激光加热辅助切削技术/哈尔滨理工大学制造科学与技术系列专著

第1章 激光加热辅助切削技术概述 随着材料科学技术日新月异的发展与进步，新材料层出不穷，如高性能陶瓷材料、复合材料等，材料的性能不断进步。航空航天、交通运输、电子信息、能源动力等行业对高性能材料的需求也越来越大。大量难加工材料出现，如超硬材料有淬硬钢、工程陶瓷、复合材料等，其硬度高于250HBS；超塑性材料有铜合金、铝合金、钛合金和高温合金等；高强度材料有高强度钢和超高强度钢；半导体材料有硅、锗、砷化镓等。 切削是机械制造中*主要的加工方式，而常规加工方式应用在新材料的加工中会出现加工效率低、刀具磨损严重、加工质量无法达到要求的问题。针对难加工材料性能的提升，切削新技术不断涌现。高速切削技术采用较高的切削速度，切削力随切削速度的提高而下降；同时，切屑带走大量的切削热，会降低切削温度，从而提高刀具寿命，提升加工效率。绿色切削技术通常采用干式切削、低温冷风切削或绿色切削液湿式切削等方式，在解决切削液污染及废液处理问题的同时可提高难加工材料的切削性能。此外，切削技术与特种加工技术的结合为难加工材料的加工带来了新的机遇。 1.1 典型难加工材料的加工技术 1.1.1 高温合金加工 高温合金又称耐热合金或超合金，是20世纪40年代发展起来的一种新型航空金属材料，在600～1100℃的氧化和燃气腐蚀条件下可以承受复杂应力，并且能长期可靠地工作，主要用于航空发动机的热端部件，也是航天、能源和交通运输工业等行业需要的重要材料。 高温合金按基体可分为镍基、铁基和钴基三类，其中镍基合金的发展*快，使用*广。目前，用作涡轮叶片的镍基变形高温合金，其*高使用温度为950℃；用作燃烧室部件的*高使用温度约为1000℃；用作涡轮盘的*高使用温度为800～850℃。铸造高温合金由合金锭重熔后直接浇铸而成，是在高温及氧化腐蚀环境中长期稳定工作的金属结构材料，在航空工业上的重要用途是制造航空燃气涡轮发动机涡轮叶片、导向叶片、增压器等。 许多学者对高温合金的加工进行了研究，使用硬质合金A3102铣刀对高温合金GH163进行加工时，发现在切削参数进给量和切削速度不变的情况下，轴向切深对振动的影响非常小，但是如果铣削速度增大、进给量减小，则会引起剧烈的振动。观察加工后刀具可以发现，刃口的边界磨损很大；切削刃上发生局部崩刃且没有切屑黏附在上面。从切屑形态得到，其背面在加工过程中被压挤的现象比较严重。切屑的颜色微蓝，说明工件的温度高，摩擦力非常大。加工过程中高温合金产生的加工硬化现象比较严重，使单位面积的刃口所受的切削力增加，再加上工艺系统的振动，所以在铣削加工过程中崩刃的现象时常发生。 Liao等利用K20和P20刀具研究了高温合金Inconel 718的切削机理，研究发现，在切削温度达到1000℃时，刀具中的粒子通过晶界扩散到黏结剂Co相中，减弱了黏结剂和硬质相的黏结强度，出现了比较严重的积屑瘤；采用含量不同的Co硬质合金刀具对GH4133进行切削，发现YBG202刀具切削磨损速度和程度明显高于YBG102，Co含量越低，硬质合金刀具的导热系数越高，在切削过程中可以使切削区域保持较低的温度，同时提高刀具的高温硬度，增加刀具的耐用度。 高速切削不仅可以缩短切削时间，而且可以大幅度提高切削效率，与传统切削加工相比，它具有加工精度较高、加工表面完整性较好、加工耗能低等优点。通过对镍基高温合金的加工试验研究发现，高速切削镍基高温合金获得的加工表面具有表面粗糙度低、硬化层深度小、残余应力小等特点，故高速切削是提高高温合金加工效率、改善加工表面质量、延长高温合金构件疲劳寿命的理想加工方法。例如，杜随更等对高温合金GH4169进行了高速铣削研究，切削速度范围为37.7～226.1m/min，切削力随着切削速度的增加先增大后减小；铣削表面粗糙度随着切削速度增大而减小，随着每齿进给量的增大而增大。曹成铭等对高温合金Inconel 718进行了高速铣削研究，切削速度范围为800～1400m/min，表面粗糙度Ra随切削速度的增大而减小。