隨著航空航天工業(yè)羡财、兵器工業(yè)衣夏、化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)等行業(yè)的發(fā)展坠行，對產(chǎn)品零部件材料的性能有了更高要求，同時也出現(xiàn)了各種高強度续膳、高硬度改艇、高脆性的工程材料。材料性能提高的同時給加工帶來了困難坟岔。例如高溫合金在高溫下具有優(yōu)良的熱強度性能谒兄、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能，常溫下加工刀具磨損嚴重社付、表面質(zhì)量差承疲。工程陶瓷強度高、耐磨損鸥咖、抗腐蝕燕鸽，目前通常采用磨削加工，生產(chǎn)效率低啼辣、成本高啊研、加工幾何形狀受限。近年來出現(xiàn)的加熱輔助切削技術(shù)是解決難加工材料加工的一種有效方法鸥拧。目前常用的熱源有等離子電弧党远、氧乙炔焰和激光等。與其他熱源相比朝正，激光光斑尺寸小蒸败、能量密度高圾恐，并在能量分布和時間特性上有很好的可控性⊙殴粒　　

　　激光加熱輔助切削技術(shù)　　

　　激光加熱輔助切削(LaserAssistedMachining擂椎，LAM)是將高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短時間內(nèi)將局部加熱到很高的溫度泡缠，使材料的切削性能在高溫下發(fā)生改變趟蛋，從而可以采用普通刀具進行加工。通過對工件加熱鼎示，提高材料的塑性同嚷，降低切削力，減小刀具磨損虫店，減小振動甫知。對硬脆材料可將其脆性轉(zhuǎn)化為延展性，使屈服強度降低到斷裂強度以下愁霞，避免加工中出現(xiàn)裂紋诡蜓，從而達到提高加工效率、降低成本胰挑、提高表面質(zhì)量的目的蔓罚。激光加熱輔助切削的示意≌八蹋　　

　　激光加熱輔助切削技術(shù)研究現(xiàn)狀　　

　　激光加熱輔助切削技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀70年代豺谈，作為一種提高難加工材料生產(chǎn)率的方法，用于鎳合金贡这、鈦合金和淬硬鋼的加工茬末。雖然LAM的可行性得到了驗證，但對激光能量盖矫、光束位置等影響因素沒有進行系統(tǒng)的研究丽惭，受金屬材料吸收率低、激光技術(shù)發(fā)展等因素限制導(dǎo)致加工成本高辈双、加工經(jīng)濟性差责掏，使LAM的研究陷入停滯狀態(tài)。而到90年代湃望，由于陶瓷等復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展拷橘，性能好、加工難度大的材料出現(xiàn)及激光設(shè)備價格降低蔚芥，LAM技術(shù)逐漸回到了研究者的視線拨臂。目前，采用激光加熱輔助切削方法加工的材料』剩　　

　　采用LAM技術(shù)對金屬材料加工可以有效降低切削力與刀具磨損痛慷，并提高加工效率。Sun等[1]對鈦金屬進行了LAM試驗研究袍砚，發(fā)現(xiàn)切削力可以降低20%~50%樱炬，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(zhì)量。Anderson等[2]對Inconel718材料進行了LAM加工槐伍，研究了工藝參數(shù)對工件表面質(zhì)量择绘、材料去除率、刀具磨損凌红、切削力混砸、表面粗糙度與切削比能的影響。結(jié)果表明硬纤，采用LAM技術(shù)加工可以降低25%的切削比能解滓，表面粗糙度降低，使陶瓷刀具的壽命增加200%~300%筝家。Anderson等[3]采用LAM方法加工了不銹鋼P550洼裤。隨著加工區(qū)域溫度的升高，比切削能降低25%溪王。材料強度降低使刀具壽命提高1倍腮鞍。工件表面組織沒有發(fā)生變化，硬度與傳統(tǒng)加工的硬度相同莹菱，并可以使加工時間節(jié)省20%~50%移国。工程陶瓷材料由于其塑性變形能力差、脆性高芒珠、斷裂韌性低及強度高等特點使加工難度加大，在室溫條件下很難采用切削方法加工搅裙。陶瓷材料在達到一定溫度后開始軟化皱卓，脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕梢圆捎脗鹘y(tǒng)刀具進行加工部逮。Purdue大學(xué)的Rozzi娜汁、Lei等對氮化硅、氧化鋯讲幌、莫來石等陶瓷材料的LAM進行了深入研究[4-7]油后。加工結(jié)果表明，切削力與刀具磨損隨加工溫度的升高而降低仙涡，比切削能小容书，加工后表面沒有裂紋產(chǎn)生，并且可以高效加工復(fù)雜形狀零件。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(shù)的方法藤棕，通過實時改變激光能量自拖，成功地在氮化硅材料上加工出復(fù)雜形狀的工件，并且沒有產(chǎn)生亞表面裂紋與熱損傷朴树『瓴椋　　

