激光輔助高速微車削Cf/SiC陶瓷基復合材料切削力影響因素試驗研究

田紀文，許金凱，翟昌太，聶小雨，孫貴斌，于化東

(長春理工大學跨尺度微納制造教育部重點實驗室，吉林長春 130022)

0 前言

隨著航空航天技術的發展，對航空航天材料在高溫下的使用性能有了更高的要求。碳纖維增韌碳化硅(C/SiC)陶瓷基復合材料因具有耐高溫、強度高、韌性好以及耐腐蝕等優點，成為繼C/C復合材料后最具有發展前景的新型耐高溫材料之一，在國防和航空航天等領域具有廣闊的應用前景。但C/SiC陶瓷基復合材料屬于各向異性且難加工材料，在常規微切削時易產生毛刺、分層、撕裂、崩邊等缺陷，影響加工質量，甚至造成報廢，因此，尋找一種高效率、高精度、高質量的C/SiC陶瓷基復合材料加工手段一直是研究人員追求的熱點。WANG等對C/SiC陶瓷基復合材料旋轉超聲波加工(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)中的表面生成機制進行了研究；魏臣雋等采用電火花加工方法對一種連續陶瓷纖維強化陶瓷基復合材料進行加工，并比較了排屑條件對加工性能的影響；翟兆陽等分析了激光加工陶瓷基復合材料(CMC-SiC)中出現的典型熱致缺陷,闡述了超短脈沖激光在CMC-SiC精密加工中展現的優勢。

激光輔助切削加工(Laser Assisted Machining，LAM)技術通過激光加熱軟化切削區材料，再利用刀具進行切削加工，與常規加工(Conventional Manufacture，CM)相比在降低切削力、延長刀具壽命、提高加工質量和加工效率等方面展現出許多優勢。目前的研究中，極少有利用激光輔助高速微切削技術對C/SiC陶瓷基復合材料進行研究，為此，開展此方向研究十分重要。在微切削過程中，很多因素會對工件最終的表面質量造成影響，其中切削力無疑是非常重要的一項。其大小受工件材料、切削參數、刀具參數等因素影響。切削力的大小對于切削熱、刀具磨損和已加工表面質量都具有直接的影響。為此，優化加工參數來改善C/SiC陶瓷基復合材料激光輔助高速微切削過程中切削力大小顯得十分迫切。

本文作者通過自行設計并搭建的小型激光輔助高速微車削數控機床，在3D針刺編織結構C/SiC陶瓷基復合材料上進行了不同加工參數(激光功率密度、工件轉速、切削深度、進給速度)對切削力影響規律的單因素試驗以及正交試驗，利用正交試驗結果進行方差分析得到最優加工參數組合，以達到改善C/SiC陶瓷基復合材料切削過程中切削力大小的目的。

1 試驗設備和試驗方案

試驗材料為=6 mm的3D針刺編織結構C/SiC陶瓷基復合材料棒料，材料實物及微觀結構如圖1所示。所用加工設備為自行研制的小型激光輔助高速微車削數控機床(如圖2所示)，該設備主軸最高轉速為100 000 r/min，通過數控程序實現完整的切削過程，切削精度可達2 μm。其中激光輔助加熱過程中所使用的激光器為美國IPG Photonics公司出品的YLR-300-MM-WC-Y11光纖激光器。所用刀具為耐磨、耐熱性能好，硬度較高的CCGW0602-02H硬質合金刀具，刀片厚度為2.38 mm，刀片前角為7°，刀尖圓弧半徑為0.2 mm。試驗過程中采用瑞士Kistler公司出品的六分量切削力測量系統來采集切削力，測量系統實物如圖3所示。

