激光超聲復合精密切削硬質(zhì)合金材料的機理與應用

劉鴻智

（鶴壁職業(yè)技術學院，鶴壁 458030）

在我國的工業(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行制造而成，可以說是一種合金材料。其中，具有硬度相對較高、耐磨性相對較好、強度和韌性都非常良好以及耐熱耐腐蝕等一系列優(yōu)點和特點，可以保證1000℃的情況下依然具有良好的硬度。隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，硬質(zhì)合金材料對于硬質(zhì)合金的精密加工，需要對材料的機理、表面質(zhì)量以及加工精度等多方面進行嚴格控制。但需要值得注意的是，在超聲激勵情況下加工時需要對切削硬質(zhì)合金材料技術進行研究。

1 硬質(zhì)合金材料

硬質(zhì)材料合金主要包含兩個部分，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，也就是說在硬化物質(zhì)含量越高的情況下，其晶粒也就越細，硬度也就越大。在對硬質(zhì)合金進行燒結(jié)時，其選用的晶粒粒度在1～2μm的范圍內(nèi)。在現(xiàn)代化科學技術的不斷發(fā)展下，超聲震動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 激光超聲復合切削硬質(zhì)合金的特性實驗

在金屬切削過程中，切削力屬于出現(xiàn)的主要物理現(xiàn)象之一，對于切削熱的產(chǎn)生會造成一定程度的影響，對于刀具的磨損、加工的精度以及表面的質(zhì)量都會產(chǎn)生一定影響，在本文中利用實驗進行研究。

2.1 實驗條件

在該實驗中，設置了簡單的超聲振動裝置，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。在實驗中，需要利用一個菱形的CBN刀片固定在振動刀桿的末端刀片槽內(nèi)部中，在超聲換能器的激勵下，刀尖部分會產(chǎn)生超聲頻率沿著橢圓軌跡做出有效的振動現(xiàn)象，實驗的裝置如圖1所示。

在本文的實驗中，主要是利用激光器所產(chǎn)生的激光束進行工件表面和加熱材料加工，利用紅外測溫儀進行表面加工點溫度的測量。在激光加熱和超聲橢圓振動的共同作用下，去掉其中的材料，實現(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°，利用這樣的條件來保證激光不會反射到刀尖上，以此來保護刀具不會受到損害。其中，在本次實驗中用到的菱形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的機械性能

2.2 平均切削力

在本次實驗中主要利用了普通切削、超聲橢圓振動輔助切削、激光加熱輔助切削、復合切削四種切削方式，在實驗過程中，切削速度v=10m/min，切削深度ap=8μm，進給量f=10μm/r，利用Labview軟件進行濾波操作，利用Kistler測力儀進行主切削力測試，可以用Pf來進行表示。

實驗結(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行對比的情況下，順序為普通切削最大，其次是超聲橢圓振動輔助切削，再次是激光加熱輔助切削，最后是復合切削。在超聲橢圓振動輔助切削中，刀具前面的刀面會產(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較小。在激光加熱輔助切削時，受到激光束加熱的影響，導致切削區(qū)域內(nèi)部的加工材料軟化，去除材料的過程主要發(fā)生在延性區(qū)域當中，因此主切削力相對較小。在進行復核切削的過程當中，上述兩個因素同時存在，造成平均切削力比普通的切削力相對較小，可以說下降了一個數(shù)量級。在對四種切削方式下的平均主切削力進行有限元分析后，結(jié)果顯示，由于所采取的是單位切削厚度的方式，在進給量方面屬于試驗切削條件的一般，因此造成數(shù)值相對較大的現(xiàn)象。

2.3 切削速度對切削力的影響

在實驗當中，可以利用切削速度的改變對其變化規(guī)律的特點做出研究。在實驗過程中，保證切削速度在5m/min、10m/min和15m/min之間進行改變，對于其他的參數(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。通過對其進行分析，超聲橢圓的振動輔助切削，在激光加熱輔助切削和復合切削的作用下，其切削力的變化規(guī)律不同于普通切削，其他三類切削力相對來說比較小。但該三種加工方式下的切削力會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。但在達到某一個速度點后，切削速度會產(chǎn)生增大的效果。在超聲輔助切削過程中，切削速度越大，刀具和工件之間所出現(xiàn)的分離特點就會被削弱。在激光加熱輔助切削的過程中，切削速度相對較小的回收，工件在進行加熱后表面是沒有退去的，在冷卻硬化后其切削力就會比普通切削還大。

3 激光超聲復合切削硬質(zhì)合金切削力研究

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

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。但在四種切削方式下，刀具自身的磨損量會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均衡狀態(tài)。在激光超聲復合切削磨損量方面則相對比較小，其中持續(xù)的時間也相對較長。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，對刀具自身的磨損程序相對較大。造成此種現(xiàn)象的原因是初期磨損階段中的刀具和實際工件所接觸的面積較?。徽Ｄp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，增加了其切削性能。在后期的階段中，激光超聲復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)方面進行分析，四種切削方式下的刀具在切削時刀面都會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合切削時，其磨損帶寬都相對較低，在磨損表面出現(xiàn)了很多凹坑和長條形的劃痕。其中，普通切削的磨損最為嚴重，激光超聲復合切削的表面更加光滑。導致此種現(xiàn)象的原因主要是刀具本身的材料，硬質(zhì)合金材料本身對于刀具刀面的摩擦作用會造成刀具的磨損。普通切削的磨損情況是最為嚴重的，甚至出現(xiàn)了裂痕。在刀具加工過程中，切削刀具的刀面會與加工表面之間產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象，在不斷摩擦加工的情況下會造成該區(qū)域內(nèi)部的溫度升高，加大刀具自身的負擔，其中的負倒棱前角也會不斷加大，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，在切削加工過程中所產(chǎn)生的斷斷續(xù)續(xù)的切削現(xiàn)象和激光加熱切削對于材料本身也會產(chǎn)生一定影響，使材料本身產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，從而導致刀具刀面的磨損程度相對于普通切削來說相對較低。在超聲和激光加熱同時運行的情況下，激光超聲復合切削的整體過程就會產(chǎn)生一定變化，其中刀具和工件自身的加工表面之間會存在一定的作用力，切削溫度也相對較低，因此整體的切削過程對于刀具的刀面磨損會造成影響，在一定程度上降低了刀具的刀面磨損程度。

4 結(jié)語

在利用激光加熱和超聲振動輔助復合切削時，可以降低切削力，保證切削的整體過程處于穩(wěn)定的狀態(tài)。同時，在激光加熱和超聲振動輔助復合切削的作用下，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)的過程中，激光加熱和超聲振動輔助可以對硬脆材料的精密加工起到促進作用。

[1]段鵬，焦鋒，牛贏，等.激光超聲復合加工硬質(zhì)合金的切削特性研究[J].機械科學與技術，2017，（4）：592-597.

[2]趙亮.硬質(zhì)合金激光加熱與超聲輔助復合精密切削特性的研究[D].焦作：河南理工大學，2013：5-6.

[3]李豐變.超硬合金激光超聲復合精密切削機理的有限元仿真[D].焦作：河南理工大學，2013：9-10.

[4]邵健.超聲復合電加工振動系統(tǒng)特性分析與試驗[D].揚州：揚州大學，2015：1-2.

[5]李杰.硬質(zhì)合金超聲激光輔助切削脆性——延性轉(zhuǎn)變特性研究[D].焦作：河南理工大學，2015：4-6.