摘要：鈦合金由于其優(yōu)越的熱機(jī)械特性(耐高溫和耐腐蝕)而廣泛應(yīng)用于航空航天、核電領(lǐng)域，但其獨(dú)特的低導(dǎo)熱系數(shù)、高強(qiáng)度和加工硬化性能導(dǎo)致其加工困難，表面完整性難以保持。激光輔助加工方法可以有效地提高難切削材料的切削性能，提高其表面完整性。提出一種激光加工與砂帶磨削融合的特種加工方法(激光砂帶加工方法)，建立了激光砂帶加工的焦點(diǎn)控制運(yùn)動(dòng)模型，通過對(duì)焦點(diǎn)的控制實(shí)現(xiàn)利用激光加熱特性和砂帶磨削柔性特性快速去除材料，在自行搭建的激光砂帶加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同離焦量下激光砂帶加工的鈦合金樣品的表面三維形貌、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果表明，激光砂帶加工過程中離焦量的大小極大程度影響了激光的能量分布，導(dǎo)致激光砂帶加工機(jī)理發(fā)生變化，離焦量的減少導(dǎo)致表面粗糙度先從8.07μm減少到7.40μm然后增加到22.1μm，材料的氣化和熔化去除現(xiàn)象更加明顯。最后證明了激光砂帶加工方法可以改善鈦合金的加工性能，可以提升表面的耐磨損性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金材料;激光砂帶;離焦控制;表面形貌;熱機(jī)械特性

　　高強(qiáng)度材料(如鈦合金)由于其優(yōu)越的熱機(jī)械特性(如耐高溫和耐腐蝕)，即使在惡劣的工作環(huán)境中也能保持制造部件的穩(wěn)定工作，在航空航天、核電醫(yī)療等高附加值行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[13]。然而，它們獨(dú)特的性能，如低導(dǎo)熱系數(shù)、和加工硬化，導(dǎo)致其加工困難(如刀具嚴(yán)重磨損、工件表面完整性不良和材料去除率低)。激光輔助加工(Laserassistedachining,LAM)作為提高難切削材料切削性能方法的經(jīng)典代表，具有降低切削力、抑制顫振、提高生產(chǎn)率、延長(zhǎng)刀具壽命等優(yōu)點(diǎn)。

　　砂帶磨削作為一種柔性加工方法，應(yīng)用于銑削、車削等加工方式的后處理加工，在提高工件表面完整性和加工效率方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在復(fù)合加工方面有著巨大的潛力，卻一直未被開發(fā)1012。由此本文提出激光砂帶加工方法，實(shí)現(xiàn)激光和砂帶的優(yōu)劣勢(shì)互補(bǔ)，探究其材料去除機(jī)理和表面完整性的形成。在激光輔助車削方面，Kannan等[1對(duì)激光車削氧化鋁材料進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明隨著激光掃描速率增加，材料受照射時(shí)間減少，材料軟化程度下降，切削力增大，最后得到了最優(yōu)加工參數(shù)組合。

　　Habrat等14利用Altin涂層刀具對(duì)Ti6Al4V工件進(jìn)行了激光輔助車削試驗(yàn)，研究了激光加熱對(duì)切削力、切削溫度、刀具磨損和組織變化的影響，結(jié)果表明馬氏體相變發(fā)生在工件熱影響區(qū)的頂部，激光光斑直徑越小，馬氏體區(qū)越厚，且分布均勻，降低的車削力值歸因于激光加熱的有益效果。

　　Dandekar等對(duì)比研究了車削和激光輔助車削Ti6Al4V的切削力、比切削能、表面粗糙度、顯微組織和刀具磨損，激光輔助車削顯著改善了鈦合金Ti6Al4V的可加工性，降低了比切削能量，改善了表面粗糙度，最佳材料去除溫度為250℃，在此溫度下激光輔助車削刀具壽命比常規(guī)加工提高1.7倍。在激光輔助銑削方面，Kumar和elkote15激光銑削A2工具鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)銑削，材料去除率提高倍，切削力降低69%，毛刺更少，刀具損壞程度明顯降低。Oh和ee16研究了激光銳角銑削，通過控制預(yù)熱距離和激光束焦點(diǎn)與刀具距離，以保持材料受熱軟化程度，從而降低切削力和刀具磨損，提高材料去除率，得出了最佳距離和銳角角度。

　　Hedberg等17研究了激光輔助銑削Ti6Al4V(Ti64)工件，實(shí)驗(yàn)表明進(jìn)給方向和加工方向的切削力分別降低了30%和50%，刀具的總壽命沒有下降，表面未產(chǎn)生有害的熱影響區(qū)和相變。Bermingham等18比較了激光輔助銑削、干式銑削、溢流乳化液銑削、微量潤(rùn)滑銑削和微量潤(rùn)滑激光輔助銑削過程中的刀具壽命，常規(guī)冷卻液可提供優(yōu)異的刀具壽命，但在較高的切削速度下，冷卻液會(huì)因熱沖擊疲勞而降低刀具壽命;微量潤(rùn)滑可以減緩熱相關(guān)磨損過程的速率，使激光輔助銑削刀具壽命提高倍。