圖1 Cf/SiC陶瓷基復合材料實物及微觀結構

圖2 激光輔助高速微車削數控機床

圖3 切削力測量系統

分別以工件轉速、切削深度、進給速度、激光功率密度作為變量進行單因素試驗，探究不同加工參數對激光輔助高速微車削C/SiC陶瓷基復合材料切削力的影響規律。隨后對上述4種加工參數進行四因素四水平正交試驗研究，正交試驗參數如表1所示，通過計算分析得到不同加工參數對切削力的影響程度以及最優加工參數組合。

表1 正交試驗參數

試驗過程中激光器發射出的光斑始終保持在C/SiC陶瓷基復合材料工件正上方，激光器與刀具相互垂直且固定不動，在數控程序的控制下實現同步進給，試驗原理圖如圖4所示，與此同時，切削力測量模塊實現了對切削過程中切削力的實時監測。

圖4 試驗原理

2 試驗結果及分析

在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產生的阻力即為切削力。切削時刀具的前刀面和后刀面都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力。在外圓車削時，一般將這個切削合力分解成3個互相垂直的分力：切向力，它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱主切削力；徑向力，在平行于基面的平面內，與進給方向垂直，又稱背向力；軸向力，在平行于基面的平面內，與進給方向平行，又稱進給力。分力示意如圖5所示。

圖5 各方向切削分力示意

切削試驗過程中通過切削力測量模塊對加工過程中產生的切削力信號進行采集，隨后經動態信號采集分析系統對采集到的切削力信號進行處理，整理后得到的、和3個方向的切削力散點圖，如圖6所示,此時=160 W/mm、=5 000 r/min、=5 μm、=25 mm/min。在切削過程開始后，切削力快速增大至其平均值附近并形成規律的振動狀態。選取整理后的切削力散點圖中變化穩定區域的切削力平均值作為每組試驗的最終結果。

圖6 切削力散點圖

2.1 單因素試驗結果及分析

分別以工件轉速、切削深度、進給速度、激光功率密度為變量，開展對切削過程中主切削力、背向力、進給力的單因素試驗研究，整理試驗數據，分析各加工參數對不同方向切削力的影響規律。圖7為其影響規律圖。

圖7 不同加工參數對切削力影響規律

2.1.1 工件轉速對切削力的影響規律

圖7(a)所示為進給速度=10 mm/min，切削深度為=20 μm，CM與LAM(功率密度=320 W/mm)條件下，不同工件轉速所對應的各個方向切削過程中切削力變化規律對比。可知:在CM條件下，、和3個方向的切削力隨著工件轉速的增大，呈現出了逐漸下降的變化趨勢，但各個方向切削力值均大于相同條件下LAM時的值。由此可見，與CM相比,LAM技術可以降低切削過程中切削力大小，使C/SiC陶瓷基復合材料變得易于切削，其中切削力下降最大幅度為81.436%。在激光輔助高速微車削過程中，隨著工件轉速的提高，與呈現出了逐漸增大的變化趨勢，變化規律基本相同，且始終保持>，則隨著工件轉速的提高呈現出先增大后趨于平緩上升的變化趨勢。其原因如下:CM條件下，刀具切削過程中，隨著工件轉速的增加會使切削力增加，切削力增加會使切削功率增加，根據能量守恒定律這時切削熱也會增加，切削熱的累積導致材料軟化，材料強度降低，切削力降低；其次，切削區域中第二變形區切削溫度的上升也在一定程度上改善了刀具與切屑接觸面之間的摩擦狀況，使切屑的流出阻力減小；再者,切削速度的增加會使材料的變形率增加，這樣就會導致材料強度降低而降低切削力。當引入激光光束后，激光光束的高能量可以使工件待加工區域溫度迅速升高，強度降低，塑性增強，變得易于切削，從而LAM條件下切削力值小于CM。隨著工件轉速的增大，激光能量與C/SiC陶瓷基復合材料的作用時間變短，導致激光加熱軟化效果變差，由于此時激光能量對待加工區域溫度起到決定性作用，從而切削力呈現出了一定程度的增大趨勢。

