、加熱輔助切削技術及成套裝備的出現夯饲，激光加熱輔助切削技術將在未來難加工材料加工的應用中占有重要的位置搬体。

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