秦繼鵬，劉儼后，車科，麻娟，劉健

(1.山東省精密制造與特種加工重點實驗室，山東淄博 255000；2.山東理工大學機械工程學院，山東淄博 255000)

0 前言

表面拋光是模具制造的最后環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段主要以手工拋光為主，但效率低、勞動強度大、產(chǎn)品質(zhì)量缺乏一致性和穩(wěn)定性，并且拋光費用有時占到加工成本的25%。因此，需要開發(fā)新的拋光工藝。

激光拋光是使用激光輻射熔化材料層，通過材料自身的表面張力將熔化的材料均勻地分布在表面上，最終得到理想的拋光材料表面。激光拋光被認為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膾伖夥椒ǎ浼庸に俣瓤?、靈活性好，不僅能實現(xiàn)平面區(qū)域的加工，還能實現(xiàn)三維空間與不規(guī)則曲面以及微小區(qū)域選區(qū)拋光，而不影響其他的區(qū)域。在合適的參數(shù)下，加工后的表面應力很小，無需后處理，僅僅會影響工件表面，而對工件內(nèi)部沒有影響。激光拋光不接觸加工表面，減少了夾具設計的負擔；其加工方式靈活，激光頭可以安裝在任何一種數(shù)控平臺上，不依賴于專用設備，進一步壓縮了拋光的成本。黃加福等探究了在使用激光拋光的過程中各主要工藝參數(shù)如功率、掃描速度的影響。周浩等人采用波長為1 064 nm的光纖連續(xù)激光器拋光S136-D模具鋼，通過合理控制激光參數(shù)，拋光后的表面粗糙度最終可達到0.94 μm，改善率高達88.2%。MAI和LIM研究了激光拋光不銹鋼，發(fā)現(xiàn)拋光后，不銹鋼表面粗糙度下降了60%且表面的裂紋得到了有效控制。CHOW等研究了不同離焦量對激光拋光效果的影響，得出通過改變離焦量可以改變激光作用在材料表面的能量密度的結(jié)論。

本文作者采用波長為1 080 nm的光纖激光器對9CrWMn模具鋼進行單道拋光試驗。研究激光功率、掃描速度、離焦量對激光單道掃描拋光后工件表面產(chǎn)生的單道掃描寬度的影響，并分析試驗現(xiàn)象。

1 激光拋光金屬的作用機制

金屬材料激光切割是去除表面而激光拋光則是移動的激光光束輻照金屬材料表面，使表面材料重熔然后快速凝固。在此過程中，重熔的表面凸起會由于表面張力的影響而重新分布，激光光束離開熔融區(qū)域后，固液界面隨著激光光束移動，從而使表面平復。RAMOS-GREZ和BOURELL認為，根據(jù)表面重熔深度的不同，激光拋光機制可進一步分為表面淺熔(SSM)機制和表面過熔(SOM)機制。

SSM機制如圖1所示，當激光束聚焦在金屬表面上時，它在材料表面作用較短時間或較小能量，金屬材料表面上的高峰部分則達到熔點溫度，開始熔化。其作用類似于“削峰填谷”，在不平整的待加工表面上，熔融的為表面高凸的部分，而低凹的部分則在金屬熔融物的重力作用下得到填平，最終得到趨于光滑的金屬表面。

圖1 SSM作用機制

SOM機制如圖2所示，在激光拋光中，選擇低速掃描或使用的能量密度ED過大，金屬材料表面的熔融將持續(xù)較長時間。此時，熔融層將不會只在材料淺層，而會向深處發(fā)散，這將導致材料的加工表面形貌和力性能變差。在激光光斑照射內(nèi)的金屬表面材料全都進入熔融狀態(tài)隨后蒸發(fā)，激光光斑掃描時會因熔池和凝固區(qū)之間的溫度差而產(chǎn)生質(zhì)量流動現(xiàn)象，且熔池的表面張力隨著溫度的升高而減小，會產(chǎn)生將熔融液體從激光光斑的中心向凝固區(qū)推動的力，而熔池曲面和重力阻礙了液體的流動，從而在表面形成空間頻率較低的微小波動，所以作用在熔池表面的力的持續(xù)時間大于熔池本身的凝固時間，其表面粗糙度因此增加。

圖2 SOM作用機制

2 試驗設備及方法

2.1 試驗材料及設備

選取9CrWMn模具鋼作為研究對象，其成分如表1所示，試驗前將工件磨平，并使用砂紙進行進一步打磨。相對于陶瓷材料和玻璃，金屬的熱導率較高、熔點較低，當激光光束輻照金屬表面時，除了會造成熔融區(qū)域外，還會形成熱影響區(qū)，同時也會使殘余熱應力增大。

表1 9CrWMn模具鋼成分

采用波長為1 080 nm的光纖連續(xù)激光器，產(chǎn)生的激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場橫截面的振幅分布遵守高斯函數(shù)，如圖3所示。

圖3 高斯激光束

采用的試驗裝置以及拋光原理如圖4所示。激光頭部自帶保護氣體噴嘴防止氧化，保護氣體為氮氣。在常壓下，氮氣在很高的溫度下才會分解，試驗中使樣品表面熔化的溫度相比使氮氣發(fā)生化學反應的溫度低，因此樣品表面的熔融過程幾乎不受氮氣的影響。

圖4 試驗裝置及原理簡圖

2.2 影響激光拋光的工藝參數(shù)

總體來說，功率、離焦量和掃描速度是影響激光拋光效果的3個主要因素。合理地選擇3個參數(shù)，是獲得良好表面的關鍵。離焦量是指激光焦點位置與樣品表面的距離，如圖5所示。當焦點在樣品表面時，離焦量為0；當焦點在樣品表面以上時，離焦量為正；當焦點在樣品表面以下時，離焦量為負。試驗中使用的激光為高斯激光，離焦量與光斑直徑之間的關系如公式(1)(2)所示：