随着切削速度的增加，加工表面完整性越来越好，高速切削对表面加工硬化有一定的缓解作用。镍基合金Inconel 718工件材料中含有大量的硬质颗粒，刀具切入工件时，切屑和工件分离，颗粒紧密地黏结在刀具的前刀面。随着切削速度的提高，高温合金Inconel 718的热软化效应加强，切屑软化的程度越来越高，刀-屑以及硬质颗粒之间的摩擦划痕很容易在摩擦中磨平，切屑的表面质量越来越好。 目前，就加工高温合金的刀具材料而言，普通的工具钢和硬质合金刀具通常无法胜任加工需求，因此在高温合金材料的加工中通常采用高性能的刀具材料。涂层硬质合金刀具、聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride，PCBN)、金刚石刀具和陶瓷刀具都可以用来加工镍基高温合金。目前，涂层硬质合金刀具应用*广，切削速度可达到100～200m/min。但是随着生产上对于更快的材料去除速率和更好的加工表面完整性的需求，涂层硬质合金刀具不适合高速加工的缺点就被暴露出来。涂层剥落是刀具*初的磨损形态，由于接触区较窄，在高压、剪切应力和机械冲击的作用下，刀具切削刃的涂层首先被破坏，随着切削长度的增加，涂层剥落，刀具的基体材料更多地暴露出来。在铣削过程中，由于热冲击的影响，刀具在磨损过程中会产生热裂纹。此时采用性能更加优良的陶瓷刀具、PCBN刀具进行高速加工，对于提高生产率是一种很好的选择。研究表明，使用低立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)含量、陶瓷结合剂、细晶粒的CBN刀具切削合金Inconel 718时表现*佳；使用CBN含量为45%～60%的刀具在250～300m/min切削速度范围内进行切削时，刀具磨损状态较好。 1.1.2 陶瓷材料加工 氮化硅、氧化铝、碳化硅等工程陶瓷材料具有耐高温、硬度高、热膨胀系数小、抗氧化、耐化学腐蚀的性能，尤其能够在恶劣的工作环境下保持高强度、耐腐蚀、抗磨损的稳定性能，优于金属材料和高分子材料。工程陶瓷以其良好的性能，逐渐应用于化工、冶金、机械、电子、能源等领域，并具有举足轻重的地位，成为现代工程结构材料的重要支柱之一。 工程陶瓷在航空航天等高科技领域有广泛的应用。与高温合金相比，工程陶瓷的使用温度提高了约400℃，密度只有高温合金的40%，相同体积的零部件可减轻质量约60%。在航空发动机中使用陶瓷材料，高速转子可以大大降低离心负荷；可减少或取消冷却系统而简化结构，使发动机更紧凑，提高发动机的推重比，降低燃料消耗。目前，已有用陶瓷材料制造的涡轮叶片、火焰导管、雷达天线保护罩、燃烧室内壁与喷嘴、瞄准陀螺仪轴承，以及采用压电、绝缘陶瓷制造的加速度计、陀螺仪等。未来的航天器发展趋势是“廉价、快速、机动、可靠”，需要更多采用质量轻、耐高温、刚度好、强度高的材料，因此，陶瓷材料在航空航天领域将有更广阔的应用空间。此外，陶瓷材料还广泛应用于机械设备和其他工业领域，例如，陶瓷材料刀具，其耐磨性是金属切削刀具的60倍，并且不会发生锈蚀和变色，能抵抗各种酸碱有机物的腐蚀，在高温条件下硬度高、化学惰性好，使用寿命长；采用工程陶瓷材料制造的陶瓷轴承，其耐磨强度和硬度要比金属轴承高很多，使用寿命长，具有耐高温、抗磨损、刚度高、热变形小的特点，以及良好的绝缘性，可在无润滑条件下工作，应用于机床、汽车、飞机、输送机械等设备上；采用陶瓷材料制成的发动机，由于工作温度升高，可提高发动机的工作效率，延长发动机的使用寿命，节省能量消耗，并且使燃料充分燃烧，减少废气污染成分，更加环保；新型陶瓷的涡轮增压器可以减轻自身质量，提高发动机的工作效率，延长发动机的使用寿命；还有用陶瓷材料制造的密封环、活塞、凸轮、缸套、缸盖、燃气轮机燃烧器、涡轮叶片、减速齿轮等零部件。 尽管工程陶瓷材料具有上述优点，但脆性是陶瓷材料的弱点，容易在机械冲击和温度急变的情况下发生断裂。