激光輔助高速微車(chē)削Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料切削力影響因素試驗(yàn)研究

田紀(jì)文，許金凱，翟昌太，聶小雨，孫貴斌，于化東

(長(zhǎng)春理工大學(xué)跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130022)

0 前言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(fù)合材料因具有耐高溫、強(qiáng)度高、韌性好以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為繼C/C復(fù)合材料后最具有發(fā)展前景的新型耐高溫材料之一，在國(guó)防和航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但C/SiC陶瓷基復(fù)合材料屬于各向異性且難加工材料，在常規(guī)微切削時(shí)易產(chǎn)生毛刺、分層、撕裂、崩邊等缺陷，影響加工質(zhì)量，甚至造成報(bào)廢，因此，尋找一種高效率、高精度、高質(zhì)量的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料加工手段一直是研究人員追求的熱點(diǎn)。WANG等對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲波加工(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)中的表面生成機(jī)制進(jìn)行了研究；魏臣雋等采用電火花加工方法對(duì)一種連續(xù)陶瓷纖維強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行加工，并比較了排屑條件對(duì)加工性能的影響；翟兆陽(yáng)等分析了激光加工陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)中出現(xiàn)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(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

激光輔助切削加工(Laser Assisted Machining，LAM)技術(shù)通過(guò)激光加熱軟化切削區(qū)材料，再利用刀具進(jìn)行切削加工，與常規(guī)加工(Conventional Manufacture，CM)相比在降低切削力、延長(zhǎng)刀具壽命、提高加工質(zhì)量和加工效率等方面展現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)。目前的研究中，極少有利用激光輔助高速微切削技術(shù)對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行研究，為此，開(kāi)展此方向研究十分重要。在微切削過(guò)程中，很多因素會(huì)對(duì)工件最終的表面質(zhì)量造成影響，其中切削力無(wú)疑是非常重要的一項(xiàng)。其大小受工件材料、切削參數(shù)、刀具參數(shù)等因素影響。切削力的大小對(duì)于切削熱、刀具磨損和已加工表面質(zhì)量都具有直接的影響。為此，優(yōu)化加工參數(shù)來(lái)改善C/SiC陶瓷基復(fù)合材料激光輔助高速微切削過(guò)程中切削力大小顯得十分迫切。

本文作者通過(guò)自行設(shè)計(jì)并搭建的小型激光輔助高速微車(chē)削數(shù)控機(jī)床，在3D針刺編織結(jié)構(gòu)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料上進(jìn)行了不同加工參數(shù)(激光功率密度、工件轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度)對(duì)切削力影響規(guī)律的單因素試驗(yàn)以及正交試驗(yàn)，利用正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析得到最優(yōu)加工參數(shù)組合，以達(dá)到改善C/SiC陶瓷基復(fù)合材料切削過(guò)程中切削力大小的目的。

1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料為=6 mm的3D針刺編織結(jié)構(gòu)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料棒料，材料實(shí)物及微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。所用加工設(shè)備為自行研制的小型激光輔助高速微車(chē)削數(shù)控機(jī)床(如圖2所示)，該設(shè)備主軸最高轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，通過(guò)數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)完整的切削過(guò)程，切削精度可達(dá)2 μm。其中激光輔助加熱過(guò)程中所使用的激光器為美國(guó)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(zhì)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(yàn)過(guò)程中采用瑞士Kistler公司出品的六分量切削力測(cè)量系統(tǒng)來(lái)采集切削力，測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖1 Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料實(shí)物及微觀結(jié)構(gòu)

圖2 激光輔助高速微車(chē)削數(shù)控機(jī)床

圖3 切削力測(cè)量系統(tǒng)

分別以工件轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度、激光功率密度作為變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探究不同加工參數(shù)對(duì)激光輔助高速微車(chē)削C/SiC陶瓷基復(fù)合材料切削力的影響規(guī)律。隨后對(duì)上述4種加工參數(shù)進(jìn)行四因素四水平正交試驗(yàn)研究，正交試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，通過(guò)計(jì)算分析得到不同加工參數(shù)對(duì)切削力的影響程度以及最優(yōu)加工參數(shù)組合。

