（机械制造及其自动化专业论文）激光加热辅助切削Allt2gtOlt3gt工程陶瓷材料的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 工程陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及重量轻和良好的自 润滑性等优良特性，在生产和生活中得到了越来越广泛的应用。由于：亡程陶瓷属 于硬脆性材料，所以工程陶瓷的加工成为了一个难题，而激光加热辅助切削正是 解决这一难题的有效方法之。它是集光学、材料学、传热学、物理学、力学、 机械加工等多方面的知识于一体的新型加工技术。它很好地解决了工程陶瓷材料 难加工的问题，为工程陶瓷材料的广泛应用解除了束缚。 本文采用试验研究和数值模拟两种手段相结合的方式，以a 1 2 0 3 工程陶瓷为研 究对象，对激光加热辅助切削工程陶瓷材料进行了分析和研究。首先，建立了激 光加热温度场的数学模型，运用科学计算软件m a t l a b 和有限差分法进行了数值 求解，从理论上分析了激光加热辅助切削过程中温度场的分布规律；其次，搭建 了一个试验平台，测量了加工过程中切削力的变化情况：再次，通过对比不同加 工参数下得到的工件表面质量，得到了加工参数的变化对工件表面质量的影响； 最后，结合： 件表面质量的变化情况，深入分析了激光加热辅助切削中加工工艺 参数对加工质量的影响机理。 激光加热辅助切削作为一种新的材料加工方法，有其自身的特点。本文在大 量试验数据和充分的理论分析基础上，对激光加热辅助切削过程中激光功率、工 件表面光斑直径、进给量、切削深度、工件旋转速度、刀尖与光斑之间的距离等 加工工艺参数对加工质量的影响进行了深入研究，并分析了其机理。然后进一步 对加工参数的选择、刀具的选用提出了建议。 以上的理论分析及试验结果证明了本文的研究成果对工程陶瓷材料的激光加 热辅助切削有着实际的指导意义。 关键词：激光加热辅助切削；a 1 2 0 3 陶瓷；加工工艺参数；数值模拟；切削力 i f a b s t r a c t e n g i n e e r i n g c e r a m i c sh a v e m a n y e x c e l l e n t p r o p e r t i e s ，s u c h a s g o o d h e a t r e s i s t a n c e ，a n de x c e l l e n ta b r a s i o n - r e s i s t a n c e ，f i n ec o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，l i g h t w e i g h ta n do u t s t a n d i n gs e l f - l u b r i c a t i n ga b i l i t y ，s ot h e ya r eg e t t i n gm o r e a n dm o r e a p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d so fi n d u s t r ya n dh u m a nl i f e h o w e v e r , d u et ot h e i rh i g h h a r d n e s sa n db r i t t l e n e s s ，t h e ya r ed i f f i c u l tt ob em a c h i n e du s i n gt r a d i t i o n a lm a c h i n i n g m e t h o d ss u c ha st u r n i n g ，m i l l i n g ，d r i l l i n ga n dc u t t i n g l a s e r a s s i s t e dm a c h i n i n g ( l a m ) i so n eo ft h ea v a i l a b l ee f f e c t i v em e t h o d st os o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c hc o m b i n e so p t i c s ， m a t e r i a ls c i e n c e ，h e a tt r a n s f e r , p h y s i c s ，m e c h a