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激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷理论与试验研究

鄢锉  
【摘要】: 工程陶瓷材料因其高硬度、高熔点、低密度、低热膨胀系数和优良的抗腐蚀、抗氧化、耐磨、耐热、自润滑性、环境耐久等性能,广泛应用于机械、汽车、化工、航天航空及其它工业领域。因其硬而脆,难以采用传统的车、铣、钻等方法进行机械加工,激光加热辅助切削技术是解决工程陶瓷材料难加工问题的有效方法之一。本文在湖南大学科研基金项目资助下,针对激光加热辅助切削工程陶瓷材料加工过程中存在的一些主要问题,采用理论分析和试验研究相结合的方法,系统研究了CO_2激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷刀具材料的机理及其影响因素,重点开展了CO_2激光加热试件温度场的变化过程及其对切削力、刀具损坏及切屑形态变化和试件加工质量的影响等规律的研究。论文开展的研究主要包括: 1.基于光学原理,采用GaAs检偏镜,对PHC1500型CO_2激光器输出激光经机床转换光路后的偏振化方向进行试验验证;设计了材料的反射率测定试验装置,分别对Al_2O_3和Si3N4两种工程陶瓷材料对不同入射角下垂直于和平行于入射面的线偏振CO_2激光的反射率进行试验测量,与采用Fresnel公式计算的理论值进行对比,吻合较好,结合试验数据,计算得到了两种工程陶瓷材料的折射率、布儒斯特角及相应的吸收率数据。 2.分别就Al_2O_3和Si3N4两种工程陶瓷材料试件对在布儒斯特角下平行于入射面的线偏振和圆偏振光CO_2激光的吸收率进行了测量对比,试验数据表明,采用线偏振CO_2激光加热辅助切削Al_2O_3和Si3N4陶瓷在能量利用效果方面比采用圆偏振光更好,在同样的条件下, Si3N4工程陶瓷材料比Al_2O_3工程陶瓷材料更难切削。 3.构建了由激光光路系统和切削加工系统构成的激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷试验系统,光路系统设置了四面反射镜和一面聚焦镜,既可满足切削过程对激光偏振性要求,又可实现切削时光束中心与刀尖间相对位置和角度的调整。 4.对激光加热辅助切削工程陶瓷的传热过程进行了理论分析,基于高斯光束以入射角辐照于试件外圆表面形成的椭圆状光带,结合传热控制方程,建立了激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷的准稳定状态下的热传导数学模型; 5.利用有限差分法对激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷的准稳态热传导数学模型进行了求解,发现试件表面温度场呈现卵圆形分布,试件内部横截面和纵截面内的温度场呈抛物线分布,试件上不同区域的温度随着它们离开激光光斑距离的增加而降低;与激光束垂直辐照试件获得的温度场比较,本文模型激光束以布儒斯特角切向入射辐照于试件表面,试件吸收系数高,光斑被拉长,呈椭圆状,虽然试件表面激光功率密度有所降低,但被辐照面积扩大,受热均匀,沿椭圆长轴运动方向,在2323K温度以下,有较深的软化层;结合数值模拟结果,得到激光加热辅助切削的内在机理是:利用激光在很短的时间内大幅度提高试件待切削区域材料温度,使其硬度、强度下降,塑性、韧性增加,材料软化,在与刀具的相互作用下易于发生塑性变形,从而形成连续稳定的切削加工过程;基于试件温度场分布,得到了激光加热辅助切削时,不同激光参数和加工参数组合下理论的刀尖中心与光束中心间的周向距离和进给量值。 6.借助非接触红外温度计,试验测量了试件上刀尖所处位置待切削区域分别在不同激光功率、激光光斑半径、激光束移动速度和激光入射角作用下的表面温度,与模拟计算相应区域的温度值对比,变化趋势吻合较好;分析了热量积累、材料发射率、距离系数等是造成测量值与模拟计算值间的误差的主要原因。 7.基于压电晶体测力仪,对激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷的过程中切削力的变化情况进行了试验研究,发现三向切削力均大大降低;分析不同激光参数和切削加工工艺参数对加工过程的影响,可知:增加激光功率可以扩大工件上热影响区的范围,提高切削区域内试件材料温度,有助于切削区域内材料的充分软化,从而减少刀具切削阻力,降低切削力;采用较小的切削深度,切削区变形和摩擦小,也能有效降低切削力;随着试件转速的增加,其表面受激光辐照的时间相对缩短,造成试件待切削区域温升不高,材料软化程度不够,导致切削力增大;较小的进给量有利于试件被切削材料有足够的加热软化时间,从而降低切削力,改善切削加工质量;利用合适的激光光斑辐照试件,能保证一定的软化层,也能降低切削力;激光束切向入射加热辅助切削时切削力明显比垂直入射的切削力低,合理改善激光束中心与刀具切削点的周向位置,既能保证切削力的降低,达到激光加热辅助切削效果,又能有效地避免刀具因过分受高温加热作用而造成的其寿命降低问题。 8.试验研究了刀具磨损和切屑形态,在金刚石刀具前、后刀面及主、副切削刃与工件待加工表面或已加工表面接触的地方伴随着前、后刀面和边界磨损,切削区高温、高压力是导致刀具磨损的根本原因;在不同程度的加热状况下因其待去除材料性能变化而使其切屑形态不同。采用较低的激光功率加热,出现崩碎切屑;较高的激光功率加热,则为尺寸更大的单元切屑。 9.测量了激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷试件外圆面加工后的尺寸精度,并对不同加工参数条件下激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷已加工外圆面的微裂纹分布和表面粗糙度值进行了检测;综合试验数据和理论分析,得到了在激光加热辅助切削Al_2O_3工程陶瓷中,合适的加工参数范围为:激光功率200~325W,激光光斑半径0.75~1.25mm,切削深度0.2~0.6 mm、进给量为0.10~0.16mm/r、工件转速147~475r/min、刀尖中心与激光光斑中心之间的周向距离3.93~6.54mm,通过采用这些加工参数的合理组合,可以获得具有较高加工精度和表面质量的试件表面。 论文研究所获得的成果对工程陶瓷等硬质脆性材料的激光加热辅助切削加工具有较大的理论和应用参考价值。


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