激光加熱輔助切削Al-,2-O-,3-工程陶瓷理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、工程陶瓷材料因其高硬度、高熔點(diǎn)、低密度、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的抗腐蝕、抗氧化、耐磨、耐熱、自潤(rùn)滑性、環(huán)境耐久等性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、化工、航天航空及其它工業(yè)領(lǐng)域。因其硬而脆，難以采用傳統(tǒng)的車、銑、鉆等方法進(jìn)行機(jī)械加工，激光加熱輔助切削技術(shù)是解決工程陶瓷材料難加工問(wèn)題的有效方法之一。本文在湖南大學(xué)科研基金項(xiàng)目資助下，針對(duì)激光加熱輔助切削工程陶瓷材料加工過(guò)程中存在的一些主要問(wèn)題，采用理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了CO2激光加

2、熱輔助切削Al2O3工程陶瓷刀具材料的機(jī)理及其影響因素，重點(diǎn)開(kāi)展了CO2激光加熱試件溫度場(chǎng)的變化過(guò)程及其對(duì)切削力、刀具損壞及切屑形態(tài)變化和試件加工質(zhì)量的影響等規(guī)律的研究。論文開(kāi)展的研究主要包括： 1.基于光學(xué)原理，采用GaAs檢偏鏡，對(duì)PHC1500型CO2激光器輸出激光經(jīng)機(jī)床轉(zhuǎn)換光路后的偏振化方向進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；設(shè)計(jì)了材料的反射率測(cè)定試驗(yàn)裝置，分別對(duì)Al2O3和Si3N4兩種工程陶瓷材料對(duì)不同入射角下垂直于和平行于入射面的線偏振

3、CO2激光的反射率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，與采用Fresnel公式計(jì)算的理論值進(jìn)行對(duì)比，吻合較好，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了兩種工程陶瓷材料的折射率、布儒斯特角及相應(yīng)的吸收率數(shù)據(jù)。 2.分別就Al2O3和Si3N4兩種工程陶瓷材料試件對(duì)在布儒斯特角下平行于入射面的線偏振和圓偏振光CO2激光的吸收率進(jìn)行了測(cè)量對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用線偏振C02激光加熱輔助切削Al2O3和Si3N4陶瓷在能量利用效果方面比采用圓偏振光更好，在同樣的條件下，Si

4、3N4工程陶瓷材料比Al2O3工程陶瓷材料更難切削。 3.構(gòu)建了由激光光路系統(tǒng)和切削加工系統(tǒng)構(gòu)成的激光加熱輔助切削Al2O3工程陶瓷試驗(yàn)系統(tǒng)，光路系統(tǒng)設(shè)置了四面反射鏡和一面聚焦鏡，既可滿足切削過(guò)程對(duì)激光偏振性要求，又可實(shí)現(xiàn)切削時(shí)光束中心與刀尖間相對(duì)位置和角度的調(diào)整。 4.對(duì)激光加熱輔助切削工程陶瓷的傳熱過(guò)程進(jìn)行了理論分析，基于高斯光束以入射角輻照于試件外圓表面形成的橢圓狀光帶，結(jié)合傳熱控制方程，建立了激光加熱輔助切削Al

5、2O3工程陶瓷的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型； 5.利用有限差分法對(duì)激光加熱輔助切削Al2O3工程陶瓷的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，發(fā)現(xiàn)試件表面溫度場(chǎng)呈現(xiàn)卵圓形分布，試件內(nèi)部橫截面和縱截面內(nèi)的溫度場(chǎng)呈拋物線分布，試件上不同區(qū)域的溫度隨著它們離開(kāi)激光光斑距離的增加而降低；與激光束垂直輻照試件獲得的溫度場(chǎng)比較，本文模型激光束以布儒斯特角切向入射輻照于試件表面，試件吸收系數(shù)高，光斑被拉長(zhǎng)，呈橢圓狀，雖然試件表面激光功率密度有所降低

