哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院 王 揚 孔憲俊 張宏志 楊立軍 遲關心

隨著航空航天、兵器、機械工業(yè)等的發(fā)展，出現(xiàn)了很多先進的工程材料，如高溫合金、鈦合金、復合材料、工程陶瓷等。其中高溫合金被廣泛應用于航空渦輪發(fā)動機的熱端部件及航天發(fā)動機的渦輪葉片等，但其高強度、低塑性、低導熱性導致常規(guī)加工過程中切削力大，切削溫度高，刀具磨損嚴重[1-4]。鈦合金主要應用于航空航天領域，其常規(guī)切削加工成本高，主要是由切削時摩擦力大、溫度高、刀具磨損嚴重造成的[5-8]。顆粒/纖維增強復合材料由于塑性低以及微觀不均勻性而難于進行常規(guī)機械加工，特別體現(xiàn)在刀具磨損快和加工表面缺陷多等方面[9-12]。工程陶瓷強度高、耐磨損、抗腐蝕，目前通常采用磨削加工，生產(chǎn)效率低、成本高、加工幾何形狀受限[13-15]。近年來出現(xiàn)的加熱輔助切削技術是解決難加工材料加工的一種有效方法，通過提高工件局部溫度改變被去除材料的性能，從而改善材料的可加工性。采用的熱源包括等離子弧、氧乙炔焰和激光，其中激光具有能量密度高且易于調整、光斑尺寸與入射位置可控性好、集成方便等優(yōu)點，已成為加熱輔助加工首選熱源。

激光加熱輔助切削技術

1 激光加熱輔助切削原理

激光加熱輔助切削（LAM）技術是一種復合加工技術，通過高能激光束加熱使刀具前方的工件材料在被切除前達到最佳軟化切削溫度，從而使切削時材料的塑性變形更容易，切削力、切削比能、表面粗糙度及刀具磨損減小，加工效率提高。加熱切削機理不僅在于材料在高溫下硬度和強度降低，而且局部瞬時高溫可在材料內部引起塑性變形區(qū)應力場的改變，材料在高溫下與激光或介質發(fā)生復雜的物理化學反應,均使材料切削性發(fā)生改變。LAM原理見圖1。

圖1 激光加熱輔助切削原理

2 加工方式

車削是主要的激光加熱輔助加工方式。車削時，車刀相對機床是靜止的，激光與車床集成比較容易。通過調整入射光纖角度與反射鏡位置可以方便地改變激光光斑直徑、光束入射角、激光光斑與刀尖之間的距離等。與加熱輔助車削相比，輔助銑削方面研究較少。首先，銑削是一個間歇切削過程，加工過程復雜；其次，由于銑刀在加工過程中是旋轉的，因此將激光束與銑床結合比較困難，這些限制了加熱輔助銑削的應用。

激光加熱輔助加工不僅局限于車削、銑削，一些學者還將其他加工方式與激光加熱輔助相結合，如刨削、磨削、鉆削、拋光等加工方式。Chang等[16]對氧化鋁材料進行了激光加熱輔助刨削研究，與常規(guī)加工相比切削力減小10%～16%，表面粗糙度降低50%以上。Tian等[17]建立了激光加熱輔助拋光系統(tǒng)，并對MP35N與AISI4140材料進行拋光試驗。拋光時進給力降低，刀具磨損減小，表面硬度提高。

激光加熱輔助切削溫度場研究

剪切區(qū)的平均溫度被定義為材料的去除溫度，在LAM過程中，對于材料的去除機理、切削力、刀具磨損、表面質量都有決定性的作用。在LAM過程中切削溫度通常被認為是激光參數(shù)和加工參數(shù)的函數(shù)。激光加熱輔助切削時激光與材料相互作用，激光束能量被材料表面吸收并轉化為熱能，引起材料表面溫度的升高。溫度對于材料變形的流變應力、強度和硬度都有很大的影響。

根據(jù)加工參數(shù)研究，材料表面以及淺表層的溫度分布對激光加熱輔助切削起著至關重要的作用。Rozzi等[18]采用有限元體積法建立了激光加熱輔助車削瞬態(tài)三維傳熱模型。該模型充分考慮了激光熱流密度、工件熱傳導、工件表面對流與輻射傳熱、變形產(chǎn)生的熱及切屑帶走的熱量對于表面溫度的影響，模擬了轉速、進給速度、切削深度、激光光斑與刀具垂直距離、光斑直徑及激光能量對于表面溫度的影響，同時還對光斑附近未加工區(qū)域的溫度進行了模擬。通過高溫計測量發(fā)現(xiàn)該模型預測的溫度與試驗測量值吻合良好，還被許多學者應用在莫來石、氧化鋯、蠕墨鑄鐵等材料的LAM 溫度場預測上。

