张迎信, 安立宝
(华北理工大学 机械工程学院,河北 唐山 063210)
近年来,工程陶瓷、复合材料、高温合金、钛合金等先进工程材料因其具有强度高、耐磨损、抗腐蚀、热稳定性好等优良特性,在机械、化工、航空航天、核工业等领域获得了广泛应用[1-3]。采用常规方法加工这些材料时,由于硬度高、强度大、塑性低等特点,使得切削力和切削温度非常高,刀具磨损严重,加工质量差,加工几何形状受限[4]。激光加热辅助切削加工(laser assisted machining,LAM)通过激光加热软化切削区材料,再利用刀具进行切削加工[5],与常规加工相比在降低切削力、延长刀具寿命、提高加工质量和加工效率等方面展现出许多优势,为解决难加工材料的加工提供了一种有效途径[6]。因此,激光加热辅助切削加工技术成为近年来切削加工领域的研究热点之一。
激光加热辅助切削加工技术自1978年问世以来,经过几十年的发展,取得了长足的进步。König等[7]率先将激光加热辅助车削技术应用于氮化硅陶瓷材料的加工,改善了材料的加工性能,获得了表面粗糙度Ra低于0.5 μm的加工表面。Yang等[8]对氮化硅陶瓷材料进行了激光加热辅助铣削实验研究,结果表明,采用激光辅助加热将切削区温度由838 ℃提高到1319 ℃时,切削力降低近50%,边缘碎裂现象明显减少,加工表面质量提高,验证了激光加热辅助铣削陶瓷材料的可行性。Anderson等[9]对Inconel718材料进行了激光加热辅助车削加工,较常规加工比切削能(去除单位体积材料所需要的切削能量)[10]降低25%,刀具寿命提高2~3倍。Dandekar等[11]对氮化硅颗粒增强铝基复合材料A359/20SiCP进行了激光加热辅助车削实验研究,较常规加工比切削能降低12%,刀具寿命提高1.7~2.35倍,表面粗糙度Ra降低37%。吴雪峰等[12]对高温合金GH4698材料进行激光加热辅助铣削加工时发现,当切削区温度为600 ℃时能有效降低材料强度,与常规铣削相比,切削力降低35%,加工表面质量更好。Hedberg等[13]对钛合金材料Ti6Al4V进行了激光辅助铣削加工实验研究,相比于常规加工,切削力降低30%~50%,表面残余应力降低10%,加工成本节省33%。本文综述了近年来激光加热辅助车削、铣削、钻削、磨削等最新研究进展,展望了激光加热辅助切削加工技术未来的发展方向。
激光加热辅助切削加工是利用高能激光束照射工件待加工表面,材料在短时间内被加热到一定温度,发生软化,然后再进行切削加工,其加工基本原理如图1所示。温度对材料的加工性能有显著的影响,通过对材料加热可以降低材料的强度和硬度,降低切削力,减少刀具磨损和振动,从而达到改善加工质量,提高加工精度和加工效率的目的[14]。温度对不同材料拉伸强度的影响如图2所示[15]。
各种加热辅助切削加工中常用的零件加热方法包括激光加热[15]、电加热[16]、等离子弧加热[17]和氧乙炔焰加热[18]等。相比而言,激光加热具有功率密度高、升温迅速、能量分布和时间特性可控性好等优点,已成为加热辅助切削加工中较理想的热源。
在激光加热辅助切削常用的激光系统中,CO2激光器发振10.6 μm波长的激光,由于金属表面自由电子的固有频率远大于该波段的激光,大部分激光能量被表面自由电子反射,导致透射率极低,激光不能够很好地被金属吸收,但陶瓷材料却对该波长激光的吸收率可达85%以上,因此CO2激光器常作为加工陶瓷等非金属材料的热源[19]。掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器发振1.064 μm波长的激光,有利于金属材料的吸收,而且适于反射镜传送和光缆传送,能够与机床集成复杂的加工系统[20]。半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、工作寿命长等优点,可以与各种光电子器件实现集成,减小了激光与外围设备的体积,运行费用相对较低[21]。光纤激光器发射的光束质量好且稳定,其整体化的结构可以解决内腔光学件污染及位置变化引起的故障,而且光纤体积小、柔软可弯曲,便于激光传输,有利于机械系统的小型化和集约化[22]。