圖5 不同離焦量z作用在工件表面

(1)

(2)

其中：為光斑直徑；為離焦量，為瑞利長度；為激光波長。

連續(xù)激光光束與表面的作用時間和掃描速度有關，平均能量密度由公式(3)確定：

(3)

其中：為激光功率；為光斑直徑；為激光光斑在樣品表面停留的時間，在連續(xù)激光中，=；為光斑面積，在高斯激光中，=π4；為掃描速度。

2.3 拋光工藝參數(shù)選取

在激光拋光中，過低的掃描速度會使拋光時間大幅度延長。對于單道拋光，單次拋光雖然可以在幾秒內(nèi)完成，但進行面拋光時，其累積的加工用時將大大增加，也將耗費大量的氮氣，不利于試驗的經(jīng)濟性。而過高的速度也會降低激光的平均能量密度。因此，經(jīng)過前期預試驗和查閱文獻，選定掃描速度為2.5～4.5 m/min。

激光功率選取過小，工件表面不會出現(xiàn)明顯的單道拋光痕跡，選取功率過大又會造成表面過熔，因此選擇最低功率為50 W、最高功率為130 W。針對激光拋光，能量密度隨離焦量增加而減小，則選擇離焦量為-2～2 mm。

正交試驗設計是研究多因素多水平的又一種設計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備“均勻分散，齊整可比”的特點。對3種工藝參數(shù)進行正交試驗設計，如表2所示，共進行25次試驗。

表2 正交試驗

3 試驗現(xiàn)象與分析

按表2進行試驗后，使用無水乙醇擦拭如圖6所示的工件表面，隨后使用金相顯微鏡測量并記錄激光單道拋光后的寬度，結(jié)果如表3所示。

表3 激光單道拋光寬度

圖6 激光單道拋光后工件樣貌

25組拋光寬度如圖7所示?？梢钥闯觯涸趻呙杷俣认嗤脑囼炛校瑔未渭す鈷伖獾膶挾入S著功率的提高、離焦量從負到正的改變呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即寬度由窄變寬。

圖7 單道拋光寬度

在25次試驗中，單次拋光的最小間距出現(xiàn)在切割速度、功率以及離焦量均最小的試驗1中，為76.4 μm；最大間距出現(xiàn)在掃描速度最小、功率最大、離焦量最大的試驗5中，為372 μm。試驗1與試驗5同屬于掃描速度最小(2.5 m/min)的一批。

如圖8所示，在試驗1中，雖然經(jīng)過拋光區(qū)域表面呈現(xiàn)出平整、光潔的狀態(tài)，但是單道拋光間距與未處理表面的分界不明顯，這是因為功率過小，拋光力度弱。其拋光的作用機制為SSM機制。如圖9所示，在試驗5中，由于功率較高且離焦量較大，工件表面單道拋光的寬度明顯增加，且表面形貌發(fā)生了變化，波紋狀熔池均勻地散布在整個加工面內(nèi)，且與未處理表面有了明顯的分界。其拋光的作用機制為SOM機制。

圖8 試驗1表面金相圖

圖9 試驗5表面金相圖

通過觀察剩余試驗，發(fā)現(xiàn)如試驗2，在低速、低功率、負離焦量的單道拋光情況下，拋光機制為SSM，材料表面的大部分區(qū)域得到拋光去除，但是還有部分表面材料存在均勻分布的未去除殘余部分，如圖10所示。

圖10 試驗2表面金相圖

如試驗9，在低速、高功率、正離焦量的單道拋光情況下，材料表面出現(xiàn)過熔(SOM)現(xiàn)象，如圖11所示。這是因為激光光束作用在材料表面時間較長或能量密度過大，導致材料表面熔融范圍過大，而熔池的冷卻速度非常快，所以作用在熔池表面的力的持續(xù)時間大于熔池本身的凝固時間，以至于熔融材料還未停止振蕩就已經(jīng)凝固，生成新的不平整表面，出現(xiàn)過熔現(xiàn)象。這種情況大多是由于功率過大引發(fā)的。在試驗中，大功率、低速度時，容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。為減少過熔現(xiàn)象的發(fā)生，應盡可能避免較低速度、過大功率以及大離焦量的情況。

圖11 試驗9表面金相圖

如試驗22，在高速、低功率、負離焦量的單道拋光情況下，拋光機制為SSM，材料表面基本得到拋光且更加平整，如圖12所示，雖然進行一次單道拋光并沒有將表面全部拋光去除，但是相比試驗2，實驗22試件表面的未去除殘余部分明顯減少，可見適當提高拋光速度與功率可提高拋光后的表面平整程度。

圖12 試驗22表面金相圖

4 結(jié)論

本文作者闡述了在激光拋光過程中，金屬材料表面被去除時，根據(jù)表面重熔深度的不同所劃分的表面淺熔(SSM)和表面過熔(SOM)2種機制，以及功率、掃描速度、離焦量對激光拋光的影響。通過試驗得到不同拋光機制下的工件表面。結(jié)果表明：在模具鋼的單道拋光過程中，使用大功率(130 W)、較低掃描速度以及正離焦量的工藝組合雖然可使單道拋光的區(qū)域?qū)挾让黠@提高，但是會出現(xiàn)表面過熔現(xiàn)象，其表面平整程度比在高速、低功率(70 W)、負離焦量的情況下得到的差；在負離焦量的情況下，提高拋光速度、適當降低功率可提高拋光后的表面平整程度。