激光加热辅助切削技术

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1、激光加热辅助切削技术随着航空航天工业、兵器工业、化学工、Ik、电子工业等行业的发展，对产品零部件材料的性能冇丫更高要求，同时也出现了各种高强度、高硬度、高脆性的工程材料。材料性能提高的同时给加工带米丫凼难。例如高温合金在高温下具冇优良的热强度性能、热稳定性能及热疲劳性能，常温下加工力具磨损严重、表面质量差。工程陶瓷强度高、耐磨损、抗腐蚀，0前通常采用磨削加工，牛.产效率低、成本尚、加工儿何形状受限。近年來出现的加热辅助切削技术足解决难加工材料加工的一种冇效方法。H前常用的热源冇等离了•电弧、氧乙炔焰和激光等。与其他热源相比，激光光斑尺寸小、能f

2、i密度高，并迕能虽分布和时间特性上冇很好的可控性，在加热辅助加工上得到越来越广泛的应用。激光加热辅助切削技术激光加热辅助切削(LaserAssistedMachining,LAM)是将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吋间内将局部加热到很尚的温度，使材料的切削性能在高温K发生改变，从而可以采川普通刀具进行加工。通过对工件加热，提高材料的塑性，降低切削力，减小刀具磨损，减小振动。对硬脆材料町将艽脆性转化为延展性，使屈服强度降低到断裂强度以下，避免加工屮出现裂纹，从而达到提高加工效率、降低成本、提高表面质量的0的。激光加热辅助

3、切削的示意图如图1所示。激光加热辅助切削技术研究现状激光加热辅助切削技术最早出现于20世纪70年代，作为一种提尚难加工村料生产率的方法，川于镍合金、钛合金和淬硬钢的加工。虽然LAM的可行性得到了验证，侃对激光能虽、光束位置等影响因素没冇进行系统的研究，受金属材料吸收率低、激光技术发展等因素限制导致加工成本高、加工经济性差，使LAM的研究陷入停滞状态。而到90年代，由于陶瓷等父合材料技术的发展，性能好、加工难度大的材料出现及激光设备价格降低，LAM技术逐渐回到了研究者的视线。鬥前，采用激光加热辅助切削方法加工的材料见表1。采川LAM技术对金属材料

4、加工吋以行效降低切削力与刀具磨损，并提高加工效率。Sun等［1］对钛金屈进行了LAM试验研究，发现切削力可以降低20%〜50%，较低的动态切削力与加工表面附近的低硬度提高了加工表面质景。Anderson等［2］对Inconel718材料进行了LAM加工，研究了工艺参数对工件表面质量、材料去除率、力具磨损、切削力、表面粗糙度与切削比能的影响。结果表明，采用LAM技术加工可以降低25%的切削比能，表面粗糙度降低，使陶瓷刀M•的寿命增加200%〜300%。Anderson等［3］采用LAM方法加工了不锈钢P550。随着加工区域温度的升商，比切削能降低

5、25%。材料强度降低使刀具寿命提高1倍。工件表側组织没冇发生变化，硬度与传统加工的硬度相同，并可以使加工时间节省20%〜50%。工程陶瓷材料由于M•塑性变形能力差、脆性高、断裂韧性低及强度高等特点使加工难度加大，在室温条件卞很难采用切削方法加工。陶瓷材料在达到一•定温度P开始软化，脆性转变为朔性，可以采用传统刀具进行加工。Purdue人学的Rozzi、Lei等对氮化硅、氣化锆、莫来石等陶瓷材料的LAM进行丫深入研究［4-7］。加工结果表明，切削力与刀具磨损随加工温度的升高而降低，比切削能小，加工f•表面没冇裂纹产生，并且可以高效加工复杂形状零件

6、。Tian等［8］通过激光辅助三维瞬态传热模型得到了最优化加工工艺参数的方法，通过实时改变激光能朵，成功地在鉍化硅材料上加工出复杂形状的工件,并且没冇产生亚表⑻裂纹与热损伤。激光加热辅助铣削（LAML）加工过程复杂，是间歇切削过程，对刀其与工件的冲击大，因此关于此方面的研究相对较少。K6nig对钨铬钴合金进行了LAML研究，证明了加热辅助铣削的可行性。Yang等［9-10］进行了激光加热辅助铣削陶瓷的研究，通过试验证明了辅助铣削的町行忡，结果表明激光加热辅助铣削可以显著降低切削力，切屑连续，得到良好的加工表谢。Tian等［11］建立了LAML三

7、维温度场模型，并通过试验验证了模型的准确性。成功采川TiAIN涂层硬质合金刀具对氮化硅材料进行了加工试验，以磨损极限VB=0.3mm计算，刀具痔命可以达到260mm。采用LAML技术明显提高了Inconel718的加工性能，切削温度达到520aC时切削力降低40%〜50%,刀具寿命捉高1倍，表而粗糙度降低到原来的1/2。激光加热辅助切削技术在氮化硅陶瓷加工上的应用鉍化硅陶瓷具杏优良的热物理性能，能在恶劣的工作环境K保持商强度、耐腐蚀、抗磨损的性能，但其脆性与高硬度决定了加工难度大、加工成本高，是一种典型的难加工材料。当氮化硅陶瓷溫度超过ioo（

8、rc时，玻璃相开始软化，强度与硬度都有明显的卜降，此时将软化的材料去除，可以达到加热辅助切削的目的。1激光加热辅助切削工艺参数选择方法激光加热辅助切削