基于激光輔助的氮化硅陶瓷車削表面質(zhì)量研究*

陳德根，于福權(quán)

(1.廣東科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083；2.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程分院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

因其具有硬度高、耐磨性好及抗腐蝕強(qiáng)等特點(diǎn)，氮化硅陶瓷具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。但同時(shí)陶瓷材料加工難度大、切削質(zhì)量不易保證等問題又極大地阻礙了其應(yīng)用與推廣[2]。

激光輔助加工(LAM)是一種熱力耦合的加工方式，其利用激光對(duì)陶瓷切削區(qū)域進(jìn)行加熱，將陶瓷的脆性去除機(jī)理轉(zhuǎn)換為延性域的塑性去除，可大大提高切削質(zhì)量，因此，將激光輔助加工用于切削各種難加工材料已成為目前制造領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向[3-5]。LIU等[6]建立了激光輔助銑削仿真模型，模擬了切削過程中溫度場(chǎng)隨的變化，并對(duì)切削力和切削溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)；張明軍等[7]采用橢圓超聲振動(dòng)及激光加熱復(fù)合超精密加工的方法對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行了加工，并去除加工質(zhì)量進(jìn)行了分析；ROOSTAEI H等[8]設(shè)計(jì)了激光輔助加工熔融石英陶瓷實(shí)驗(yàn)，研究了激光熱和石英材料之間的相互關(guān)系；盛東營(yíng)等[9]基于傳熱學(xué)理論建立了切削區(qū)域溫度場(chǎng)模型，對(duì)鋁基碳化硅復(fù)合材料激光輔助車削進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了工藝參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響。

以上基于激光輔助的切削模式不斷得到研究和廣泛應(yīng)用，這為筆者的研究提供了創(chuàng)新思路。

為解決陶瓷材料加工難度大、表面質(zhì)量難以保證的問題，本研究提出激光輔助方式對(duì)氮化硅陶瓷進(jìn)行車削，將高能激光和普通車削進(jìn)行結(jié)合，以改善陶瓷材料加工區(qū)域的材料特性。

1 熱力學(xué)模型

不同溫度的物體具有不同程度的分子熱運(yùn)動(dòng)，存在的溫度差會(huì)造成熱量通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的形式，在不同物體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在相互接觸的物體或者物體內(nèi)部，熱量通過熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳遞；而從微觀角度上看，則是物體內(nèi)部的原子和分子等粒子的熱運(yùn)動(dòng)。

其熱傳導(dǎo)定律為[10]：

(1)

式中：k—工件的導(dǎo)熱系數(shù)；A—傳熱面積；T—工件溫度值；x—導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)點(diǎn)。

工件的熱傳導(dǎo)原理如圖1所示。

圖1 熱傳導(dǎo)原理

接下來，筆者對(duì)柱坐標(biāo)系下熱量的傳遞過程進(jìn)行具體的推導(dǎo)。

根據(jù)能量守恒定律，則有：

Ein-Eout+Egenerated=Estored

(2)

根據(jù)熱量的轉(zhuǎn)移關(guān)系，對(duì)式(2)進(jìn)行代入，可得：

(3)

在柱坐標(biāo)系下，熱傳導(dǎo)定律中r、θ和z這3個(gè)方向的熱分量分別為：

(4)

將式(4)代入到式(3)中，對(duì)方程進(jìn)行整理后可得：

(5)

使用狄利克雷邊界條件，直接給出各時(shí)刻溫度的分布情況，即：

T|∞=T(r,θ,z,0)

(6)

式中：T(r,θ,z,0)—受時(shí)間和空間影響的函數(shù)。

在激光輔助加工中，熱量主要來自于激光源的熱通量、工件受力變形以及切屑分離產(chǎn)生的熱量。對(duì)于工件表面的自然對(duì)流和輻射換熱等情況，對(duì)仿真的影響效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱傳導(dǎo)，因此，在此處可以不加考慮。

當(dāng)激光對(duì)工件加工區(qū)域進(jìn)行照射時(shí)，激光大部分能量被工件吸收，改變了材料的力學(xué)性能；其余能量通過反射和透射的形式脫離工件。由于在實(shí)際加工過程中，氮化硅陶瓷材料透射率幾乎為0，此處也可以不加考慮。

對(duì)于能量的吸收率α可以定義為：

(7)

式中：Pα—工件材料吸收的激光功率；P0—激光發(fā)射的總能量。

對(duì)于激光能量的反射率β，可以通過能量守恒進(jìn)行計(jì)算，即：

β=1-α

(8)

在實(shí)際加工中，激光能量在工件表面一定厚度內(nèi)被吸收，根據(jù)Beer-Lambert定律中功率吸收率的變化形式可得出：

(9)

式中：z—工件深度；P—深度為z時(shí)的激光功率；η—激光在材料內(nèi)部的衰減率；Ke—激光在材料內(nèi)部的線性耗散率；λ—激光波長(zhǎng)。