Ding等[19]在Rozzi模型的基礎上建立了厚度變化的中空軸溫度場模型，為驗證模型的正確性，在加工過程中利用波長8～9μm的紅外熱像儀對涂有炭黑涂層的AISI 4130材料進行了表面溫度的測量，測量結果與模擬數(shù)值有很好的一致性。

王揚等[20]采用解析法及有限差分和有限元結合的混合法建立了陶瓷材料的激光加熱輔助切削溫度場。鄢銼等[21]采用有限差分方法得到了氧化鋁陶瓷激光輔助切削溫度場分布，并以此確定不同加工參數(shù)下的切削深度。在激光加熱輔助銑削溫度場研究方面， Zaeh等[22]建立了激光加熱輔助銑削的溫度場，為了驗證該模型的準確性，通過紅外熱像法和熱電偶2種方法測量了TiAl6V4和Steel S235的溫度場，試驗測量結果與模型模擬結果吻合良好。

激光加熱輔助切削技術的應用

1 工程陶瓷

先進的工程陶瓷材料由于有著很好的高溫性能、低密度、熱和化學穩(wěn)定性，應用在航空、航天、軍事、醫(yī)療以及其他相關領域，但是高昂的加工成本限制了陶瓷材料的廣泛應用。由于陶瓷材料的高硬度和脆性，常規(guī)加工時刀具磨損快，材料去除率低[23]。一般來說，陶瓷屬于脆性材料，在材料去除的過程中不會發(fā)生塑性變形。然而高溫時由于玻璃相的軟化，Si3N4材料的強度和脆性都減小。Lei等[24]對氮化硅材料（含有10%的YSiAlON 玻璃相）進行了LAM試驗研究，發(fā)現(xiàn)當溫度超過1150℃（玻璃相的軟化溫度）后，玻璃相晶界的黏度降低。在刀具切削過程中氮化硅晶粒在軟化的玻璃相附近滑移旋轉，氮化硅移動的同時，玻璃相晶界也開始在氮化硅周圍重新排列，一起在剪切區(qū)運動產(chǎn)生塑性變形，變形原理如圖2所示。

德國的Brecher等[25]開發(fā)出一套激光與五軸聯(lián)動加工中心集成的激光加熱輔助銑削系統(tǒng)，利用這套系統(tǒng)進行了Si3N4陶瓷材料的激光加熱輔助銑削試驗研究，發(fā)現(xiàn)切削力降低73%～90%，PCD刀片僅有微小的片層剝離和切削刃磨損，而常規(guī)加工時PCD刀片經(jīng)常發(fā)生大的層片剝離。

Rozzi[26]、Rebro[27]、Pfefferkorn[28]等對氮化硅、莫來石、氧化鋯等陶瓷材料進行了零件加工試驗研究，結果表明切削力與比切削能隨加工溫度升高而降低，得到質量良好的工件。此外，國內學者也對氮化硅、氧化鋁等陶瓷材料進行了相關研究[29-30]。

2 高溫合金

圖2 LAM加工Si3N4時變形原理

高溫合金具有在高溫條件下保持高強度、強抗腐蝕能力、優(yōu)異熱疲勞特性和熱穩(wěn)定性能的特點，被廣泛應用于航空航天領域。高溫合金在常規(guī)切削時變形阻力非常大,加工硬化嚴重，切削溫度不易擴散和傳播，刀具磨損嚴重。激光加熱輔助切削是加工鎳基高溫合金的一種有效方法，當材料被激光加熱到一定溫度后，屈服極限顯著降低，此時切削力明顯減小，可提高刀具壽命、切削質量和效率，降低加工成本。

哈爾濱工業(yè)大學的王揚等[31]對鎳基鑄造高溫合金K24進行了LAM研究，分析了激光能量、切削速度、背吃刀量對切削力的影響規(guī)律。結果表明，激光加熱輔助切削時切削力下降50%，刀具壽命提高3.2倍，表面粗糙度從常規(guī)切削的0.52μm降低到激光加熱輔助切削時的0.36μm，LAM與常規(guī)銑削后表面形貌見圖3。

Anderson等[32]對Inconel 718進行了LAM加工試驗，研究了工藝參數(shù)對刀具磨損、切削力、表面粗糙度、比切削能以及去除率的影響，結果表明采用LAM技術時比切削能降低25%，表面粗糙度降低200%左右，刀具壽命提高2～3倍，用硬質合金刀具切削1m長的高溫合金其成本降低66%，用陶瓷刀具時成本降低50%，充分顯示了LAM加工鎳基高溫合金的優(yōu)勢。Rajagopal[33]、Novak[34-35]、Leshock[36]等通過激光加熱輔助切削Inconel 718試驗，得出激光加熱輔助切削較傳統(tǒng)切削在表面質量、刀具壽命都有較大的提高。