n i c sa n dm e c h a n i c a lm a c h i n i n gt o g e t h e r b a s e do nb o t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，t h i st h e s i s h a sd o n em u c hr e s e a r c hw o r ko nl a mo fa l u m i n a ( a 1 2 0 3 ) c e r a m i c s f i r s t l y ，a c o n d u c t i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dt h e nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nh a sb e e n c a l c u l a t e db yu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ( f d m ) s e c o n d l y , a ne x p e r i m e n t a ls e t u p f o rl a s e r h e a t a s s i s t e dm a c h i n i n go fa 1 2 0 3c e r a m i c sh a sb e e nd e s i g n e d t h i r d l y ，t h e m a c h i n i n gf o r c ei nl a s e r a s s i s t e dm a c h i n i n ga 1 2 0 3c e r a m i c sh a sb e e nm e a s u r e d f i n a l l y , t h ee f f e c t so fm a c h i n i n gp a r a m e t e r so nm a c h i n i n gq u a l i t yh a v eb e e no b t a i n e d b yc o n t r a s t i n gt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t su n d e rd i f f e r e n tm a c h i n i n gc o n d i t i o n s b y c o m p a r i n gt h eo b s e r v e dr e s u l t so ft h es u r f a c eq u a l i t yu n d e rd i f f e r e n tm a c h i n i n g c o n d i t i o n s ，t h em e c h a n i s mo fl a s e r - a s s i s t e dm a c h i n i n gc e r a m i c sh a sb e e ns t u d i e d a san e wm e t h o df o rm a t e r i a lm a c h i n i n g ，l a mh a sm a n ya d v a n t a g e st h a t t r a d i t i o n a l m a c h i n i n g m e t h o d sd o n t h a v e t h r o u g h t h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t a ，i m p o r t a n tr e l a t i o n sb e t w e e nt h em a c h i n i n gq u a l i t y a n dt h em a c h i n i n gp a r a m e t e r su s e d ，s u c ha st h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ec e n t e ro fl a s e r b e a ma n dt h ep o i n to fc u t t i n gt o o l s ，r o t a t i n gs p e e do ft h ew o r k p i e c e ，c u t t i n gd e p t h ， f