本文中所用的YAG激光波長(zhǎng)λ為1.05 μm，通過計(jì)算可得氮化硅材料加工中近似于表面吸收，因此，此處將激光熱源設(shè)置為表面熱源。

激光照射在表面的熱流密度服從二維高斯分布，其函數(shù)表達(dá)式為：

(10)

式中：Q—工件內(nèi)任意點(diǎn)的熱流密度；r0—激光在工件表面的照射半徑；r—任意點(diǎn)距激光中心的距離。

2 仿真分析

2.1 模型的建立

筆者建立氮化硅陶瓷激光輔助車削仿真三維有限元模型，如圖2所示。

圖2 車削仿真三維有限元模型

圖2中，模型分為工件和刀具兩部分，其中，工件為直徑30 mm的棒料，金剛石車刀前角和后角均設(shè)置為7°，刀尖圓弧半徑設(shè)置為20 μm。

對(duì)氮化硅工件加工區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格密化處理，可以有效提高仿真結(jié)果的計(jì)算精度；對(duì)于工件底部對(duì)結(jié)果幾乎沒有影響的區(qū)域，可以通過減少網(wǎng)格數(shù)量，來提高仿真的運(yùn)算速度。

設(shè)初始溫度為25 ℃，主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min，背吃刀量為0.05 mm，刀具進(jìn)給量為0.01 mm/r。筆者通過改變激光發(fā)射器的功率來控制調(diào)節(jié)激光能量，對(duì)加工區(qū)域熱源溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；仿真過程中，激光功率載荷在0～500 W進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 仿真結(jié)果

筆者在普通車削、激光功率300 W車削和激光功率500 W車削3種條件下分別進(jìn)行仿真，研究不同工況切削力變化，即激光功率對(duì)切削力的影響。

具體的結(jié)果如圖3所示。

圖3 激光功率對(duì)切削力的影響

由圖3可以看出：

開始切削后切削力迅速升高，并在之后的切削中處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。對(duì)比不同的激光功率條件，在普通車削仿真時(shí)，穩(wěn)定切削時(shí)切削力較高，并且波動(dòng)劇烈，這是由于工件此時(shí)為脆性去除狀態(tài)。當(dāng)采用激光輔助車削時(shí)，可以看見此時(shí)切削力出現(xiàn)了明顯的下降，并且并沒有發(fā)生劇烈的波動(dòng)。

為研究激光輔助對(duì)工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律，在相同條件下，筆者對(duì)氮化硅陶瓷表面切削質(zhì)量進(jìn)行仿真分析，即激光功率對(duì)表面質(zhì)量的影響情況。

具體的結(jié)果如圖4所示。

圖4 激光功率對(duì)表面質(zhì)量的影響情況

從圖4(a)中可以看出：在不使用激光進(jìn)行普通車削過程中，材料去除方式以脆性斷裂為主，加工后表面出現(xiàn)明顯的崩碎現(xiàn)象，并伴隨較深的亞表面裂紋發(fā)生，加工質(zhì)量較差。

從圖4(b)中可以看出：在陶瓷表面溫度較高，而切削層溫度并沒有明顯的溫升情況，加工后工件表面存在較少的裂紋，加工質(zhì)量得到明顯的改善。

從圖4(c)中可以看出：切削層溫度有了一定的提高，相比于普通車削沒有發(fā)生脆性裂紋，材料以塑性去除為主，加工表面較為平整，并且也沒有亞表面裂紋生成。

通過分析激光功率對(duì)氮化硅陶瓷車削表面質(zhì)量的影響規(guī)律可以看出：

使用激光進(jìn)行輔助加工后表面質(zhì)量都不同程度地得到改善，說明激光作用效果達(dá)到了提高表面粗糙度的目的；激光功率達(dá)到500 W時(shí)，表面質(zhì)量相比于300 W時(shí)并沒有得到顯著的提升，兩者之間在表面質(zhì)量上幾乎沒有差別，說明在一定范圍內(nèi)，增加激光功率對(duì)于提高表面質(zhì)量具有一定的作用。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

氮化硅陶瓷激光輔助車削實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 氮化硅陶瓷激光輔助車削實(shí)驗(yàn)裝置

圖5中，實(shí)驗(yàn)所使用的高精密車床以及激光聚焦頭，激光器固定在刀架上與車刀保持相對(duì)靜止，其最大輸出功率為1 500 W，且連續(xù)輸出，激光波長(zhǎng)為1.05 μm，激光聚焦在待加工區(qū)域的光斑直徑為200 μm；金剛石車刀采用機(jī)械式裝卡方式固定在刀架上，刀架與測(cè)力儀相連接，用于測(cè)量切削力。

實(shí)驗(yàn)過程中，激光功率通過熱輻射直接影響加工區(qū)域的溫度。在較高的溫度條件下，工件材料的軟化范圍和深度也相應(yīng)的增加，此時(shí)，在相同切削深度下材料極易去除，并且材料去除所需要的切削力也會(huì)相應(yīng)降低。

