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隨著航空航天工業(yè)、兵器工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品零部件材料的性能有了更高要求，同時(shí)也出現(xiàn)了各種高強(qiáng)度、高硬度、高脆性的工程材料。材料性能提高的同時(shí)給加工帶來(lái)了困難。例如高溫合金在高溫下具有優(yōu)良的熱強(qiáng)度性能、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能，常溫下加工刀具磨損嚴(yán)重、表面質(zhì)量差。工程陶瓷強(qiáng)度高、耐磨損、抗腐蝕，目前通常采用磨削加工，生產(chǎn)效率低、成本高、加工幾何形狀受限。近年來(lái)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。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(shí)間特性上有很好的可控性，在加熱輔助加工上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

激光加熱輔助切削技術(shù)

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(shí)間內(nèi)將局部加熱到很高的溫度，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(jìn)行加工。通過(guò)對(duì)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(dòng)。對(duì)硬脆材料可將其脆性轉(zhuǎn)化為延展性，使屈服強(qiáng)度降低到斷裂強(qiáng)度以下，避免加工中出現(xiàn)裂紋，從而達(dá)到提高加工效率、降低成本、提高表面質(zhì)量的目的。

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(jì)70年代，作為一種提高難加工材料生產(chǎn)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(yàn)證，但對(duì)激光能量、光束位置等影響因素沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，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、加工經(jīng)濟(jì)性差，使LAM的研究陷入停滯狀態(tài)。而到90年代，由于陶瓷等復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，性能好、加工難度大的材料出現(xiàn)及激光設(shè)備價(jià)格降低，LAM技術(shù)逐漸回到了研究者的視線。

采用LAM技術(shù)對(duì)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(duì)鈦金屬進(jìn)行了LAM試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)切削力可以降低20%~50%，較低的動(dòng)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(duì)Inconel 718材料進(jìn)行了LAM加工，研究了工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)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(jié)果表明，采用LAM技術(shù)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P(yáng)550。隨著加工區(qū)域溫度的升高，比切削能降低25%。材料強(qiáng)度降低使刀具壽命提高1倍。工件表面組織沒(méi)有發(fā)生變化，硬度與傳統(tǒng)加工的硬度相同，并可以使加工時(shí)間節(jié)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(qiáng)度高等特點(diǎn)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(dá)到一定溫度后開(kāi)始軟化，脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，可以采用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行加工。Purdue大學(xué)的Rozzi、Lei等對(duì)氮化硅、氧化鋯、莫來(lái)石等陶瓷材料的LAM進(jìn)行了深入研究[4-7]。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，比切削能小，加工后表面沒(méi)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(guò)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，通過(guò)實(shí)時(shí)改變激光能量，成功地在氮化硅材料上加工出復(fù)雜形狀的工件，并且沒(méi)有產(chǎn)生亞表面裂紋與熱損傷。

激光加熱輔助銑削（LAML）加工過(guò)程復(fù)雜，是間歇切削過(guò)程，對(duì)刀具與工件的沖擊大，因此關(guān)于此方面的研究相對(duì)較少。K nig對(duì)鎢鉻鈷合金進(jìn)行了LAML研究，證明了加熱輔助銑削的可行性。Yang等[9-10]進(jìn)行了激光加熱輔助銑削陶瓷的研究，通過(guò)試驗(yàn)證明了輔助銑削的可行性，結(jié)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)，得到良好的加工表面。Tian等[11]建立了LAML三維溫度場(chǎng)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。成功采用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)氮化硅材料進(jìn)行了加工試驗(yàn)，以磨損極限VB=0.3mm計(jì)算，刀具壽命可以達(dá)到260mm。采用LAML技術(shù)明顯提高了Inconel 718的加工性能，切削溫度達(dá)到520℃時(shí)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(lái)的1/2。

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，能在惡劣的工作環(huán)境下保持高強(qiáng)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(dāng)?shù)杼沾蓽囟瘸^(guò)1000℃時(shí)，玻璃相開(kāi)始軟化，強(qiáng)度與硬度都有明顯的下降，此時(shí)將軟化的材料去除，可以達(dá)到加熱輔助切削的目的。

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，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(dòng)速度與進(jìn)給量等激光參數(shù)與切削參數(shù)。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(wèn)題。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)。