2.1.2 切削深度對切削力的影響規律

圖7(b)所示為加工參數一定條件下，不同切削深度所對應的各個方向切削過程中切削力變化規律。分析可知:隨著切削深度的增加，與呈現出了增速逐漸降低的增大趨勢，則表現出了逐漸升高的變化趨勢;同時在切削深度變化區間內，與數值上下交替升高，且二者數值相差不大。產生上述變化規律的原因:沿著激光加熱區域的徑向方向，降溫幅度越來越大，隨著切削深度的逐漸增大，切削層最低層的溫度越來越低，從而不利于切削，導致切削力增大。此外，由于切削寬度和切削層橫截面積隨著切削深度的加深逐漸增大，導致切削過程中切削變形和摩擦變大，從而切削力增大。

2.1.3 進給速度對切削力的影響規律

圖7(c)所示為工件轉速=6 000 r/min，切削深度=20 μm，功率密度=320 W/mm條件下，不同進給速度所對應的各個方向切削過程中切削力變化規律。可知：不同進給速度下，、和3個方向的切削力大小關系為>>，并且進給速度對3個方向切削力的影響均近似呈一次函數分布，進給力的斜率最小為0.028。這是因為隨著進給速度的提高，單位時間內刀具進給量增加，切除的體積增大，刀具磨損隨之加劇，從而導致切削過程中切削力增大，產生了上述變化規律。

2.1.4 切削深度對切削力的影響規律

由圖7(d)可知：隨著激光功率密度的逐步增大，、和3個方向的切削力呈現出了逐漸下降的變化趨勢，其中主切削力的下降幅度最大；與激光功率密度=160 W/mm相比，=400 W/mm時值的下降幅度為49%。分析其原因：其他加工參數一定的情況下，當激光功率密度較低時，材料沒有吸收到足夠的激光能量，C/SiC陶瓷基復合材料切削層的溫度較低，不利于切削，導致切削力較大；當激光功率密度足夠大時，材料吸收到足夠的激光能量，切削層溫度較高，材料軟化效果明顯，工件變得易于切削，從而切削力呈現出大幅度降低的變化趨勢。

2.2 正交試驗結果及分析

由于C/SiC陶瓷基復合材料切削過程所消耗的切削功主要取決于主切削力(文中為拉應力)，現對主切削力進行已選定的四因素正交試驗，對試驗結果進行方差分析，確定各加工參數對主切削力的影響程度次序，并對加工參數進行合理的優化匹配，獲得最優主切削力參數組合。試驗方案及結果如表2所示。

表2 正交試驗方案及結果

(1)

(2)

整理正交試驗中的數據，得到不同加工參數對主切削力影響的變化規律，如圖8所示。從中發現，功率密度與工件轉速對主切削力的影響趨勢與其單因素試驗條件下相同，驗證了功率密度與工件轉速對主切削力的影響規律。

圖8 正交試驗下不同加工參數對主切削力的影響

3 結論

對C/SiC陶瓷基復合材料進行了激光輔助高速微車削試驗，通過單因素試驗法分析了不同加工參數對各個方向切削力的影響規律；隨后進行正交試驗，利用方差分析法得出了不同加工參數對主切削力的影響程度以及最優加工參數。試驗結論如下：

與常規高速微車削方式相比，激光輔助高速微車削技術可以明顯降低C/SiC陶瓷基復合材料切削加工時、和3個方向的切削力大小，使其變得易于切削，切削力下降最大幅度為81.436%。

工件轉速、切削深度、進給速度對各方向切削力的影響均呈現出一定程度的正相關性，而激光功率密度對其影響則完全相反。

切削過程中，各試驗因素對主切削力的影響從大到小依次為: 功率密度、工件轉速、切削深度、進給速度。當功率密度=400 W/mm，工件轉速=4 000 r/min，切削深度=20 μm，進給速度=20 mm/min時，值達到最佳水平。此時，值為1.831 N。