e e dr a t e ，l a s e rp o w e ra n dl a s e rb e a md i a m e t e ro nt h es u r f a c eo ft h ew o r k p i e c eh a v e b e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sa l s og i v e ss o m eb e n e f i c i a la d v i c e a b o u tt h es e l e c t i o no fc u t t i n gt o o l sa n dm a c h i n i n gp a r a m e t e r s i ns h o r t ，t h i st h e s i sh a sp r o v i d e da p r a c t i c a lr e f e r e n c ef o r t h el a s e r - a s s i s t e d m a c h i n i n go fc e r a m i c s k e yw o r d s ：l a s e r - a s s i s t e dm a c h i n i n g ；a l u m i n a ( a 1 2 0 3 ) c e r a m i c s ；m a c h i n i n g p a r a m e t e r s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c u t t i n gf o r c e i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 降；中 日期：2 ，一霹j 月口曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 沧文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 阵沣日期：沙辟瑚o 日 剔谧轹捆峙第日期：p 年丁月厶日 第1 章绪论 人类社会日益进步的生产活动对应用材料提出了越来越高的要求，而科技的 迅速发展也促使新型材料不断出现。从上个世纪发展起来的工程陶瓷材料，由于 其自身优良的物理机械性能而在众多领域中得到了广泛应用。 由于工程陶瓷材料硬度很高，很难采用传统加工方法对其进行加工。目前， 对工程陶瓷的成型加工方法主要有两类：一是采用金刚石砂轮磨削，但是这种方 法加工效率低、砂轮消耗大、成本高，并且不能满足工件加工形状多样化的需要； 二则是采用激光直接加工，这也有加工效率低、成本高的缺点。 上世纪末出现了一种新型的加工方法，即激光加热辅助切削，它的出现比较 好的解决了工程陶瓷的切削问题。采用激光加热工程陶瓷，降低其硬度和脆性， 改善其切削加工性能，然后用刀具把软化的材料切除，从而达到了减小切削力、 提高加工质量和加工柔性的要求。激光加热辅助切削技术是一种光、机、电、材 料、热物理及检测技术一体化的新型特种加工技术，是先进制造技术中的重要组 成部分。 1 1 工程陶瓷材料的性能与应用 1 1 1 工程陶瓷材料 工程陶瓷是指应用于机械设备及其他多种工业领域的陶瓷，主要有氧化铝、 氧化锆、氮化硅等，是现代陶瓷的一部分。由于工程陶瓷具有高硬度、耐高温、 耐磨损、耐腐蚀以及重量轻和良好的自润滑性，在冶金、能源、化工、航空航天 等国民经济部门得到了广泛的应用 1 1 。 工程陶瓷材料按照其性能和用途，可以分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。结构 陶瓷作为结构材料，常用于制造结构零部件，要求有较好的力学性能，如强度、 韧性、硬度、模量、耐磨性以及高温性能等。功能陶瓷作为功能材料，主要是利 用无机非金属材料优异的物理和化学性能，如电磁性、热性能、光性能及生物性 能等，用以制作功能器件【2 1 。 1 1 2 工程陶瓷材料的应用 1 工程陶瓷材料在化学工业中的应用 由于陶瓷材料对化学物质具有敏感性、吸附性、催化性和耐腐蚀等优良性质， 因而广泛地应用于化学工业中。石油化学工业用陶瓷做催化剂和催化剂载体；陶 瓷过滤器广泛应用于食品、医药、熔融金属过滤、粉料输送、环境保护、污水处 激光加热辅助切削a 1 2 0 3 工程陶瓷材料的研究 理、放射性肥料处理等方面；用a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 和s i c 等各种高强度、高硬度及耐 腐蚀的陶瓷材料来制造球阀、旋塞型控制阀等多种化工用阀门，其物理、化学性 能稳定，对酸碱的抗腐蚀性优良，有很强的耐磨性。 