由于引入了激光热源,激光加热辅助切削在加工工艺参数选择上与常规加工有所不同。加工参数的确定需要在常规切削用量选择原则的基础上,综合考虑激光热效应对工件材料和刀具寿命的影响。合理地选择激光参数和切削参数,以达到改善加工表面质量和提高加工效率的目的。
激光参数包括激光功率、激光光斑尺寸、激光扫描速率、激光光斑与刀尖距离、激光发射角等对切削区温度分布以及材料软化程度具有重要影响[23]。Panjehpour等[24]对AISI52100进行激光加热辅助车削实验研究时发现,随着激光功率的增加,热渗透深度增加,切削区材料得到充分软化,进行切削时刀具受到的阻力小,刀具磨损降低。当激光功率超过425 W,将导致刀具过热,刀具磨损率增加。实验获得的最优加工参数组合为:激光功率P=425 W,脉冲频率fp=120 Hz,切削速率vc=70 m/min,进给量f=0.08 mm/r,切削深度ap=0.2 mm。在此加工参数组合下,较常规加工表面粗糙度Ra降低18%,比切削能降低25%。Kannan等[25]对氧化铝陶瓷进行激光加热辅助车削时指出,随着激光扫描速率增加,切削区材料受激光辐照时间相对减少,材料受热软化程度降低,导致切削力增大。实验获得的最优加工参数组合为:激光功率P=350 W,进给量f=0.03 mm/r,切削深度ap=0.3 mm,光斑直径d=2 mm,激光扫描速率v=35~55 mm/min。在此加工参数组合下,较常规加工切削力最大可降低80%,刀具寿命显著提高。Navas等[26]对Inconel718进行了激光加热辅助车削实验,研究了激光光斑尺寸以及激光光斑与刀尖距离对Inconel718切削性能的影响。实验对比了1.25 mm×1.25 mm方形光斑、1.6 mm×1.3 mm椭圆形光斑、直径2 mm圆形光斑在功率密度、反应时间和降低切削力方面的差异,方形光斑功率密度高,椭圆形光斑反应时间长,圆形光斑有适中的功率密度和反应时间,在降低切削力方面更明显。随着光斑直径增大,辐照面积扩大,但激光功率密度降低,工件单位面积受辐照能量减少,导致加热软化效果降低。激光光斑中心与刀尖应该保持合适的距离,既要达到激光辅助加热的效果,又要避免刀具过热损坏或者融化的切屑飞溅到已加工表面影响加工质量。鄢锉等[27]对氧化铝陶瓷进行了激光加热辅助车削,激光束以布儒斯特入射角切向入射,光斑呈椭圆状,虽然相对于垂直辐照时激光功率密度有所降低,但辐照面积扩大,切削区材料受热更加均匀,更有利于提高加工质量。Ding等[28]采用两束激光照射的方式对AMS5704镍基高温合金进行了车削实验,使CO2激光束垂直照射工件待加工表面,Nd:YAG激光束倾斜照射工件过渡表面,这种方式可使切削区域受热更均匀,较常规加工比切削能降低20%,刀具寿命增加50%,表面粗糙度Ra降低200%~300%。
进给量、切削速率、切削深度等切削参数对加工质量、加工效率和加工成本有着非常重要的影响。Kim等[29]对氮化硅陶瓷进行加热辅助车削实验研究时发现,随着进给量的增加,切削区平均加热温度降低,导致切削力增加,刀具寿命降低。随着切削深度的增加,深层材料的软化程度小,导致切削力和刀具磨损增加,氮化硅陶瓷材料的切削深度最大为3 mm。Xavierarockiaraj等[30]对SKD11工具钢进行激光加热辅助车削实验研究,分析了切削参数对切削力、表面粗糙度、刀具磨损的影响规律。随着进给量的增加,切削力、刀具磨损和表面粗糙度增加,宜采用较小的进给量以增加材料受热软化时间。随着切削速率的增加,切削区平均加热温度降低,刀具磨损增加,表面粗糙度增加,最优的切削速率为vc=100 m/min。