　　在激光輔助磨削方面，Hu等19研究了激光輔助微細(xì)磨削硬質(zhì)合金，探究了聚焦位置、砂輪結(jié)合劑、激光變量和磨削參數(shù)對(duì)微磨削表面的影響，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)募す饽芰靠蓽p少硬質(zhì)合金微細(xì)磨削邊的邊緣裂紋和切削毛刺，降低表面粗糙度，提高表面質(zhì)量;微細(xì)磨削表面粗糙度取決于工件熔點(diǎn)和磨削深度，主要影響因素是激光功率和磨削深度。Zhang等20開展了激光輔助磨削Ti6Al4V性能研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)磨削相比，激光輔助磨削的磨削力降低了45%~56%，磨削溫度降低了41%~52%。

　　Ma等研究了激光輔助磨削氧化鋯陶瓷的表面質(zhì)量、表面形貌和亞表面損傷，結(jié)果表明，激光輔助磨削可以實(shí)現(xiàn)延性區(qū)域磨削，顯著氧化鋯陶瓷的表面完整性，改善氧化鋯陶瓷的可加工性。Li等22研究了激光輔助磨削RBSiC陶瓷材料去除機(jī)理、磨削力比、工件表面溫度和表面完整性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光輔助磨削降低了磨削力、表面粗糙度和亞表面損傷，表面粗糙度和亞表面損傷深度均隨激光功率和砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進(jìn)給速度和切削深度的減小而減小。

　　盡管，激光輔助加工已經(jīng)在難加工材料領(lǐng)域展現(xiàn)了極其巨大的應(yīng)用潛力，但目前尚未有激光焦點(diǎn)遠(yuǎn)離加工平面對(duì)加工質(zhì)量的影響研究，這限制了激光熱效應(yīng)的充分利用。此外，目前激光輔助加工過程中焦點(diǎn)控制的研究尚未完善，在激光砂帶領(lǐng)域更是寥寥無幾。因此，為了探究激光輔助加工中離焦量對(duì)加工機(jī)理和加工表面質(zhì)量的影響，在上述研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于單顆粒砂帶磨削模型的激光砂帶離焦加工控制模型，通過不同離焦量下的加工實(shí)驗(yàn)，探究了離焦量對(duì)加工表面形貌和表面組織變化的影響。

　　1激光砂帶離焦加工原理

　　1.1激光砂帶加工原理及模型激光砂帶加工技術(shù)是基于激光加熱特性和砂帶磨削柔性特性快速去除材料而提出的新興加工技術(shù)。激光與砂帶同時(shí)作用于加工區(qū)域，激光的熱效應(yīng)可以有效提升鈦合金材料、高溫合金材料等難加工材料的可加工性能，從而使材料砂帶磨削后的表面質(zhì)量得以提升。而由于砂帶磨削時(shí)，磨削的區(qū)域?yàn)榻佑|輪的下方，在激光垂直入射的情況下，難以實(shí)現(xiàn)激光砂帶的同時(shí)有效作用于加工區(qū)域。

　　在激光頭處增加了一個(gè)反射鏡來調(diào)節(jié)入射激光的角度，讓激光和砂帶同時(shí)偏置一定的角度，使得激光入射到砂帶與加工表面接觸的地方，達(dá)到激光與砂帶共同作用加工區(qū)域的效果。同時(shí)，通過數(shù)控系統(tǒng)控制激光砂帶的運(yùn)動(dòng)軌跡從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同加工。

　　由于激光的頻率和傳播速度大，在磨粒切削之前就已經(jīng)照射到材料表面。對(duì)于金屬材料，材料表面的原子不斷地吸收激光光子，表面的溫度上升，形成一定的熱影響區(qū)域，磨粒在工件表面滑擦，產(chǎn)生塑性變形。而由于表面材料大量吸收光子后溫度急劇上升，表面部分材料會(huì)發(fā)生表面蒸發(fā)，并在加工的表面形成少量的等離子體。隨著時(shí)間的增加，表面的溫度逐漸上升，當(dāng)達(dá)到材料的熔點(diǎn)時(shí)，材料發(fā)生熔化，形成熔池。

　　此時(shí)材料的物理性能發(fā)生了變化，更容易被磨粒的切削去除。當(dāng)激光作用到材料表面的時(shí)間達(dá)到一定程度后，激光在材料內(nèi)穿過一定深度后最終會(huì)被工件全部吸收。激光能量被表層材料吸收后，在表層材料的上下表面均會(huì)發(fā)生氣化，上表面產(chǎn)生的氣體上升形成等離子體，同時(shí)氣體的反沖作用使表面材料受到一定的反沖壓力，使表層材料向下凹陷;下表面產(chǎn)生的氣體由于表層材料的阻礙而積聚在材料內(nèi)部。因此，激光砂帶加工過程是極其復(fù)雜的，還需要進(jìn)一步研究揭示其作用過程。