2 工程陶瓷材料在机械工业中的应用 工程陶瓷切削刀具的材料硬度可达h r a 9 3 9 4 ，抗弯强度8 0 0 - 1 0 0 0 m p a ，能 在1 2 0 0 1 3 0 0 的高温下正常切削，具有良好的切削性能。陶瓷刀具与传统的 高速钢和硬质合金刀具相比，具有更好的红硬性和耐磨性；与超硬材料金刚石和 c b n 相比，它具有更低的制造成本、更好的热稳定性和抗冲击能力1 3 。 为了提高发动机热效率，减少能量损耗，人们在发动机的制造过程中使用了 很多先进材料，工程陶瓷材料就是其中的佼佼者。由于其所具有密度小、热导率 低、耐高温、耐磨损以及耐腐蚀等热点，成为制造发动机的理想材料。 在汽车上使用a 1 2 0 ，纤维增强的铝活塞，可以提高第一道环槽的耐磨强度；用 s i 3 n n 陶瓷制造的滚动轴承广泛应用于机床、汽车、飞机、输送机械及真空机械等 设备上，使用寿命大大延长； 用工程陶瓷制造机床导轨，可以大大降低导轨的热变形，确保机床精度保持 稳定，为超精密加工的实现提供了前提条件。 3 工程陶瓷材料在航空、航天领域中的应用 由于工程陶瓷材料具有良好的热学性能( 热传导率低、熔点高、抗热冲击、抗 氧化) 和低密度的特点，因而在航空航天领域也得到了广泛应用。航天飞机外壳表 面要求耐高温、高强度、抗氧化和耐腐蚀，并且还要具有抗震性和易加工性。过 去采用在机体表面镀一层陶瓷膜的方法，由于热膨胀性的差异，镀膜容易剥离。 8 0 年代末提出让两种材料成分在结合部位按梯度变化，车削结合面，缓和热应力， 开发了功能梯度陶瓷，解决了热膨胀性带来的问题。 此外，工程陶瓷材料在汽车工业、精密机床、制造轴承、密封材料等方面都 有着十分重要的作用。 1 1 3a 1 2 0 3 陶瓷材料简介 1 9 3 1 年德国s i e m e n sh a l s k e 公司最初将氧化铝( a l u m i n a ，a 1 2 0 3 ) 陶瓷应用于火 花塞材料，并获得了“s i n t e r k o r t m d ”专利。当时氧化铝陶瓷制品的制造技术尚未 成熟，而且能发挥其优良性能的用途较少，所以发展比较缓慢。随着制造技术的 进步，人们逐渐认识了氧化铝陶瓷材料的耐热、电绝缘等各种优良性能，特别是 近十几年来，氧化铝陶瓷制品得到了快速地发展。 到日前为止，已经发现了氧化铝的许多结晶态，包括仅、k 、0 、f 、孙、y 、 p 。氧化铝的主要结晶形态有三种，即一a 1 2 0 3 ，7 - a 1 2 0 3 和口一a 1 2 0 3 ，后两种晶态 在1 3 0 0 。c 的高温下几乎完全转变为d a 1 2 0 3 。“一a 1 2 0 3 亦称为刚玉，是氧化铝结晶 形态中最稳定者。它具有六方致密堆积的氧原子层，氧原子间的八面体配位的2 3 硕士学位论文 空隙是由金属原子所填充，也即铝离子与氧离子形成离子结合键。图1 1 为n a 1 2 0 3 的结晶结构示意图1 4 。 图1 1a 一 i2 0 3 晶体结构 a 1 2 0 3 陶瓷是耐火氧化物中化学性质最稳定、机械强度最高的一种；a 1 2 0 3 陶 瓷与大多数熔融金属不发生反应，只有m g ，c a ，z r 和t i 在一定温度以上对其有 还原作用；热的浓硫酸能溶解a 1 2 0 3 ，热的h c l ，h f 对其也有一定的腐蚀作用； 由于a 1 2 0 3 陶瓷优异的化学稳定性，可广泛地用于金属熔炼坩埚、理化器皿、炉 馆、炉芯、热电偶保护管和各种耐热部件；在化工领域广泛应用于耐酸泵叶轮、 泵体、泵盖、轴套，输送酸的管道内衬和阀门等【5 】。 氧化铝含量高于9 5 以上的具有优异的电绝缘性能和较低的介质损耗特点， 在电子、电器方面有十分广阔的应用领域。例如作为微波电解质，雷达天线罩， 超高频大功率电子管支架、窗口、管壳、晶体管底座，大规模集成电路基板以及 电子元件等。 a 1 2 0 3 陶瓷的高硬度和耐磨在机械领域得到了广泛应用。a 1 2 0 3 陶瓷制备的各 种耐磨零件在纺织机械中得到了大量应用：采用a 1 2 0 3 陶瓷可以提高各种工具、 模具、拔丝模的耐磨性。a 1 2 0 3 陶瓷作为刀具的制造材料已经有相当长的历史和相 当广泛的市场。 各种发动机中还大量使用a 1 2 0 3 陶瓷火花塞，这要求陶瓷的高密度，一般是 用冷静压成型制造的。 