脆性的本质取决于陶瓷材料的化学键性质和晶体结构。陶瓷材料的化学键主要是离子键、共价键或离子-共价键的混合键，它们不仅结合强度高，而且具有方向性。陶瓷材料缺乏独立的滑移体系，一旦处于受力状态，滑移引起的塑性变形很难使材料产生松弛应力。此外，陶瓷材料中还存在大量的微裂纹，这些微裂纹容易造成应力高度集中，引起陶瓷材料的脆断；而陶瓷微观结构又是不均匀的、复杂的，在陶瓷中有相当多的气孔相和玻璃相。这种结构特征直接决定了陶瓷材料具有较好的物理性能，同时也说明了陶瓷材料存在脆性大、加工困难、重复性能差等缺点。 磨削是工业应用中加工陶瓷的主要方式，具有加工精度高、表面粗糙度小等优点。但是由于磨削力大、磨削温度高，加上砂轮导热性差，容易造成表面损伤及微裂纹，从而降低材料的强度；磨削加工效率低，金刚石砂轮磨损率高，会导致磨削加工成本较高。近年来，国内外学者将研究重点放在开发提高磨削效率的高效磨削加工方法如高速磨削、缓进磨削等磨削工艺上，通过提高磨削速度或磨削深度来提高加工效率，但工件表面破损情况仍未得到改善。磨削的过程中，磨粒与材料的表面接触，在接触点附近由于尖锐接触引起的高度局部应力集中使表面产生微裂纹。所形成的径向与侧向裂纹相互交错，在材料表面和亚表面形成裂纹群，影响材料的断裂强度及其他力学性能。磨削产生的加工裂纹往往导致材料强度衰减，与材料表面的其他类型损伤相比，更容易成为材料中的*危险裂纹。对陶瓷材料的加工来说，在某些情况下，加工质量比加工效率更重要。 工程陶瓷材料的硬度低于金刚石及CBN，因此金刚石和CBN刀具能够胜任陶瓷的切削。多晶金刚石刀具难以产生光滑锋利的切削刃，一般只用于粗加工，而工程陶瓷精密车削需要使用天然单晶金刚石刀具，采用微切削方式。Inoue等将金刚石自动磨锐技术应用在单晶金刚石切削氧化铝试验中，加工结果表明此技术可以降低表面粗糙度并且提高刀具寿命。但由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大，车削加工仍难以保证加工精度和加工质量的要求。 激光加工是利用聚焦高能激光束直接作用于被加工的物体表面，使物质发生局部瞬间熔化以至汽化，从而达到加工的目的。袁根福针对激光铣削过程中熔体喷射的物理机理，进行了温度场、物质喷射的速度场研究，建立了相应的理论模型，并进行了氧化铝陶瓷的激光铣削试验，然而，在加工过程中，不能避免熔融物质的重凝和熔渣对表面的覆盖，因此制约了表面质量的提高。Carrol等对激光加工碳化硅复合陶瓷的热影响区进行了研究，获得了良好的加工质量，但高能激光作用导致表面热损伤和表面裂纹。Cheng等采用三维雕刻系统，通过优化加工参数控制单层雕刻深度，在氧化铝陶瓷上激光加工得到的五角星工件，如图1-1所示。激光加工是一种无接触、无切削力的加工方法，没有工具损耗，但由于激光加工时，光束瞬时辐射，在材料表面产生局部高温，会形成很大的温度梯度，对工件造成热损伤、产生表面裂纹，并改变工件表面的微观组织，从而降低材料的强度。 电火花加工主要通过电极间脉冲放电产生高温熔化和汽化来蚀除材料，在陶瓷材料的成形加工应用研究上发展迅速。特别是近十年来，辅助电极法使绝缘材料的电火花加工成为可能。陶瓷绝缘体表面可作为辅助电极，辅助电极和工作液分解出的碳颗粒等电导复合材料不断在已加工陶瓷表面生成，从而保证了加工的持续进行。Takayuki等采用电火花线切割技术将50mm3的氮化硅陶瓷工件加工出椅子形状，如图1-2所示，加工时间虽然长达24h，但以目前的传统机械加工方法是难以完成的。微波电磁能量能穿透介质材料，传送到物质的内部，并与物体的原子、分子互相碰撞、摩擦，产生热量。Jerby等利用微波天线定向加热陶瓷，使陶瓷材料被加工区局部熔融，然后将微波天线插入熔融区形成孔洞，完成对陶瓷材料的加工。 图1-1 激光加工得到的五角星工件 图1-2 线切割方法加工得到的椅子工件 1.1.3 复合材料加工 金属基复