激光加熱輔助切削Al-,2-O-,3-工程陶瓷理論與試驗研究.pdf

1、工程陶瓷材料因其高硬度、高熔點、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、自潤滑性、環(huán)境耐久等性能，廣泛應(yīng)用于機械、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、鉆等方法進行機械加工，激光加熱輔助切削技術(shù)是解決工程陶瓷材料難加工問題的有效方法之一。本文在湖南大學(xué)科研基金項目資助下，針對激光加熱輔助切削工程陶瓷材料加工過程中存在的一些主要問題，采用理論分析和試驗研究相結(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理及其影響因素，重點開展了CO2激光加熱試件溫度場的變化過程及其對切削力、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。論文開展的研究主要包括： 1.基于光學(xué)原理，采用GaAs檢偏鏡，對PHC1500型CO2激光器輸出激光經(jīng)機床轉(zhuǎn)換光路后的偏振化方向進行試驗驗證；設(shè)計了材料的反射率測定試驗裝置，分別對Al2O3和Si3N4兩種工程陶瓷材料對不同入射角下垂直于和平行于入射面的線偏振

3、CO2激光的反射率進行試驗測量，與采用Fresnel公式計算的理論值進行對比，吻合較好，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，計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激光的吸收率進行了測量對比，試驗數(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，既可滿足切削過程對激光偏振性要求，又可實現(xiàn)切削時光束中心與刀尖間相對位置和角度的調(diào)整。 4.對激光加熱輔助切削工程陶瓷的傳熱過程進行了理論分析，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.利用有限差分法對激光加熱輔助切削Al2O3工程陶瓷的準穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型進行了求解，發(fā)現(xiàn)試件表面溫度場呈現(xiàn)卵圓形分布，試件內(nèi)部橫截面和縱截面內(nèi)的溫度場呈拋物線分布，試件上不同區(qū)域的溫度隨著它們離開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，呈橢圓狀，雖然試件表面激光功率密度有所降低

6、，但被輻照面積擴大，受熱均勻，沿橢圓長軸運動方向，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)在機理是：利用激光在很短的時間內(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)定的切削加工過程；基于試件溫度場分布，得到了激光加熱輔助切削時，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給量值。

7、 6.借助非接觸紅外溫度計，試驗測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、激光束移動速度和激光入射角作用下的表面溫度，與模擬計算相應(yīng)區(qū)域的溫度值對比，變化趨勢吻合較好；分析了熱量積累、材料發(fā)射率、距離系數(shù)等是造成測量值與模擬計算值間的誤差的主要原因。 7.基于壓電晶體測力儀，對激光加熱輔助切削Al2O3工程陶瓷的過程中切削力的變化情況進行了試驗研究，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)對加工過程的影響，可知：增加激光功率可以擴大工件上熱影響區(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間相對縮短，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：較小的進給量有利于試件被切削材料有足夠的加熱軟化時間，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的周向位置，既能保證切削力的降低，達到激光加熱輔助切削效果，又能有效地避免刀具因過分受高溫加熱作用而造成的其壽命降低問題。 8.試驗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行了檢測；綜合試驗數(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