6、，但被輻照面積擴(kuò)大，受熱均勻，沿橢圓長(zhǎng)軸運(yùn)動(dòng)方向，在2323K溫度以下，有較深的軟化層；結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，得到激光加熱輔助切削的內(nèi)在機(jī)理是：利用激光在很短的時(shí)間內(nèi)大幅度提高試件待切削區(qū)域材料溫度，使其硬度、強(qiáng)度下降，塑性、韌性增加，材料軟化，在與刀具的相互作用下易于發(fā)生塑性變形，從而形成連續(xù)穩(wěn)定的切削加工過(guò)程；基于試件溫度場(chǎng)分布，得到了激光加熱輔助切削時(shí)，不同激光參數(shù)和加工參數(shù)組合下理論的刀尖中心與光束中心間的周向距離和進(jìn)給量值。

7、 6.借助非接觸紅外溫度計(jì)，試驗(yàn)測(cè)量了試件上刀尖所處位置待切削區(qū)域分別在不同激光功率、激光光斑半徑、激光束移動(dòng)速度和激光入射角作用下的表面溫度，與模擬計(jì)算相應(yīng)區(qū)域的溫度值對(duì)比，變化趨勢(shì)吻合較好；分析了熱量積累、材料發(fā)射率、距離系數(shù)等是造成測(cè)量值與模擬計(jì)算值間的誤差的主要原因。 7.基于壓電晶體測(cè)力儀，對(duì)激光加熱輔助切削Al2O3工程陶瓷的過(guò)程中切削力的變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)三向切削力均大大降低；分析不同激光參數(shù)和切削加工

8、工藝參數(shù)對(duì)加工過(guò)程的影響，可知：增加激光功率可以擴(kuò)大工件上熱影響區(qū)的范圍，提高切削區(qū)域內(nèi)試件材料溫度，有助于切削區(qū)域內(nèi)材料的充分軟化，從而減少刀具切削阻力，降低切削力；采用較小的切削深度，切削區(qū)變形和摩擦小，也能有效降低切削力；隨著試件轉(zhuǎn)速的增加，其表面受激光輻照的時(shí)間相對(duì)縮短，造成試件待切削區(qū)域溫升不高，材料軟化程度不夠，導(dǎo)致切削力增大：較小的進(jìn)給量有利于試件被切削材料有足夠的加熱軟化時(shí)間，從而降低切削力，改善切削加工質(zhì)量；利用合適的

9、激光光斑輻照試件，能保證一定的軟化層，也能降低切削力；激光束切向入射加熱輔助切削時(shí)切削力明顯比垂直入射的切削力低，合理改善激光束中心與刀具切削點(diǎn)的周向位置，既能保證切削力的降低，達(dá)到激光加熱輔助切削效果，又能有效地避免刀具因過(guò)分受高溫加熱作用而造成的其壽命降低問(wèn)題。 8.試驗(yàn)研究了刀具磨損和切屑形態(tài)，在金剛石刀具前、后刀面及主、副切削刃與工件待加工表面或已加工表面接觸的地方伴隨著前、后刀面和邊界磨損，切削區(qū)高溫、高壓力是導(dǎo)致刀具

10、磨損的根本原因；在不同程度的加熱狀況下因其待去除材料性能變化而使其切屑形態(tài)不同。采用較低的激光功率加熱，出現(xiàn)崩碎切屑；較高的激光功率加熱，則為尺寸更大的單元切屑。 9.測(cè)量了激光加熱輔助切削．Al2O3工程陶瓷試件外圓面加工后的尺寸精度，并對(duì)不同加工參數(shù)條件下激光加熱輔助切削Al2O3工程陶瓷已加工外圓面的微裂紋分布和表面粗糙度值進(jìn)行了檢測(cè)；綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，得到了在激光加熱輔助切削．Al2O3工程陶瓷中，合適的加工參數(shù)范