在激光功率P=1000 W,切削速率vc=100 m/min,进给量f=0.03 mm/r时,可以获得最小的切削力。Rashid[31]利用Nd:YAG激光对Ti6Cr5Mo5V4Al合金进行了加热辅助车削实验研究,推荐的加工参数范围为:激光功率P=1200 W,进给量 f=0.15~0.25 mm/r,切削速率 vc=25~100 m/min。当进给量f<0.15 mm/r时,加工效率低;而当进给量f>0.25 mm/r时,切削区材料加热软化程度低,将加剧刀具磨损。切削速率vc<25 m/min时,由于工件受热时间长,过热导致刀具粘接磨损,降低加工表面质量。而当切削速率vc>100 m/min时,工件切削区受激光加热时间减少,材料得不到充分软化,导致刀具磨损严重。Tadavani等[32]在对Inconel718进行激光加热辅助车削时,通过正交实验设计、信噪比和方差分析确定了最优加工参数组合为:激光功率P=400 W,脉冲频率fp=80 Hz,加热温度T=540 ℃,切削速率vc=24 m/min,进给量f=0.052 mm/r。在此加工参数组合下,较常规加工表面粗糙度Ra降低22%,比切削能降低35%,刀具磨损降低23%。
此外,Mohammadi等[33]还研究了刀具几何参数在激光加热辅助车削硅晶片时对加工表面质量的影响。在激光功率P=20 W,主轴转速n=2000 r/min,进给量f=0.001 mm/r,切削深度ap=0.005 mm条件下,当车刀前角为γ0=-45°时,得到的表面粗糙度Ra为9.8 nm。当车刀前角为γ0=-25°时,得到的表面粗糙度Ra为3.2 nm。
铣削是指利用旋转的多刃刀具切削工件,不仅可以加工平面、沟槽、轮齿等,也可以加工复杂型面。由于铣削是多刃断续切削,每个刀齿在切削过程中的切削厚度是变化的,冲击载荷较大,容易发生振动[34]。采用激光加热辅助铣削可以减少切削时铣刀的振颤,降低切削力,提高刀具寿命,改善加工表面质量。
Kumar等[35]在对A2工具钢进行激光加热辅助铣槽时发现,相比于常规加工,材料去除率提高6倍,切削力降低69%,铣槽毛刺减少,刀具切削刃破损明显降低。Woo等[36]利用激光加热辅助铣削球面时发现,与常规加工相比,铣削AISI1045钢和Inconel718切削力分别降低82%和38%,表面粗糙度Ra分别降低53%和74%,刀具振动减小。Kim等[37]对AISI1045、Inconel718和钛合金的球面工件进行了激光加热辅助铣削加工实验研究,相比于常规加工,铣削AISI1045、Inconel718和钛合金切削力分别降低2.1%~8.6%,3.7%~12.3%,0.8%~21.2%,表面粗糙度Ra分别降低14.5%~59.1%,19.9%~32.4%,15.7%~36%,加工效率显著提高。
在激光加热辅助铣削中,由于切削区温度较高,很容易导致刀具发生黏结磨损或扩散磨损,严重时可能导致刀具产生塑性变形,改变刀具几何参数。合理选用切削液,可以有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦,降低切削温度,提高刀具耐用度和加工质量。Bermingham等[38]在对Ti6Al4V进行激光加热辅助铣削实验研究时发现,在较低的切削速率下,采用微量润滑的方式对刀具进行冷却,可以降低切削温度,延缓切削刃出现微小缺口或剥落的时间,刀具寿命提高5倍以上。在较高的切削速率下,使用切削液则可能导致工件、刀具产生热冲击或热疲劳。
钻削在加工各类机器零部件中的应用非常广泛,采用常规钻削加工锻造毛坯、难加工材料或经过硬化处理的零部件时,由于材料硬度高、强度大、表面形状不规则等原因,容易导致钻头引偏、钻削轴向力大、钻头磨损严重等现象[39]。激光加热辅助钻削加工是利用激光对工件的钻孔区域进行加热,软化表层材料,之后关闭激光,迅速对加热区域进行钻孔加工[40]。采用激光辅助加热的方法进行钻削加工,可以使钻头定位准确、避免引偏,减小钻削阻力和钻头磨损,进而提高加工精度和加工效率。