圖3 銑削后的表面形貌

3 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金由于有很高的比強度、良好的耐腐蝕性、高溫強度[37-38]，越來越廣泛地應用在航空航天領域。對于鈦合金的巨大需求，要求有高的加工效率。然而在常規(guī)加工中，由于鈦合金低的導熱率和較高的屈服強度使得切削刃承受高溫和高的壓力，導致刀具磨損嚴重，加工成本非常高。

Dandekar等[39]進行了鈦合金的激光加熱輔助切削試驗研究，發(fā)現(xiàn)切削比能顯著降低，表面粗糙度有明顯降低，在170℃下切削速度為107m/min時，刀具壽命仍然提高了1.7倍，加工后材料的顯微組織和硬度沒有發(fā)生大的變化，加工成本降低近30%。Sun等[40]對鈦金屬進行了LAM試驗研究，發(fā)現(xiàn)切削力降低20%～50%，隨切削速度增加，產(chǎn)生的切屑由鋒利的鋸齒狀向連續(xù)狀轉變。Wiedenmann等[41]對于TiAl6V4進行了激光加熱輔助銑削研究，通過模擬實現(xiàn)對加工過程中CAD/CAM單元的有效控制，這有助于提高激光加熱輔助銑削的加工效率和質量。

4 硬脆金屬

石墨鑄鐵、4340淬火鋼、P550不銹鋼及工具鋼等由于高的硬度和脆性，在常規(guī)加工過程刀具磨損非常嚴重，磨削和拋光加工效率很低。激光加熱輔助切削的出現(xiàn)給這些難加工材料的加工帶來了新的契機。

哈爾濱工業(yè)大學的王揚等[42]對于冷硬鑄鐵的激光加熱輔助車削開展了理論與試驗研究。結果表明，激光加熱輔助切削冷硬鑄鐵時切削力降低近50%，刀具磨損降低24%。Skvarenina等[43]進行了致密石墨鑄鐵的激光加熱輔助切削試驗研究，在400℃去除材料時，刀具壽命提高60%，表面粗糙度降低5%，加工成本降低20%。Demitrescu等[44]采用半導體激光對工具鋼材料進行了LAM試驗研究，發(fā)現(xiàn)軸向力明顯降低，刀具壽命提高1倍，隨切削溫度的升高，切屑由粗糙斷續(xù)的小切屑轉變?yōu)槠交B續(xù)大切屑。與CO2、YAG激光相比，金屬材料對于半導體激光的吸收率更高，為將來激光加熱輔助加工金屬材料提供了新思路。

5 金屬基復合材料(MMC)

復合材料由于添加了硬脆的第二相（A l2O3、SiC）而有高的比強度、好的耐磨性和高硬度。加入的這些硬脆相通常是陶瓷增強顆?；蚶w維，加工過程中加劇了刀具的磨損，使常規(guī)加工的成本非常高。近年激光加熱輔助切削技術開始應用于金屬基復合材料的加工，有望解決MMC加工困難的問題。最早進行這方面研究工作的是哈爾濱工業(yè)大學的王揚等[45]，王揚進行了A l2O3顆粒增強復合材料的LAM理論和試驗研究，建立了顆粒增強復合材料（PRMMC）切削的物理模型（圖4），利用組織錯配理論解釋了復合材料激光加熱輔助切削過程中切削力下降、刀具磨損降低、表面機械性能提高的原因。

Dandekar等[46]對于高體積分數(shù)的長纖維增強復合材料進行了LAM研究，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度降低65%，比切性能、刀具磨損、亞表面破壞都有明顯降低。Dandekar等[47]進行了20% SiCp/A359復合材料的激光加熱輔助切削試驗，在300℃加工時，表面粗糙度降低37%，比切削能減少12%，刀具壽命提高1.7～2.35倍，顯示了LAM加工顆粒增強復合材料的優(yōu)越性。Bejjani等[48]對于鈦基復合材料進行了激光加熱切削研究，發(fā)現(xiàn)刀具壽命提高180%。通過切屑形貌和微觀組織分析了刀具壽命提高的原因，激光加熱使得切屑變成更加不規(guī)則的鋸齒狀，切屑的鋸齒高度波動更大，傾斜度變大。

6 半導體硅

半導體硅由于良好的綜合性能而廣泛應用于電子行業(yè)，但硅材料的高脆性使得加工困難，加工后常常表面質量損傷，難以滿足工業(yè)應用需求。采用激光加熱單點金剛石切削，提高硅材料韌性的同時可獲得好的加工表面質量。

