隨著航空航天工業、兵器工業、化學工業、電子工業等行業的發展，對產品零部件材料的性能有了更高要求，同時也出現了各種高強度、高硬度、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。例如高溫合金在高溫下具有優良的熱強度性能、熱穩定性能及熱疲勞性能，常溫下加工刀具磨損嚴重、表面質量差。工程陶瓷強度高、耐磨損、抗腐蝕，目前通常采用磨削加工，生產效率低、成本高、加工幾何形狀受限。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。目前常用的熱源有等離子電弧、氧乙炔焰和激光等。與其他熱源相比，激光光斑尺寸小、能量密度高，并在能量分布和時間特性上有很好的可控性，在加熱輔助加工上得到越來越廣泛的應用。
激光加熱輔助切削技術
激光加熱輔助切削（Laser Assisted Machining，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將局部加熱到很高的溫度，使材料的切削性能在高溫下發生改變，從而可以采用普通刀具進行加工。通過對工件加熱，提高材料的塑性，降低切削力，減小刀具磨損，減小振動。對硬脆材料可將其脆性轉化為延展性，使屈服強度降低到斷裂強度以下，避免加工中出現裂紋，從而達到提高加工效率、降低成本、提高表面質量的目的。
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，用于鎳合金、鈦合金和淬硬鋼的加工。雖然LAM的可行性得到了驗證，但對激光能量、光束位置等影響因素沒有進行系統的研究，受金屬材料吸收率低、激光技術發展等因素限制導致加工成本高、加工經濟性差，使LAM的研究陷入停滯狀態。而到90年代，由于陶瓷等復合材料技術的發展，性能好、加工難度大的材料出現及激光設備價格降低，LAM技術逐漸回到了研究者的視線。
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，并提高加工效率。Sun等[1]對鈦金屬進行了LAM試驗研究，發現切削力可以降低20%~50%，較低的動態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Inconel 718材料進行了LAM加工，研究了工藝參數對工件表面質量、材料去除率、刀具磨損、切削力、表面粗糙度與切削比能的影響。結果表明，采用LAM技術加工可以降低25%的切削比能，表面粗糙度降低，使陶瓷刀具的壽命增加200%~300%。Anderson等[3]采用LAM方法加工了不銹鋼P550。隨著加工區域溫度的升高，比切削能降低25%。材料強度降低使刀具壽命提高1倍。工件表面組織沒有發生變化，硬度與傳統加工的硬度相同，并可以使加工時間節省20%~50%。工程陶瓷材料由于其塑性變形能力差、脆性高、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。陶瓷材料在達到一定溫度后開始軟化，脆性轉變為塑性，可以采用傳統刀具進行加工。Purdue大學的Rozzi、Lei等對氮化硅、氧化鋯、莫來石等陶瓷材料的LAM進行了深入研究[4-7]。加工結果表明，切削力與刀具磨損隨加工溫度的升高而降低，比切削能小，加工后表面沒有裂紋產生，并且可以高效加工復雜形狀零件。Tian等[8]通過激光輔助三維瞬態傳熱模型得到了最優化加工工藝參數的方法，通過實時改變激光能量，成功地在氮化硅材料上加工出復雜形狀的工件，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，是間歇切削過程，對刀具與工件的沖擊大，因此關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，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，通過試驗證明了輔助銑削的可行性，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，得到良好的加工表面。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。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，以磨損極限VB=0.3mm計算，刀具壽命可以達到260mm。采用LAML技術明顯提高了Inconel 718的加工性能，切削溫度達到520℃時切削力降低40%~50%，刀具壽命提高1倍，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
氮化硅陶瓷具有優良的熱物理性能，能在惡劣的工作環境下保持高強度、耐腐蝕、抗磨損的性能，但其脆性與高硬度決定了加工難度大、加工成本高，是一種典型的難加工材料。當氮化硅陶瓷溫度超過1000℃時，玻璃相開始軟化，強度與硬度都有明顯的下降，此時將軟化的材料去除，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，包括激光能量、激光光斑直徑、激光入射位置、切削深度、激光移動速度與進給量等激光參數與切削參數。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的依據。