目前,对激光加热辅助钻削加工的研究远不如激光加热辅助车削和铣削充分,但也取得了一定的进展。Jen等[39]对碳素钢材料进行了激光加热辅助钻削加工,实验时将CO2激光光斑调整为环形,对辐照中间区域进行钻削,获得了激光功率、激光光斑尺寸对加热温度的影响规律,提高了钻孔质量和效率。Zheng等[40]采用激光加热辅助钻削加工技术对汽车关键零部件钻孔问题进行了实验研究,与常规钻削相比,在入钻孔径方面,40Cr、45钢、不锈钢分别增加了50.5%,52.2%,51.4%;在钻孔效率方面,QT600、45钢、不锈钢分别提升了19.3%,16.3%,39.9%。同样地,Zhang等[41]对 41Cr4、C45E4、不锈钢和铸铁进行了激光加热辅助钻孔的实验研究,与常规钻孔加工相比发现:在入钻孔径方面,41Cr4、C45E4、不锈钢分别增加了122.7%,85.9%,140.7%;在钻孔效率方面,铸铁、C45E4、不锈钢分别提升了18.6%,16.3%,39.9%。Choubey等[42]利用 Nd:YAG激光辅助加热方法对大理石进行了钻削实验研究,结果发现能有效降低大理石表面的应力集中,提高表面完整性,降低加工成本,提高加工效率。
在激光加热辅助钻削加工中,激光只能对工件表层材料起到快速加热、软化的作用,有利于快速入钻;但是,随着钻孔深度不断增加,激光无法对孔内材料进行加热,不能进一步提高加工效率。目前,对于激光加热辅助钻削加工中钻削力、刀具磨损、孔的圆度和表面粗糙度等方面报道较少,在这些方面的研究工作需要进一步加强。
工程陶瓷材料如氮化硅、氧化铝、氧化锆等以其具有强度高、硬度高、耐腐蚀等优点,在机械、汽车、航天航空等领域得到了越来越多的应用。磨削是工程陶瓷的主要加工方法,由于陶瓷材料的高硬度和高脆性,导致切削力大、刀具磨损严重、材料去除率低,而且加工表面容易产生亚表面损伤[43]。此外,由于陶瓷的导热性较差,磨削过程中产生的热量积蓄在工件表面,使工件表层产生很高的温度梯度,极易导致材料表层出现热损伤,甚至出现碎裂。激光加热辅助磨削加工采用激光对工件表面进行预加热,可明显降低材料硬度和脆性,降低磨削力,减少亚表面损伤产生,提高磨削表面质量[44]。
Chang等[45]采用激光加热辅助磨削对氮化硅陶瓷材料加工时发现,与常规磨削相比,激光加热辅助加工过程更稳定,表面完整性更好,并且没有明显的微观组织变化和裂纹。Kumar等[46]对氮化硅陶瓷材料进行了激光加热辅助磨削加工,结果表明,相比于常规磨削加工,切削力降低了43.2%,刀具磨损降低,材料去除率提高。Kizaki等[47]对氧化钇稳定四方相氧化锆多晶陶瓷(Y-TZP)进行了激光加热辅助磨削实验研究,结果表明,Y-TZP材料的适宜磨削温度为490 ℃左右,在此温度下,YTZP的断裂韧度是5.3 MPa·m1/2,远小于在室温下的9.1 MPa·m1/2。与常规加工相比,激光加热辅助磨削可以降低材料硬度,减小磨削力和刀具磨损,提高加工质量和效率。
车铣加工是一种先进切削加工方法,利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来进行切削加工[48]。车铣加工包括工件旋转、铣刀旋转、铣刀轴向和径向进给四个基本运动,其加工方式分为正交车铣和轴向车铣两大类,其中正交车铣的应用较为广泛。作为一种相对较新的复合加工方法,车铣加工的特点主要有:优良的断续切削性、大的金属切除率、对异形回转体零件有很好的加工能力等[49]。