1 2 工程陶瓷材料的加工技术 由于工程陶瓷中的原子键多是共价键、离子键或是它们的混合键，呈现出与 以金属键为主的一般金属材料不同的性质，即：陶瓷材料一般抗剪应力很高而抗 拉伸应力极低；弹性模量相当大、硬度高、脆性大，一般是电的不良导体。它的 这些特性，使传统加工方法很难加工出形状复杂的产品，并使其加工成本高、效 激光加热辅助切削a i ：o ，工程陶瓷材料的研究 率低、加工质量不理想。这就对机械加工提出了新的挑战。显然，陶瓷材料作为 工程材料的大规模应用，很大程度上取决于陶瓷零件加工技术的发展。 由于工程陶瓷材料硬度高、脆性大，属难加工材料，一般加工方法有机械加工、 电加工、光加工、超声波加工等。 1 2 1 工程陶瓷材料的机械加工方法 机械加工方法主要有车削、磨削和钻削。车削加工主要是用金刚石刀具( 或其 涂层刀具) 切削高硬度、高耐磨性的工程陶瓷；磨削加工所用砂轮一般选用金刚石 砂轮；工程陶瓷材料钻削多采用掏料钻。由于陶瓷材料本身具有的硬脆性，采用 机械加工方法得到的加工表面质量一般不太理想。 1 2 2 工程陶瓷材料的电加工方法 电加工方法一般只适用于导电陶瓷的加工，要求电阻率小于1 0 0 f 1 c m 。电加工 方法是加工导电工程陶瓷的一种有效加工方法。加工a 1 2 0 3 工程陶瓷材料时，最大 加工效率为4 2 m m 3 r a i n ，此时加工表面粗糙度为r a = 3 6 i _ t m ：加工s i 3 n 4 工程陶瓷材 料时，最大加工效率为3 2 m m 3 r a i n ，加工表面粗糙度为r a = 7 1 t m ，对那些结构形状复 杂的工程陶瓷件，单纯用机械加工几乎不能实现，而采用电加工法便很容易完成， 并且电火花加工还可以利用线电极实现微小孔加工。 1 2 3 工程陶瓷材料的激光加工方法 激光加工工程陶瓷是利用一束能量密度极高的激光束照射到被加工工件表面 上，光能被加工表面吸收，荠部分转化为热能，使局部温度迅速升高产生熔化以至 汽化并形成凹坑。随着能量的继续吸收，陷坑中的蒸汽迅速膨胀，相当于产生了一 个微小爆炸，把熔融物高速喷射出来，同时产生一个方向性很强的冲击波，这样材 料就在高温、熔融、汽化和冲击波作用下被蚀除。一般加工工程陶瓷使用的激光 有c 0 2 激光和y a g 激光两种。由于c 0 2 激光有高的可用功率和长脉冲时间，可以 进行高速度加工。然而，由于c 0 2 激光易被工程陶瓷吸收及光斑半径大，往往对工 件产生较大的热影响区，易使脆性高的s i c 陶瓷等破裂：y a g 激光器提供较低的束 线功率和较小的脉冲持续时间，但由于其射束密度高，可用来加工工程陶瓷材料。 1 2 4 工程陶瓷材料的超声波加工方法 超声波加工是利用工具作超声频振动，通过磨料悬浮液中的磨料去除工件材 料。超声波在硬脆材料加工中的应用较早，起始于本世纪四十年代，是目前应用较 普遍的一种加工方法。特别是对那些不导电或电阻率高而不能采用电加工的工程 陶瓷是一种有效的加工方法。但超声波加工也存在如下缺点： ( 1 ) 加工工具通用性差。加工不同的孔、槽时需用不同的工具，工具的更换比 较麻烦； 硕士学位论文 ( 2 1 由于加工过程中工具质量的变化，造成共振频率的游移，而使加工速度和 加工质量受到影响； ( 3 ) 加工工程陶瓷材料时，工具磨损严重，加工效率不高。 超声波加工已开始应用于工程陶瓷材料加工，目前对其进一步的研究主要集 中在如何提高加工效率和加工质量等方面 6 - 7 1 。 1 2 5 工程陶瓷材料的其他加工方法 除以上介绍的加工方法外，还有一些加工方法在生产中得到应用。如离子束加 工、等离子加热切削、化学加工、磨料射流加工等。但这些加工方法在工程陶瓷 的加工中不是主要的，这里不再详述。 总之，用于加工工程陶瓷材料的方法很多，但由于工程陶瓷材料本身的特殊性 能，所有的加工方法都不十分理想，目前的实际应用中仍以磨削加工为主。为了推动 工程陶瓷材料的普及和应用，人们仍在不停地探索更有效的加工方法。从研究动态 看，有这样一种趋势：1 1 把两种或几种加工方法复合在一起形成一种新的加工方法。 如超声放电复合加工、电解放电复合加工、超声振动复合磨削等。这样不仅可大 大提高加工效率，而且可以提高工程陶瓷件的加工质量。 近年来，出现了将陶瓷加热使之软化后再进行切削的新加工方法。这种方法对 于硬质脆性材料的n i 有很大的实际意义。 1 3 激光加热辅助切削技术 1 3 1 激光加工技术 激光是2 0 世纪人类的重大科技发明之一，它对人类的社会生活产生了广泛而 深刻的影响。作为高技术的研究成果，它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前 沿领域，而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用。 