參數選擇原則是切削區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，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。參數選擇流程見圖2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，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。分析初選工藝參數對切削區域溫度、激光引起熱應力的影響規律，再結合切削用量的選擇原則，選擇合適的加工參數。采用所選的加工參數進行工藝試驗，分析表面質量、刀具磨損、加工效率等加工結果，進一步修正加工參數，最終得到高效率、高質量加工的工藝參數。
2 激光加熱輔助車削氮化硅陶瓷
經過參數選擇分析，試驗中采用的參數為：激光能量Pl=220W，激光光斑直徑Dl =3mm，主軸轉速N=630，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，切削深度ap=0.2mm，預熱時間tp=15s。工件尺寸為φ10×40mm，激光與刀具的圓周角度為60°。采用機卡式車刀，刀片為PCBN材料，刀片型號為SNGN120408。
加工得到的切屑噴金后SEM照片如圖3所示。當切削區域溫度達到脆性-塑性轉變溫度后，晶界玻璃相發生粘滯流動，刀具與晶粒相互作用，重新分布，產生如傳統金屬切削相似的卷曲半連續切屑，表明此時是塑性切削過程。隨著切削區域溫度降低，材料軟化程度下降，材料由切削區流出后即在刀具的作用下斷裂，切屑會明顯減小，逐漸變為針狀切屑。
加工7.5min后刀具僅在刀尖處出現很薄的磨損帶，磨損很小（VBmax= 0.05mm）。采用基準加工參數得到的表面與基體表面SEM照片如圖4所示。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，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，表面粗糙度Ra=0.85μm。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，形成磨削光滑區、塑性溝槽、涂敷區和脆性斷裂區。
加工后工件經金剛石鋸片切開，拋光后截面的SEM圖片見圖5。工件內部不受激光與刀具作用影響，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，試驗中采用的參數為：激光能量Pl=140W，激光光斑直徑Dl=4mm，切削速度vc=59.3m/min，進給速度Vf=11.8mm/min，進給量f=0.02mm/r，激光光斑中心距離刀具的距離Ll=3.5mm，切削深度ap=0.25mm。工件尺寸為17mm×10mm×4mm，刀具直徑為32mm，片型號為APMN160404。激光入射角度為53°，預熱時間tp=15s。加工得到的工件如圖6所示。
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切屑，見圖7，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。
加工平面的長度達到105mm后刀具磨損如圖8所示，VBmax=0.21mm。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。受高斯分布光束引起熱應力的限制，切削區域溫度沒有提高至更理想的溫度。系統改進后，隨切削區域溫度的升高，刀具磨損可以降低到能夠接受的范圍中。
激光加熱輔助銑削得到的工件表面SEM照片見圖9，在加工表面可以看到明顯的走刀痕跡，表面質量良好，沒有裂紋產生。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，下面有明顯的晶粒突起，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，其值為Ra=0.21μm。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，從而改善了加工效果，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，結果如圖10所示。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。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生流動，晶粒重新分布，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，檢測得到的峰值略有些不同。
通過建立的連續軌跡LAML加工系統，加工后的工件沒有表面裂紋產生，表面質量良好，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軌跡的可行性，在此基礎上可以實現復雜形狀陶瓷材料零件的高效加工。
結束語
高性能材料的發展是航空航天產業發展的關鍵因素，同時促進著高效率、高質量加工技術的進步。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，采用激光加熱輔助切削技術可實現氮化硅陶瓷工件外圓、平面及復雜溝槽加工，表面質量好，不產生裂紋，并且加工后材料沒有發生物相變化。充分展現了激光加熱輔助切削技術在難加工材料，尤其是在復合材料加工中的應用前景。隨著激光技術、加熱輔助切削技術及成套裝備的出現，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。
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