激光超聲復(fù)合精密切削硬質(zhì)合金材料的機(jī)理與應(yīng)用

劉鴻智

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鶴壁 458030）

在我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中，硬質(zhì)合金屬于一種難以融化的金屬硬質(zhì)化合物，需要利用粘結(jié)劑金屬利用粉末冶金工藝進(jìn)行制造而成，可以說(shuō)是一種合金材料。其中，具有硬度相對(duì)較高、耐磨性相對(duì)較好、強(qiáng)度和韌性都非常良好以及耐熱耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，可以保證1000℃的情況下依然具有良好的硬度。隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，硬質(zhì)合金材料對(duì)于硬質(zhì)合金的精密加工，需要對(duì)材料的機(jī)理、表面質(zhì)量以及加工精度等多方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。但需要值得注意的是，在超聲激勵(lì)情況下加工時(shí)需要對(duì)切削硬質(zhì)合金材料技術(shù)進(jìn)行研究。

1 硬質(zhì)合金材料

硬質(zhì)材料合金主要包含兩個(gè)部分，分別為硬化物和粘結(jié)金屬。其中，硬化物質(zhì)屬于元素周期表中過(guò)度金屬的一種碳化物質(zhì)，如碳化鎢、碳化鈦等物質(zhì)，其硬度都是相對(duì)較高的。粘結(jié)金屬屬于鐵族金屬，一般常用的是鈷和鎳。其中，硬質(zhì)合金的硬度取決于硬化相含量和晶粒粒度，也就是說(shuō)在硬化物質(zhì)含量越高的情況下，其晶粒也就越細(xì)，硬度也就越大。在對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，其選用的晶粒粒度在1～2μm的范圍內(nèi)。在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，超聲震動(dòng)輔助的切削屬于一種脈沖、斷續(xù)的切削方式，使切削力可以有效降低，最終在較長(zhǎng)的刀具壽命和較低的表面粗糙程度下，可以取得更高的加工精度。

2 激光超聲復(fù)合切削硬質(zhì)合金的特性實(shí)驗(yàn)

在金屬切削過(guò)程中，切削力屬于出現(xiàn)的主要物理現(xiàn)象之一，對(duì)于切削熱的產(chǎn)生會(huì)造成一定程度的影響，對(duì)于刀具的磨損、加工的精度以及表面的質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生一定影響，在本文中利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

在該實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了簡(jiǎn)單的超聲振動(dòng)裝置，其中，共振頻率大約35kHz，其中的縱向與彎曲振幅分別是2.1μm和1.4μm。在實(shí)驗(yàn)中，需要利用一個(gè)菱形的CBN刀片固定在振動(dòng)刀桿的末端刀片槽內(nèi)部中，在超聲換能器的激勵(lì)下，刀尖部分會(huì)產(chǎn)生超聲頻率沿著橢圓軌跡做出有效的振動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1所示。

在本文的實(shí)驗(yàn)中，主要是利用激光器所產(chǎn)生的激光束進(jìn)行工件表面和加熱材料加工，利用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行表面加工點(diǎn)溫度的測(cè)量。在激光加熱和超聲橢圓振動(dòng)的共同作用下，去掉其中的材料，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金材料的精密加工。在激光加熱系統(tǒng)中，所采用的激光光斑的直徑為d=0.8mm，激光功率P固定在350W，其中的激光光斑和刀尖之間的距離為5mm，入射角約60°，利用這樣的條件來(lái)保證激光不會(huì)反射到刀尖上，以此來(lái)保護(hù)刀具不會(huì)受到損害。其中，在本次實(shí)驗(yàn)中用到的菱形CBN刀片的幾何參數(shù)和工件材料硬質(zhì)合金YG10的機(jī)械性能分別如表1和表2所示。

圖1 超聲切削裝置

表1 CBN刀具幾何參數(shù)

表2 硬質(zhì)合金YG10的機(jī)械性能

2.2 平均切削力

在本次實(shí)驗(yàn)中主要利用了普通切削、超聲橢圓振動(dòng)輔助切削、激光加熱輔助切削、復(fù)合切削四種切削方式，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，切削速度v=10m/min，切削深度ap=8μm，進(jìn)給量f=10μm/r，利用Labview軟件進(jìn)行濾波操作，利用Kistler測(cè)力儀進(jìn)行主切削力測(cè)試，可以用Pf來(lái)進(jìn)行表示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，如果保持了相同的切削參數(shù)，在主平均主切削力進(jìn)行對(duì)比的情況下，順序?yàn)槠胀ㄇ邢髯畲螅浯问浅暀E圓振動(dòng)輔助切削，再次是激光加熱輔助切削，最后是復(fù)合切削。在超聲橢圓振動(dòng)輔助切削中，刀具前面的刀面會(huì)產(chǎn)生間歇性接觸材料的現(xiàn)象，因此造成了平均切削力相對(duì)較小。在激光加熱輔助切削時(shí)，受到激光束加熱的影響，導(dǎo)致切削區(qū)域內(nèi)部的加工材料軟化，去除材料的過(guò)程主要發(fā)生在延性區(qū)域當(dāng)中，因此主切削力相對(duì)較小。在進(jìn)行復(fù)核切削的過(guò)程當(dāng)中，上述兩個(gè)因素同時(shí)存在，造成平均切削力比普通的切削力相對(duì)較小，可以說(shuō)下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在對(duì)四種切削方式下的平均主切削力進(jìn)行有限元分析后，結(jié)果顯示，由于所采取的是單位切削厚度的方式，在進(jìn)給量方面屬于試驗(yàn)切削條件的一般，因此造成數(shù)值相對(duì)較大的現(xiàn)象。

