激光辅助加热成形切削工程陶瓷的机理及其关键技术研究

工程陶瓷类硬质脆性材料，由于其优异的物理机械性能而在众多领域关键装备中得到日益广泛的应用。但其加工难的问题，一直是制约其被大规模推广应用的瓶颈。项目针对工程陶瓷类硬质脆性材料现有加工方法所存在的主要问题，在综合激光加热和传统切削加工各自优点的基础上，提出激光辅助加热成形切削的新方法，利用激光加热硬质脆性材料，降低其硬度和脆性，显著改善其切削加工性能，通过控制加热软化材料截面形状并研制相应的成形切削刀具而把多余的材料全部去除，从而达到减小切削力，避免热损伤的要求。采用理论分析和试验研究相结合的方法，对工程陶瓷类硬质脆性材料的激光辅助加热成形切削机理及其关键技术开展系统研究，寻求最佳激光参数和切削加工工艺参数，实现工程陶瓷类硬质脆性材料的高效、高质量成形切削。本项目的完成，能从根本上解决硬质脆性材料加工难问题，对于扩大工程陶瓷类硬质脆性材料的应用范围，具有重要的理论意义和实用参考价值。

针对工程陶瓷类硬质脆性材料的加工难问题，项目组在国家自然基金项目“激光辅助加热成形切削工程陶瓷的机理及其关键技术研究”(51075135)资助下，理论与工艺试验研究相结合，对工程陶瓷的激光辅助加热成形切削新方法开展了以下研究：.　　　基于热传导理论，分别推导了脉冲激光辅助加热成形切削工程陶瓷的有限元二维加热模型和连续激光辅助加热成形切削工程陶瓷二维、三维加热模型；借助ANSYS和MATLAB软件，分别对脉冲光纤激光和连续CO2及光纤激光辅助加热成形切削Al2O3工程陶瓷时的表面温度场进行求解，发现试件表面温度场呈卵圆形分布，内部横截面和纵截面内温度场呈抛物线分布；激光束以布儒斯特角切向入射辐照于试件表面，试件吸收系数高，光斑被拉长，呈椭圆状，辐照面积扩大，受热均匀，沿椭圆长轴运动方向软化层较深；进而发现激光辅助加热成形切削的内在机理：激光在很短的时间内提高试件待切削区域材料温度，致其硬度、强度下降，塑性、韧性增加，材料软化,在与刀具的相互作用下发生塑性变形，形成连续稳定的硬脆材料的塑性切削加工过程；基于求解的试件温度场分布，以工程陶瓷加热温度为1000K所处的软化层尺寸确定了激光参数和切削用量等理论工艺参数。基于自行设计的反射率测定试验装置，分别对Al2O3和Si3N4两种工程陶瓷材料对不同入射角下垂直于和平行于入射面的线偏振CO2激光的反射率进行试验测量,得到了两种工程陶瓷材料的折射率、布儒斯特角及相应的吸收率曲线；通过Al2O3和Si3N4两种工程陶瓷材料试件对在布儒斯特角下平行于入射面的线偏振和圆偏振光CO2激光的吸收率对比，发现采用线偏振CO2激光加热辅助切削Al2O3和Si3N4陶瓷，在能量利用效果方面比采用圆偏振光更好，在同等条件下, Si3N4工程陶瓷材料比Al2O3工程陶瓷材料更难切削；分别以CO2激光、脉冲和连续光纤激光为辅助加热热源，采用传统和数控车削加工方法，开展了不同工艺参数组合下激光辅助加热成形切削Al2O3工程陶瓷工艺试验研究，对切削温度、切削力、材料切除率、切屑形态、刀具磨损状况、试件尺寸精度、表面粗糙度、微裂纹等进行了初步检测和分析研究，结果发现利用激光辅助加热成形切削工程陶瓷，三向切削力可以降低四分之三以上，刀具磨损状况得到缓解，既能提高试件加工质量又能获得较高的材料切除率。