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中激光器發(fā)射出的光斑始終保持在C/SiC陶瓷基復(fù)合材料工件正上方，激光器與刀具相互垂直且固定不動(dòng)，在數(shù)控程序的控制下實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)給，試驗(yàn)原理圖如圖4所示，與此同時(shí)，切削力測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)切削過(guò)程中切削力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 試驗(yàn)原理

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力即為切削力。切削時(shí)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(chē)削時(shí)，一般將這個(gè)切削合力分解成3個(gè)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(chēng)主切削力；徑向力，在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向垂直，又稱(chēng)背向力；軸向力，在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向平行，又稱(chēng)進(jìn)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(yàn)過(guò)程中通過(guò)切削力測(cè)量模塊對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削力信號(hào)進(jìn)行采集，隨后經(jīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)對(duì)采集到的切削力信號(hào)進(jìn)行處理，整理后得到的、和3個(gè)方向的切削力散點(diǎn)圖，如圖6所示,此時(shí)=160 W/mm、=5 000 r/min、=5 μm、=25 mm/min。在切削過(guò)程開(kāi)始后，切削力快速增大至其平均值附近并形成規(guī)律的振動(dòng)狀態(tài)。選取整理后的切削力散點(diǎn)圖中變化穩(wěn)定區(qū)域的切削力平均值作為每組試驗(yàn)的最終結(jié)果。

圖6 切削力散點(diǎn)圖

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別以工件轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度、激光功率密度為變量，開(kāi)展對(duì)切削過(guò)程中主切削力、背向力、進(jìn)給力的單因素試驗(yàn)研究，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各加工參數(shù)對(duì)不同方向切削力的影響規(guī)律。圖7為其影響規(guī)律圖。

圖7 不同加工參數(shù)對(duì)切削力影響規(guī)律

2.1.1 工件轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響規(guī)律

圖7(a)所示為進(jìn)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(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的各個(gè)方向切削過(guò)程中切削力變化規(guī)律對(duì)比?？芍?在CM條件下，、和3個(gè)方向的切削力隨著工件轉(zhuǎn)速的增大，呈現(xiàn)出了逐漸下降的變化趨勢(shì)，但各個(gè)方向切削力值均大于相同條件下LAM時(shí)的值。由此可見(jiàn)，與CM相比,LAM技術(shù)可以降低切削過(guò)程中切削力大小，使C/SiC陶瓷基復(fù)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(chē)削過(guò)程中，隨著工件轉(zhuǎn)速的提高，與呈現(xiàn)出了逐漸增大的變化趨勢(shì)，變化規(guī)律基本相同，且始終保持>，則隨著工件轉(zhuǎn)速的提高呈現(xiàn)出先增大后趨于平緩上升的變化趨勢(shì)。其原因如下:CM條件下，刀具切削過(guò)程中，隨著工件轉(zhuǎn)速的增加會(huì)使切削力增加，切削力增加會(huì)使切削功率增加，根據(jù)能量守恒定律這時(shí)切削熱也會(huì)增加，切削熱的累積導(dǎo)致材料軟化，材料強(qiáng)度降低，切削力降低；其次，切削區(qū)域中第二變形區(qū)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??；再者,切削速度的增加會(huì)使材料的變形率增加，這樣就會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低而降低切削力。當(dāng)引入激光光束后，激光光束的高能量可以使工件待加工區(qū)域溫度迅速升高，強(qiáng)度降低，塑性增強(qiáng)，變得易于切削，從而LAM條件下切削力值小于CM。隨著工件轉(zhuǎn)速的增大，激光能量與C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的作用時(shí)間變短，導(dǎo)致激光加熱軟化效果變差，由于此時(shí)激光能量對(duì)待加工區(qū)域溫度起到?jīng)Q定性作用，從而切削力呈現(xiàn)出了一定程度的增大趨勢(shì)。