總結眾多學者對于難加工材料的激光加熱輔助切削的研究，將LAM加工難加工材料的關鍵指標進行了歸納（表1）。LAM較常規(guī)加工在降低切削力、提高表面質量、延長刀具壽命、降低成本方面有很大優(yōu)勢，而LAM加工成本主要包括設備運轉費用、激光使用費及刀具費用。

圖4 激光加熱輔助切削PRMMC模型

激光加熱輔助切削技術的發(fā)展趨勢

1 系統(tǒng)集成

激光加熱輔助切削技術的關鍵在于材料溫度的高效利用，而激光加熱系統(tǒng)對溫度控制起到了決定性作用，為精確控制加熱溫度，要求能夠準確調整激光入射斑點大小、激光與刀尖的距離等參數(shù)，并且在加工的過程中激光束不能與刀具產(chǎn)生干涉，否則會影響刀具使用壽命。在加熱輔助銑削中激光的集成是具有挑戰(zhàn)性的，通常做法是將激光束直接照射在刀尖前方一定距離的位置，但這樣僅能加工簡單平面或溝槽，無法滿足復雜零件的加工需求。Brecher等[25]通過光路轉換將激光束集成在主軸中，并將該主軸集成在五軸的加工中心中，組成了LAM加工系統(tǒng)。

2 雙激光束加熱輔助切削

目前，激光加熱輔助切削技術通常利用單束激光對材料進行加熱，達到軟化材料、降低切削力的目的。在LAM車削過程中如果只用單束激光對工件進行加熱，已加工表面與未加工表面間的加工表面不能夠被有效加熱?？梢栽黾右皇訜嵝泵鎱^(qū)的光束,如圖5所示，將更加有利于切削力的降低以及刀具磨損降低。在該方法中Nd-YAG激光主要用來加熱沒有涂敷涂層的斜面區(qū)，CO2激光主要加熱涂有涂層的試件表面，CO2激光是提高材料溫度的主要熱源。

表1 LAM加工各種材料的關鍵指標

圖5 雙束激光加熱輔助切削原理

圖6 激光打孔切削原理

3 激光預打孔切削技術

Komanduri等[49]提出一種富有創(chuàng)造性的激光輔助加工技術，該技術的原理如圖6所示，利用脈沖激光沿待加工工件的圓周方向打出一系列的孔，這些孔的深度略小于切削深度，直徑大于進給速度，然后采用常規(guī)切削的方式來進行加工。這種加工方式大大減小了切削力，降低了刀具磨損，為激光復合加工技術的應用提供了一種全新的思路。

結束語

激光加熱輔助切削在加工難加工材料時切削力降低，刀具壽命、表面質量以及材料去除率都有較大提高，因此受到越來越多的關注。一些塑性較大的難加工材料由于切屑與刀具的分離較困難，用激光加熱輔助加工這些材料時，材料的去除機理需要進一步深入研究。激光加熱輔助加工時產(chǎn)生的高溫或許會縮短刀具壽命，也有可能加速刀具的擴散磨損和粘結磨損。因此，一些加強切屑分離和冷卻刀具的新方法需要研究。

LAM是一個復雜的加工過程，高能的激光束不僅改變了材料的流變應力，而且也改變了材料的變形行為以及刀具和切屑間的摩擦行為。目前，有關工件溫度分布的研究較多，但是對于材料在高溫下的變形行為、溫度梯度、應變速率，高溫下的摩擦行為，高溫下切屑的分離規(guī)律等需要進一步的深入研究，這些機理對于準確理解激光加熱輔助加工的過程具有重要意義。

激光加熱輔助加工包含許多參數(shù)，例如激光參數(shù)、加工參數(shù)和材料參數(shù)，它們之間如何優(yōu)化是一個不可回避的重要問題?？梢岳蒙窠?jīng)元（ANN）法優(yōu)化LAM加工過程的參數(shù)，確定最優(yōu)的加工工藝參數(shù)以及模擬不同參數(shù)對切削力、加工質量、刀具磨損的影響程度。理解這些參數(shù)對加工過程的影響對于LAM加工具有非常重要的指導作用。現(xiàn)階段激光加熱輔助加工主要應用于車削和銑削，今后的發(fā)展可以考慮利用激光加熱輔助加工鉆削、磨削。隨著科學技術的發(fā)展，激光器的成本越來越低，功率越來越大，伴隨著其他切削設備的高速發(fā)展，激光加熱輔助切削技術在難加工材料加工及其他領域將有更廣闊的應用空間。

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