　　離焦加工控制模型由于激光能量分布為高斯分布，焦點(diǎn)中心區(qū)域的能量密度最高，沿四周方向逐漸減弱，激光加工過程中焦點(diǎn)中心和四周的作用效果并不相同。而激光砂帶加工技術(shù)主要利用了激光的加熱特性，激光能量的非均勻分布對(duì)激光的熱作用會(huì)造成一定的影響。最初加工時(shí)，激光焦點(diǎn)處于所加工材料的表面，但持續(xù)一段時(shí)間后，由于表面材料被去除，材料的待加工表面會(huì)處在一個(gè)有一定離焦量的加工情況下。

　　在該情況下，由于激光的離焦，其實(shí)際材料表面激光的能量分布會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致加工去除量和加工表面的變化。在入射激光能量密度較高時(shí)，材料表面會(huì)發(fā)生融化、沸騰、蒸發(fā)等熱現(xiàn)象，但這些熱現(xiàn)象在材料表面產(chǎn)生的閾值不同即發(fā)生燒蝕的能量密度不同。當(dāng)激光以不同的離焦量照射在表面時(shí)，材料表面照射激光的能量分布密度也會(huì)不同，導(dǎo)致表面發(fā)生的熱現(xiàn)象也不同。因此有必要對(duì)激光砂帶加工過程中的激光離焦量進(jìn)行控制，并研究不同離焦量下，激光砂帶加工表面完整性的變化。

　　2實(shí)驗(yàn)

　　通過單因素實(shí)驗(yàn)，研究不同離焦量下激光砂帶加工鈦合金表面完整性的形成機(jī)理，探索工件表面形貌、微觀組織的變化，待工件冷卻后測(cè)試其表面形貌、微觀組織。在本研究中，采用超景深三維顯微系統(tǒng)對(duì)砂帶形貌進(jìn)行了測(cè)量和分析，采用白光干涉儀對(duì)工件的表面形貌進(jìn)行了測(cè)量和分析，并用掃描電子顯微鏡和能譜分析技術(shù)評(píng)價(jià)了表層組織的變化，通過磨損實(shí)驗(yàn)對(duì)表面的耐磨損性能進(jìn)行了檢測(cè)。

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1表面三維形貌分析圖所示是離焦量分別為0.15、0.、0.05、0mm時(shí)激光砂帶加工的樣品表面形貌。可以看到明顯的砂帶磨削作用和激光燒蝕作用，兩者融合作用于樣品表面，這一點(diǎn)可以由圖中的磨削劃痕和激光燒蝕留下的峰證明。而隨著離焦量的增加，激光砂帶的融合作用機(jī)理不會(huì)發(fā)生明顯的變化，這一點(diǎn)可以從圖圖的對(duì)比分析可以得到。

　　激光砂帶加工的微觀表面形貌呈現(xiàn)各向異性，峰值和谷值沿進(jìn)給方向的變化更加劇烈，而在磨削方向上幾乎沒有變化。在磨削方向上可以觀察到砂帶磨削加工與激光砂帶加工形成的半圓弧形分界線，兩者在峰值和谷值上存在著本質(zhì)區(qū)別。激光砂帶加工區(qū)域在進(jìn)給方向上峰值和谷值變化趨勢(shì)跟砂帶磨削區(qū)域是相似的，但峰值和谷值普遍要低幾十微米，這是由于激光高熱量使材料軟化導(dǎo)致材料更容易去除，材料的去除深度增大所引起的。

　　航空論文投稿刊物：《航空學(xué)報(bào)》是中國(guó)航空學(xué)會(huì)主辦的綜合性航空航天學(xué)科學(xué)技術(shù)期刊，長(zhǎng)期在我國(guó)航空航天類中文核心期刊排名第一。主要欄目有論文、綜述、研究簡(jiǎn)報(bào)及簡(jiǎn)訊等。

　　結(jié)論

　　1)針對(duì)鈦合金難加工問題，提出一種激光砂帶加工方法，針對(duì)加工過程中的離焦現(xiàn)象，本文進(jìn)行了激光砂帶離焦加工的運(yùn)動(dòng)過程建模，實(shí)現(xiàn)了離焦距離的精準(zhǔn)控制。2)當(dāng)激光砂帶加工離焦量從.15mm減少到0mm時(shí)，表面粗糙度先從8.07μm減少到7.40μm然后增加到22μm，最大峰高從23μm增加到45.4μm，這是離焦量不同引起激光能量分布不同導(dǎo)致的。3)通過對(duì)表面微觀組織的分析發(fā)現(xiàn)，激光砂帶加工過程中除了磨粒磨削的材料塑性去除，還伴隨著材料的氣化和熔化去除。隨著離焦量的減少，材料氣化和熔化去除現(xiàn)象越明顯,去除區(qū)域的能量越集中。通過磨損實(shí)驗(yàn)證明了激光砂帶加工方法可以提升表面的耐磨損性能。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：肖貴堅(jiān)，劉帥，賀毅，劉崗，朱升旺，宋沙雨