2.3 切削速度對(duì)切削力的影響

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，可以利用切削速度的改變對(duì)其變化規(guī)律的特點(diǎn)做出研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保證切削速度在5m/min、10m/min和15m/min之間進(jìn)行改變，對(duì)于其他的參數(shù)需要保持不變，得到4種加工方式下的切削力和切削速度的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，超聲橢圓的振動(dòng)輔助切削，在激光加熱輔助切削和復(fù)合切削的作用下，其切削力的變化規(guī)律不同于普通切削，其他三類(lèi)切削力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。但該三種加工方式下的切削力會(huì)隨著切削速度的增加而產(chǎn)生降低的現(xiàn)象。在保持切削速度為10m的情況下，可以看出切削力得到了明顯下降。但在達(dá)到某一個(gè)速度點(diǎn)后，切削速度會(huì)產(chǎn)生增大的效果。在超聲輔助切削過(guò)程中，切削速度越大，刀具和工件之間所出現(xiàn)的分離特點(diǎn)就會(huì)被削弱。在激光加熱輔助切削的過(guò)程中，切削速度相對(duì)較小的回收，工件在進(jìn)行加熱后表面是沒(méi)有退去的，在冷卻硬化后其切削力就會(huì)比普通切削還大。

3 激光超聲復(fù)合切削硬質(zhì)合金切削力研究

在對(duì)以上四種切削方式進(jìn)行刀具磨損規(guī)律以及磨損形態(tài)的研究過(guò)程中，需要利用磨損曲線進(jìn)行分析。

在刀具磨損規(guī)律中，在PCBN刀具后刀面磨損量呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。但在四種切削方式下，刀具自身的磨損量會(huì)隨著切削路層的增加而不斷增大，在不同階段內(nèi)磨損率也不同。在初期磨損階段中，幾種切削方式的刀面磨損率是不會(huì)產(chǎn)生很大區(qū)別的。在正常磨損階段，超聲切削和激光加熱切削所產(chǎn)生的磨損量保持了一個(gè)均衡狀態(tài)。在激光超聲復(fù)合切削磨損量方面則相對(duì)比較小，其中持續(xù)的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。在后期磨損階段中，普通的切削方式和超聲切削以及激光加熱切削時(shí)，對(duì)刀具自身的磨損程序相對(duì)較大。造成此種現(xiàn)象的原因是初期磨損階段中的刀具和實(shí)際工件所接觸的面積較小；正常磨損階段中刀具和工件材料材料之間由于其材料本身的軟化特點(diǎn)，增加了其切削性能。在后期的階段中，激光超聲復(fù)合切削處于正常的磨損階段中，但起亞的磨損量都已經(jīng)處于急劇磨損的狀態(tài)，因此，造成了刀具破損。

從刀具磨損形態(tài)方面進(jìn)行分析，四種切削方式下的刀具在切削時(shí)刀面都會(huì)形成三角形狀的磨損地帶，但在超聲切削部分和激光超聲復(fù)合切削時(shí)，其磨損帶寬都相對(duì)較低，在磨損表面出現(xiàn)了很多凹坑和長(zhǎng)條形的劃痕。其中，普通切削的磨損最為嚴(yán)重，激光超聲復(fù)合切削的表面更加光滑。導(dǎo)致此種現(xiàn)象的原因主要是刀具本身的材料，硬質(zhì)合金材料本身對(duì)于刀具刀面的摩擦作用會(huì)造成刀具的磨損。普通切削的磨損情況是最為嚴(yán)重的，甚至出現(xiàn)了裂痕。在刀具加工過(guò)程中，切削刀具的刀面會(huì)與加工表面之間產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象，在不斷摩擦加工的情況下會(huì)造成該區(qū)域內(nèi)部的溫度升高，加大刀具自身的負(fù)擔(dān)，其中的負(fù)倒棱前角也會(huì)不斷加大，從而使切削的流出方向出現(xiàn)接近刀面的現(xiàn)象，最終在高溫的壓力下造成刀具刀面自身的氧化、粘結(jié)以及擴(kuò)散等磨損現(xiàn)象，降低刀具自身的硬度，在刀具表面形成了凹坑和劃痕現(xiàn)象。與此同時(shí)，在切削加工過(guò)程中所產(chǎn)生的斷斷續(xù)續(xù)的切削現(xiàn)象和激光加熱切削對(duì)于材料本身也會(huì)產(chǎn)生一定影響，使材料本身產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致刀具刀面的磨損程度相對(duì)于普通切削來(lái)說(shuō)相對(duì)較低。在超聲和激光加熱同時(shí)運(yùn)行的情況下，激光超聲復(fù)合切削的整體過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生一定變化，其中刀具和工件自身的加工表面之間會(huì)存在一定的作用力，切削溫度也相對(duì)較低，因此整體的切削過(guò)程對(duì)于刀具的刀面磨損會(huì)造成影響，在一定程度上降低了刀具的刀面磨損程度。

4 結(jié)語(yǔ)

在利用激光加熱和超聲振動(dòng)輔助復(fù)合切削時(shí)，可以降低切削力，保證切削的整體過(guò)程處于穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，在激光加熱和超聲振動(dòng)輔助復(fù)合切削的作用下，能夠有效提升硬質(zhì)合金的切削加工性能。此外，在選擇工藝參數(shù)的過(guò)程中，激光加熱和超聲振動(dòng)輔助可以對(duì)硬脆材料的精密加工起到促進(jìn)作用。

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