　　激光加熱輔助銑削(LAML)加工過程復(fù)雜，是間歇切削過程榨惭，對刀具與工件的沖擊大骡拐，因此關(guān)于此方面的研究相對較少。K?nig對鎢鉻鈷合金進行了LAML研究忿项，證明了加熱輔助銑削的可行性蓉冈。Yang等[9-10]進行了激光加熱輔助銑削陶瓷的研究，通過試驗證明了輔助銑削的可行性倦卖，結(jié)果表明激光加熱輔助銑削可以顯著降低切削力洒擦，切屑連續(xù)，得到良好的加工表面怕膛。Tian等[11]建立了LAML三維溫度場模型熟嫩，并通過試驗驗證了模型的準確性。成功采用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具對氮化硅材料進行了加工試驗褐捻，以磨損極限VB=0.3mm計算掸茅，刀具壽命可以達到260mm。采用LAML技術(shù)明顯提高了Inconel718的加工性能柠逞，切削溫度達到520℃時切削力降低40%~50%昧狮，刀具壽命提高1倍，表面粗糙度降低到原來的1/2板壮。

　　激光加熱輔助切削技術(shù)在氮化硅陶瓷加工上的應(yīng)用　　

　　氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的熱物理性能逗鸣，能在惡劣的工作環(huán)境下保持高強度、耐腐蝕僵卿、抗磨損的性能特与，但其脆性與高硬度決定了加工難度大、加工成本高正庙，是一種典型的難加工材料注括。當?shù)杼沾蓽囟瘸^1000℃時，玻璃相開始軟化蓄扳，強度與硬度都有明顯的下降蝴车，此時將軟化的材料去除，可以達到加熱輔助切削的目的拢给∮夹　　

　　1.激光加熱輔助切削工藝參數(shù)選擇方法　　

　　激光加熱輔助切削應(yīng)用中影響加工結(jié)果的參數(shù)很多主瘸，包括激光能量、激光光斑直徑淑停、激光入射位置孝摘、切削深度、激光移動速度與進給量等激光參數(shù)與切削參數(shù)锰抡。選擇合適的工藝參數(shù)是解決加熱輔助切削加工的首要問題妻往。切削區(qū)域溫度是加熱輔助切削首要滿足條件之一，可作為制定工藝參數(shù)的依據(jù)试和⊙镀　　

　　參數(shù)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(chǎn)生的熱應(yīng)力不產(chǎn)生裂紋阅悍，并且激光加熱不會對加工后表面質(zhì)量與工件性能帶來影響好渠。參數(shù)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(shù)經(jīng)驗初選工藝參數(shù)范圍节视，利用材料的熱物理參數(shù)與材料吸收激光參數(shù)結(jié)合熱傳導(dǎo)控制方程建立有限元模型拳锚。分析初選工藝參數(shù)對切削區(qū)域溫度、激光引起熱應(yīng)力的影響規(guī)律寻行，再結(jié)合切削用量的選擇原則霍掺，選擇合適的加工參數(shù)。采用所選的加工參數(shù)進行工藝試驗拌蜘，分析表面質(zhì)量杆烁、刀具磨損、加工效率等加工結(jié)果简卧，進一步修正加工參數(shù)兔魂，最終得到高效率、高質(zhì)量加工的工藝參數(shù)迈叫⌒抗埃　　

　　2.激光加熱輔助車削氮化硅陶瓷　　

　　經(jīng)過參數(shù)選擇分析，試驗中采用的參數(shù)為：激光能量Pl=220W暂韭，激光光斑直徑Dl=3mm姿抒，主軸轉(zhuǎn)速N=630，激光移動速度Vl=12.6mm/min怯录，激光光斑中心距離刀具軸向距離Ll=1mm尿欲，切削深度ap=0.2mm诬粗，預(yù)熱時間tp=15s牡呀。工件尺寸為φ10×40mm，激光與刀具的圓周角度為60°扯凫。采用機卡式車刀轧黑，刀片為PCBN材料，刀片型號為SNGN120408∏艺眩　　

　　加工得到的切屑噴金后SEM照片邦马。當切削區(qū)域溫度達到脆性-塑性轉(zhuǎn)變溫度后，晶界玻璃相發(fā)生粘滯流動宴卖，刀具與晶粒相互作用滋将，重新分布，產(chǎn)生如傳統(tǒng)金屬切削相似的卷曲半連續(xù)切屑症昏，表明此時是塑性切削過程随闽。隨著切削區(qū)域溫度降低，材料軟化程度下降肝谭，材料由切削區(qū)流出后即在刀具的作用下斷裂掘宪，切屑會明顯減小，逐漸變?yōu)獒槧钋行既林颉魏滚！　?/p>