2.1.2 切削深度對(duì)切削力的影響規(guī)律

圖7(b)所示為加工參數(shù)一定條件下，不同切削深度所對(duì)應(yīng)的各個(gè)方向切削過(guò)程中切削力變化規(guī)律。分析可知:隨著切削深度的增加，與呈現(xiàn)出了增速逐漸降低的增大趨勢(shì)，則表現(xiàn)出了逐漸升高的變化趨勢(shì);同時(shí)在切削深度變化區(qū)間內(nèi)，與數(shù)值上下交替升高，且二者數(shù)值相差不大。產(chǎn)生上述變化規(guī)律的原因:沿著激光加熱區(qū)域的徑向方向，降溫幅度越來(lái)越大，隨著切削深度的逐漸增大，切削層最低層的溫度越來(lái)越低，從而不利于切削，導(dǎo)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(dǎo)致切削過(guò)程中切削變形和摩擦變大，從而切削力增大。

2.1.3 進(jìn)給速度對(duì)切削力的影響規(guī)律

圖7(c)所示為工件轉(zhuǎn)速=6 000 r/min，切削深度=20 μm，功率密度=320 W/mm條件下，不同進(jìn)給速度所對(duì)應(yīng)的各個(gè)方向切削過(guò)程中切削力變化規(guī)律。可知：不同進(jìn)給速度下，、和3個(gè)方向的切削力大小關(guān)系為>>，并且進(jìn)給速度對(duì)3個(gè)方向切削力的影響均近似呈一次函數(shù)分布，進(jìn)給力的斜率最小為0.028。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)刀具進(jìn)給量增加，切除的體積增大，刀具磨損隨之加劇，從而導(dǎo)致切削過(guò)程中切削力增大，產(chǎn)生了上述變化規(guī)律。

2.1.4 切削深度對(duì)切削力的影響規(guī)律

由圖7(d)可知：隨著激光功率密度的逐步增大，、和3個(gè)方向的切削力呈現(xiàn)出了逐漸下降的變化趨勢(shì)，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(shí)值的下降幅度為49%。分析其原因：其他加工參數(shù)一定的情況下，當(dāng)激光功率密度較低時(shí)，材料沒(méi)有吸收到足夠的激光能量，C/SiC陶瓷基復(fù)合材料切削層的溫度較低，不利于切削，導(dǎo)致切削力較大；當(dāng)激光功率密度足夠大時(shí)，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(xiàn)出大幅度降低的變化趨勢(shì)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于C/SiC陶瓷基復(fù)合材料切削過(guò)程所消耗的切削功主要取決于主切削力(文中為拉應(yīng)力)，現(xiàn)對(duì)主切削力進(jìn)行已選定的四因素正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，確定各加工參數(shù)對(duì)主切削力的影響程度次序，并對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化匹配，獲得最優(yōu)主切削力參數(shù)組合。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

(1)

(2)

整理正交試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，得到不同加工參數(shù)對(duì)主切削力影響的變化規(guī)律，如圖8所示。從中發(fā)現(xiàn)，功率密度與工件轉(zhuǎn)速對(duì)主切削力的影響趨勢(shì)與其單因素試驗(yàn)條件下相同，驗(yàn)證了功率密度與工件轉(zhuǎn)速對(duì)主切削力的影響規(guī)律。

圖8 正交試驗(yàn)下不同加工參數(shù)對(duì)主切削力的影響

3 結(jié)論

對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了激光輔助高速微車(chē)削試驗(yàn)，通過(guò)單因素試驗(yàn)法分析了不同加工參數(shù)對(duì)各個(gè)方向切削力的影響規(guī)律；隨后進(jìn)行正交試驗(yàn)，利用方差分析法得出了不同加工參數(shù)對(duì)主切削力的影響程度以及最優(yōu)加工參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)論如下：

與常規(guī)高速微車(chē)削方式相比，激光輔助高速微車(chē)削技術(shù)可以明顯降低C/SiC陶瓷基復(fù)合材料切削加工時(shí)、和3個(gè)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(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度對(duì)各方向切削力的影響均呈現(xiàn)出一定程度的正相關(guān)性，而激光功率密度對(duì)其影響則完全相反。

切削過(guò)程中，各試驗(yàn)因素對(duì)主切削力的影響從大到小依次為: 功率密度、工件轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。當(dāng)功率密度=400 W/mm，工件轉(zhuǎn)速=4 000 r/min，切削深度=20 μm，進(jìn)給速度=20 mm/min時(shí)，值達(dá)到最佳水平。此時(shí)，值為1.831 N。