激光加热辅助车铣加工可以进一步降低切削力,延长刀具寿命,提高复杂型面零件、微细轴类零件的加工质量。Chio等[50]开发了一套基于C++的应用程序,可以把CAD图形文件转换成NC代码,实现了对矩形和四叶草形截面工件的自动编程,该程序成功应用于五轴联动加工中心。Kim等[51]对SM45C材料进行了激光加热辅助车铣加工实验研究,与常规车铣加工相比,切削时刀具振动降低,切削过程更加平稳,矩形截面工件轴向力和径向力分别降低了10.4%和13.5%,四叶草形截面工件轴向力和径向力分别降低了10.6%和8.9%。矩形截面与四叶草形截面工件表面粗糙度Ra分别降低39.9%和37.1%。Cha等[52-53]利用田口方法对激光加热辅助车铣氮化硅陶瓷的加工参数进行了优化,结果表明,对表面粗糙度影响的显著程度依次为切削深度、激光功率和切削速率。
激光加热辅助车铣加工在降低切削力、延长刀具寿命和提高加工效率等方面展现出一定的优势,但是在机床稳定性、加工形状误差等方面还有很多不足,仍需要做进一步的研究和完善。
激光辅助加热还应用于其他加工方式,如刨削、抛光、车削修整等。Chang等[54]在对激光加热辅助刨削加工氧化铝陶瓷时发现,与常规刨削加工相比,轴向力减小20%,径向力减小22%,表面粗糙度Ra降低50%以上,表面完整性更好。Tian等[55]对AISI4140与MP35N材料进行了激光加热辅助抛光试验,结果表明:与常规抛光加工相比,刀具磨损明显减小,加工表面完整性更好,但是表面残余应力却有所增加。针对超硬磨料砂轮硬度高、修整难、修整效率低的问题,Zhang等[56]对金属结合剂CBN砂轮进行了激光加热辅助车削修整实验研究,在保证修整质量的前提下,与传统的金刚石刀具修整方法相比,激光加热辅助车削修整能够极大地缩短修整时间,提高修整效率,延长修整刀具的使用寿命。
综上所述,激光加热辅助车削、铣削、钻削、磨削等加工方式较常规加工在降低切削力、提高刀具寿命、改善加工质量、节约成本等方面有着非常明显的优势,但在激光加热辅助切削加工工艺、刀具磨损机理等方面的研究存在一些不足之处,激光加热辅助加工技术仍有很大的发展空间。
激光加热辅助切削加工中,切削区温度及分布是影响刀具使用寿命和加工质量的关键因素之一。切削区温度过高会造成材料热损伤或刀具黏结磨损,影响材料已加工表面质量,而温度过低则会削弱激光辅助加热效果。采用温度场仿真的方法能较为直观、准确地反映实际切削温度场分布。通过建立不同工艺参数下的温度场仿真模型,预测材料的最优去除温度范围,优化加工参数,可大幅度节省实测成本。在温度场仿真研究方面,目前应用较多的数值仿真方法包括有限元法、有限体积法等。
Cha等[52]采用有限元方法建立了激光加热辅助车铣加工氮化硅陶瓷三维瞬态温度场模型,不同激光功率加热下的仿真与实测平均温度误差为1.5%~6.2%。Roostaei等[57]建立了熔融石英陶瓷(SCFS)三维温度场有限元模型,并对仿真结果与高温计测量结果进行了对比分析,在加热时间25 s到43 s之间时,两者基本吻合。在加热时间小于25 s或者大于43 s时,两者误差增加,温度误差最大为40 K。Kim等[51]对SM45C进行了激光加热辅助车铣加工温度场有限元仿真和实验研究,结果表明,矩形截面和四叶草截面工件平均加热温度的预测误差分别为8.7%和6.4%。仿真得到的矩形截面工件的有效切削深度和宽度分别为0.34 mm和2.26 mm,四叶草截面工件的有效切削深度和宽度分别为0.45 mm和2.89 mm。
Rozzi等[58]利用有限体积法对氮化硅陶瓷进行了激光加热辅助车削温度场研究,分析了激光热通量、表面对流、热传导与热辐射等对表面温度的影响,模拟了不同切削参数、激光参数下的温度场分布,温度场仿真结果和实验结果基本吻合。此外,鄢锉等[59]采用有限差分方法建立了激光加热辅助切削氧化铝陶瓷的准稳态传热模型,模拟了不同激光功率、激光扫描速率和激光光斑半径对温度场分布的影响。研究表明,采用较低的激光扫描速率、较高的激光功率和较小的激光光斑半径更有利于软化切削区域材料,从而获得理想的切削深度。Kashani等[60]采用解析法建立了激光加热辅助切削碳素钢的温度场数值模型,并且采用高温计对工件温度场分布进行了实测,仿真结果与实测结果误差在10%以内。Chang等[54]将格子波尔兹曼法(LBM)应用到激光加热辅助切削氧化铝陶瓷的温度场研究中,得到的温度场分布与实验结果有很好的一致性。