　　加工7.5min后刀具僅在刀尖處出現(xiàn)很薄的磨損帶，磨損很小(VBmax=0.05mm)坟漱。采用基準加工參數(shù)得到的表面與基體表面SEM照片鼠次。從LAM加工后的表面可以看見明顯的走刀痕跡。由于玻璃相的軟化及在刀具作用下的重分布靖秩，可以看到由于晶粒脫離產(chǎn)生的空腔及玻璃相材料下的晶粒卢操，表明加工后的表面是在刀具塑性擠壓作用下形成的，表面粗糙度Ra=0.85μm件父∑蟊迹基體是磨削形成的表面，由金剛石砂輪與脆性材料相互作用夹它，形成磨削光滑區(qū)妖奕、塑性溝槽、涂敷區(qū)和脆性斷裂區(qū)恢儡≌ǎ　　

　　加工后工件經(jīng)金剛石鋸片切開，拋光后截面的SEM圖片组莲。工件內(nèi)部不受激光與刀具作用影響笙亿，加工后表面內(nèi)部沒有微裂紋產(chǎn)生≈浔　　

　　3.激光加熱輔助銑削氮化硅陶瓷　　

　　經(jīng)過參數(shù)選擇分析炕烈，試驗中采用的參數(shù)為：激光能量Pl=140W，激光光斑直徑Dl=4mm渔硫，切削速度vc=59.3m/min皱坛，進給速度Vf=11.8mm/min编曼，進給量f=0.02mm/r，激光光斑中心距離刀具的距離Ll=3.5mm剩辟，切削深度ap=0.25mm掐场。工件尺寸為17mm×10mm×4mm，刀具直徑為32mm贩猎，片型號為APMN160404熊户。激光入射角度為53°，預(yù)熱時間tp=15s吭服。加工得到的工件敏弃。　　

　　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)切屑噪馏，表明加工過程中的材料在激光加熱作用下由脆性轉(zhuǎn)變成為塑性麦到。　　

　　加工平面的長度達到105mm后刀具磨損欠肾，VBmax=0.21mm瓶颠。在工件對刀具間斷的沖擊作用下，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椭吠。受高斯分布光束引起熱應(yīng)力的限制捅青，切削區(qū)域溫度沒有提高至更理想的溫度。系統(tǒng)改進后炬锦，隨切削區(qū)域溫度的升高豺孤，刀具磨損可以降低到能夠接受的范圍中⌒㈧牛　　

　　激光加熱輔助銑削得到的工件表面SEM照片凌秩，在加工表面可以看到明顯的走刀痕跡，表面質(zhì)量良好抽茸，沒有裂紋產(chǎn)生段许。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碍讼，下面有明顯的晶粒突起驹毁，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练代，其值為Ra=0.21μm廊席。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菠发，從而改善了加工效果王滤，表面粗糙度較小±桌遥　　

　　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(jié)果淑仆。β-Si3N4是工件的主要組成成分，并且加工后的物相組成與基體相同哥力。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)生流動蔗怠，晶粒重新分布，并在冷卻的過程中被玻璃相覆蓋吩跋，導(dǎo)致加工后樣品表面β-Si3N4晶粒的取向與基體不同寞射，檢測得到的峰值略有些不同⌒颗ィ　　

　　通過建立的連續(xù)軌跡LAML加工系統(tǒng)桥温，加工后的工件沒有表面裂紋產(chǎn)生，表面質(zhì)量良好梁丘，直線軌跡工件的粗糙度Ra=0.13μm侵浸，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(shù)加工連續(xù)軌跡的可行性到趴，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)復(fù)雜形狀陶瓷材料零件的高效加工林乍。　　

　　結(jié)束語　　

　　高性能材料的發(fā)展是航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素阁雷，同時促進著高效率戒腔、高質(zhì)量加工技術(shù)的進步。氮化硅陶瓷是一種應(yīng)用日益廣泛的典型高硬度柒杯、高脆性的高性能材料掸枉，采用激光加熱輔助切削技術(shù)可實現(xiàn)氮化硅陶瓷工件外圓、平面及復(fù)雜溝槽加工疑拯，表面質(zhì)量好磷妻，不產(chǎn)生裂紋，并且加工后材料沒有發(fā)生物相變化矿矿。充分展現(xiàn)了激光加熱輔助切削技術(shù)在難加工材料掷雪，尤其是在復(fù)合材料加工中的應(yīng)用前景。隨著激光技術(shù)布筷、加熱輔助切削技術(shù)及成套裝備的出現(xiàn)肌坑，激光加熱輔助切削技術(shù)將在未來難加工材料加工的應(yīng)用中占有重要的位置。

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