激光輔助車削加工需要對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行合理選擇。實(shí)驗(yàn)中采用的加工參數(shù)和仿真一致，具體設(shè)置為：主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min，背吃刀量為0.05 mm，刀具進(jìn)給量為0.01 mm/r；調(diào)節(jié)激光功率，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

3.2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)后，筆者對(duì)車削加工中測(cè)得的切削力分別進(jìn)行了分析。

在不同激光功率下，穩(wěn)定車削加工平均切削力的變化情況，即激光功率對(duì)切削力的影響規(guī)律，如圖6所示。

圖6 激光功率對(duì)切削力的影響規(guī)律

從圖6中可以看出：在激光輔助車削實(shí)驗(yàn)和仿真中，隨著激光功率的增加，切削力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

在普通車削實(shí)驗(yàn)中切削力最大為42 N，當(dāng)加載激光載荷對(duì)工件進(jìn)行輔助加工時(shí)，切削力得到了有效降低。實(shí)驗(yàn)中，在激光功率達(dá)到500 W時(shí)，測(cè)得的切削力僅為17 N，此時(shí)切削力相比普通車削實(shí)驗(yàn)中切削力下降了59.5%左右。這是由于激光產(chǎn)生的熱輻射效果極大地改善了氮化硅陶瓷的硬脆性，軟化了陶瓷材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在激光加熱層內(nèi)的材料去除機(jī)理由脆性去除變?yōu)樗苄匀コ档土思庸ぶ械那邢髁Α?/p>

當(dāng)激光功率繼續(xù)增加時(shí)，在切削層位置工件材料近似于熔化狀態(tài)，直接產(chǎn)生激光加工現(xiàn)象，因而實(shí)驗(yàn)中不再繼續(xù)增加激光功率。

將實(shí)驗(yàn)和仿真分析中的切削力進(jìn)行對(duì)比，可以得出兩者之間的最大誤差為8.5%左右。

同樣，在不同激光功率下，筆者對(duì)氮化硅陶瓷車削加工后的表面粗糙度的變化情況進(jìn)行研究，得到激光功率對(duì)粗糙度的影響規(guī)律，如圖7所示。

圖7 激光功率對(duì)粗糙度的影響規(guī)律

從圖7中可以看出：

隨著激光功率的增加，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果中的表面粗糙度都呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)；

從普通車削加工到激光功率為200 W的過程中，表面粗糙度下降趨勢(shì)較為明顯；

當(dāng)激光功率為400 W～500 W時(shí)，表面粗糙度下降幅度較低；

在500 W激光輔助加工中，粗糙度降低了大約85%。這是由于在普通車削加工中，陶瓷切屑主要通過脆性斷裂的方式從工件上脫離，會(huì)形成脆性去除的貝殼狀凹痕，以及較深的裂紋損傷，對(duì)加工質(zhì)量造成極大的影響。

采用激光對(duì)工件進(jìn)行輔助加工時(shí)形成塑性去除，此時(shí)并不會(huì)發(fā)生脆性崩碎現(xiàn)象，因而可以得到較好的加工質(zhì)量。并且加工中由于切削層較淺，激光功率較低時(shí)，即可取得良好的加工質(zhì)量。

當(dāng)激光功率提高到300 W以上時(shí)，由于工件的去除機(jī)理均為塑性去除，加工質(zhì)量并不會(huì)發(fā)生明顯的提高。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出兩者之間最大誤差為20%左右。

4 結(jié)束語

筆者通過熱傳導(dǎo)理論建立了陶瓷加工區(qū)域溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，使用有限元仿真軟件設(shè)計(jì)了氮化硅陶瓷激光輔助車削仿真和實(shí)驗(yàn)，分析了不同激光功率下切削力和表面粗糙度的變化規(guī)律，為氮化硅陶瓷的車削加工提供了指導(dǎo)，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)隨著激光功率的增加，車削加工中切削力呈逐漸下降的趨勢(shì)，在普通車削加工和500 W激光輔助加工中平均切削力分別為42 N和17 N，切削力下降了59.5%，實(shí)驗(yàn)和仿真兩者之間的最大誤差為8.5%；

(2)隨著激光功率的增加，車削加工中表面粗糙度呈逐漸下降的趨勢(shì)，在普通車削加工和500 W激光輔助加工中表面粗糙度分別為10.1 μm和1.5 μm，粗糙度降低了85%；實(shí)驗(yàn)和仿真兩者之間的最大誤差為20%，證明使用激光輔助加工后的表面質(zhì)量得到提高；

(3)陶瓷材料進(jìn)行激光輔助加工時(shí)，材料去除機(jī)理從脆性變?yōu)樗苄裕瑥钠胀ㄜ囅鞯郊す夤β?00 W時(shí)，加工質(zhì)量出現(xiàn)較大的提高，繼續(xù)增加激光功率，加工質(zhì)量的提高并不明顯，因此，在具體的加工過程中，需要根據(jù)工藝參數(shù)對(duì)激光功率的加載進(jìn)行綜合的考慮。

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