參數(shù)選擇原則是切削區(qū)域溫度達(dá)到材料的軟化溫度，加熱過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不產(chǎn)生裂紋，并且激光加熱不會(huì)對(duì)加工后表面質(zhì)量與工件性能帶來(lái)影響。參數(shù)選擇流程見(jiàn)圖2首先通過(guò)材料性能分析、理論傳熱計(jì)算及切削參數(shù)經(jīng)驗(yàn)初選工藝參數(shù)范圍，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。分析初選工藝參數(shù)對(duì)切削區(qū)域溫度、激光引起熱應(yīng)力的影響規(guī)律，再結(jié)合切削用量的選擇原則，選擇合適的加工參數(shù)。采用所選的加工參數(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，分析表面質(zhì)量、刀具磨損、加工效率等加工結(jié)果，進(jìn)一步修正加工參數(shù)，最終得到高效率、高質(zhì)量加工的工藝參數(shù)。

2 激光加熱輔助車削氮化硅陶瓷

經(jīng)過(guò)參數(shù)選擇分析，試驗(yàn)中采用的參數(shù)為：激光能量Pl=220W，激光光斑直徑Dl =3mm，主軸轉(zhuǎn)速N=630，激光移動(dòng)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(yù)熱時(shí)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(jī)卡式車刀，刀片為PCBN材料，刀片型號(hào)為SNGN120408。

加工得到的切屑噴金后SEM照片如圖3所示。當(dāng)切削區(qū)域溫度達(dá)到脆性-塑性轉(zhuǎn)變溫度后，晶界玻璃相發(fā)生粘滯流動(dòng)，刀具與晶粒相互作用，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，表明此時(shí)是塑性切削過(guò)程。隨著切削區(qū)域溫度降低，材料軟化程度下降，材料由切削區(qū)流出后即在刀具的作用下斷裂，切屑會(huì)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(xiàn)很薄的磨損帶，磨損很小（VBmax= 0.05mm）。采用基準(zhǔn)加工參數(shù)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(jiàn)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(chǎn)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(qū)、塑性溝槽、涂敷區(qū)和脆性斷裂區(qū)。

加工后工件經(jīng)金剛石鋸片切開(kāi)，拋光后截面的SEM圖片見(jiàn)圖5。工件內(nèi)部不受激光與刀具作用影響，加工后表面內(nèi)部沒(méi)有微裂紋產(chǎn)生。

3 激光加熱輔助銑削氮化硅陶瓷

經(jīng)過(guò)參數(shù)選擇分析，試驗(yàn)中采用的參數(shù)為：激光能量Pl=140W，激光光斑直徑Dl=4mm，切削速度vc=59.3m/min，進(jìn)給速度Vf=11.8mm/min，進(jìn)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(hào)為APMN160404。激光入射角度為53°，預(yù)熱時(shí)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(xù)切屑，見(jiàn)圖7，表明加工過(guò)程中的材料在激光加熱作用下由脆性轉(zhuǎn)變成為塑性。

加工平面的長(zhǎng)度達(dá)到105mm后刀具磨損如圖8所示，VBmax=0.21mm。在工件對(duì)刀具間斷的沖擊作用下，刀具磨損與加熱輔助車削試驗(yàn)中的刀具磨損相比明顯增大。受高斯分布光束引起熱應(yīng)力的限制，切削區(qū)域溫度沒(méi)有提高至更理想的溫度。系統(tǒng)改進(jìn)后，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。

激光加熱輔助銑削得到的工件表面SEM照片見(jiàn)圖9，在加工表面可以看到明顯的走刀痕跡，表面質(zhì)量良好，沒(méi)有裂紋產(chǎn)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(cè)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(dòng)的，加工后冷卻填充了加工過(guò)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(duì)表面帶來(lái)的影響，結(jié)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(shí)氮化硅晶粒在刀具的作用在軟化的玻璃相中發(fā)生流動(dòng)，晶粒重新分布，并在冷卻的過(guò)程中被玻璃相覆蓋，導(dǎo)致加工后樣品表面β-Si3N4晶粒的取向與基體不同，檢測(cè)得到的峰值略有些不同。

通過(guò)建立的連續(xù)軌跡LAML加工系統(tǒng)，加工后的工件沒(méi)有表面裂紋產(chǎn)生，表面質(zhì)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(shù)加工連續(xù)軌跡的可行性，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀陶瓷材料零件的高效加工。

結(jié)束語(yǔ)

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，同時(shí)促進(jìn)著高效率、高質(zhì)量加工技術(shù)的進(jìn)步。氮化硅陶瓷是一種應(yīng)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(shù)可實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷工件外圓、平面及復(fù)雜溝槽加工，表面質(zhì)量好，不產(chǎn)生裂紋，并且加工后材料沒(méi)有發(fā)生物相變化。充分展現(xiàn)了激光加熱輔助切削技術(shù)在難加工材料，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)、加熱輔助切削技術(shù)及成套裝備的出現(xiàn)，激光加熱輔助切削技術(shù)將在未來(lái)難加工材料加工的應(yīng)用中占有重要的位置。