通过对激光加热辅助切削过程仿真可以获得切削应力、应变、温度等物理变量,为减少加工表面损伤与优化加工工艺参数提供依据。应用于切削过程仿真研究的方法有有限元方法、离散单元法、光滑粒子流体动力学方法等。
Tian等[61]采用有限元方法对激光加辅助切削氮化硅陶瓷的加工过程进行了仿真研究,结果表明,在载荷的挤压作用下晶粒玻璃相产生微裂纹,随着微裂纹的扩展最终在剪切区形成宏观的裂纹,发生滑移产生非连续切屑。仿真得到的切屑厚度约为15 μm,略微小于实验结果,切削力误差为10%~15%。表面残余应力的仿真值与实验值基本一致,证明了仿真模型的有效性。Liu等[62]对Ti6Al4V材料进行了激光加热辅助铣削过程的有限元仿真,在温度场模型的基础上,采用顺序热力耦合的方法加入铣削模型,得到了切削力变化规律及刀具温度场分布,切削力的仿真值与实验值的误差为11.8%。
Shen等[63]利用离散单元法(DEM)对激光加热辅助铣削氮化硅陶瓷过程进行了仿真研究,以分散的粒子簇表示氮化硅陶瓷材料组织,以黏合单元的断裂来模拟加工过程中裂纹的形成与扩展。通过对比仿真与实验结果发现:将DEM方法应用于切削过程仿真可以预测不同加工条件下的材料亚表面损伤;陶瓷材料的去除机理主要是发生脆性断裂;切削深度越大,刀具的切削力越大,工件越容易出现边缘碎裂,切削力对裂纹的形成和扩展具有重要的影响。
Balbaa等[64]采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对Inconel718材料进行了切削过程的仿真研究,发现刀具前端的激光加热软化效应是造成残余应力的主要因素,激光加热辅助切削主要产生沿切削方向的表面残余拉应力,而常规切削主要产生表面残余压应力。此外,Nasr等[65]利用有限元方法对AISI4340钢进行切削过程仿真研究时也得到了上述类似的结论。
本文综述了近年来激光加热辅助切削加工技术的最新研究进展。在加工方式上,激光加热辅助车削、铣削、钻削、磨削等技术不断发展创新,降低了切削力,改善了加工质量,提高了加工效率,为解决工程陶瓷、复合材料、高温合金、钛合金等难加工材料的加工提供了可行的方法。通过对温度场和切削过程的仿真研究,能够实现对材料最优去除温度范围的预测以及对加工工艺参数的优化,为实际加工提供依据。虽然激光加热辅助切削加工技术已经取得了一系列研究成果,但在加工机理、加工工艺及工业应用等方面还存在一定问题,参考国内外的发展趋势仍需要进一步做好以下研究工作:
(1)加强对难加工材料的加工条件及去除机理的研究,解决在激光加热辅助切削过程中可能会出现的刀具黏结磨损、刀具与切屑分离困难、刀具冷却等问题。
(2)加强对激光加热辅助切削加工仿真的研究,建立准确、快速的温度场及切削过程仿真模型,并提高仿真模型的求解速度和准确性。优化激光参数、切削参数等工艺参数,建立完善的激光加热辅助切削加工数据库,为合理选择加工工艺参数提供理论依据。
(3)加强对工业化激光加热辅助切削加工系统的研究,提高激光加热辅助切削加工系统的生产研发和配套能力,增强激光加热辅助切削加工系统的集成性、稳定性和精度保持性,以促进激光加热辅助切削加工技术的实际生产应用。
随着激光技术、切削加工技术以及材料技术的不断进步,激光加热辅助切削加工技术将在难加工材料加工、微细加工等领域具有更广阔的发展前景。
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