激光的亮度高、方向性好的特点使光能可以集中在很小的区域内，因此，i i l 第一台激光器诞生以后，人们就开始探索激光在加工领域中的应用。随着激光技 术的发展，激光与材料相互作用研究的深入，激光加工已经成为加工领域中的一 种常用技术。激光加工作为一种非接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工 技术还具有信息时代的特点，便于实现智能控制，实现加工技术的高度柔性化和 模块化，实现各种先进加工技术的集成【引。 激光加工指的是激光束作用于物体表面而引起的物体成形或改性的加工过 程。按照光与物质作用的机理，可以分为激光热加工与激光光化学反应加工。激 光热加工是基于激光束照射物体所引起的快速热效应的各种加工过程。激光光化 学反应是借助于高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种n i 过程。两种加 工方法都可对材料进行切割、打孔、刻槽、标记。前者对于金属材料焊接、表面 激光加热辅助切削a 1 2 0 ，工程陶瓷村科的研冤 改性、合金化更有利，后者则适用于光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化p 1 。 目前，在工业发达国家中，激光切割、激光打孔和激光焊接技术已经在工业 界得到了1 1 泛应用，与此同时，激光表面改性技术、激光快速成型技术、激光清 洗技术等新技术的研究与应用也方兴未艾。 1 3 2 激光加工中常用激光器类型及其特点 1 c 0 2 激光器 c o ：激光器是激光加工中最常用的一种，属于红外不可见光，它的输出波长为 1 0 6 u m ，由于c 0 2 激光在电光转换效率和输出功率等方面所具有的明显优势，使 得这种激光得到了迅猛发展。此外，c o ：激光在高功率时光束质量的稳定性比较 好，这使得它在材料的强化处理中受热部分比较均匀。c 0 2 激光器的缺点是结构 复杂、体积大、维修要求较高。 2 y a g 激光器 y a g 激光器具有许多不同于c 0 2 激光器的良好性能。它输出的激光也属于红 外不可见光，波长为1 0 6 t x m ，与激光的耦合效率高，加工性能良好。y a g 激光能 以脉冲和连续两种方式工作，其脉冲输出的性能指标范围大，并可通过调q 和锁 模技术获得巨脉冲和超脉冲，使其范围比c 0 2 激光更大。它的缺点：是运转效 率低；二是y a g 激光棒的平均功率和光束质量的进一步提高；三是y a g 激光器 每瓦输出功率的成本费用比c o z 激光器高。 3 准分子激光器 准分子激光器是近年来出现的新型激光器之一，其工业应用尚在不断开发和 研究中。准分子激光为紫外短脉冲激光，波长范围为1 9 3 3 5 1 n m ，约是y a g 激光 波长的五分之一和c 0 2 激光的五十分之一，其单光子能量高达7 9 电子伏特，比 大部分分子的化学键能都高，直接深入材料分子内进行加工，其加工机理不同于 y a g 激光和c 0 2 激光。后两者的红外能量是以热传递的方式耦合进材料的。准分 子短波长易于聚焦，有良好的分辨率，可进行精密加工，且多数材料对紫外波段 的吸收率特别高，能有效的利用激光能量【l 们。 1 3 3 激光加热辅助切削技术 激光加热切削技术是在切削过程中以激光束为热源，对工件进行局部加热， 使其硬度和强度下降，从而达到提高难加工材料切除效率的目的。激光加热切削 优点是热源集中和升温迅速，而且还具有以下特点： ( 1 ) 由于激光是高能量密集型的，易于集聚成光束，加热部位可以限制在比较 小的范围内，对被加工材料的热影响小，引起的热变形甚微； ( 2 ) 激光束可以照射到工件的任何部位，并形成聚焦点，因而可以对被切削材 料实现有控局部加热。 硕士学位论文 最早开展激光加热辅助切削研究是美国的s m c o p l e y 和m b a s s 在1 9 7 8 年进 行的，采用激光照射切削刃前的材料进行辅助切削。c o p l e y 所做的实验得到以下 的结论： n ) 在形成切屑前，改变材料的性质，可以改变材料的切削性，但不改变切屑 下层的金相组织： ( 2 ) 降低切削力，提高切削速度，延长刀具寿命； f 3 ) 降低表面粗糙度，减少残余应力。 1 9 8 0 年，g o r s l e r 做的激光加热试验，采用硬质合金刀具切削高温合金。9 0 年代开始，德国的k o n i gw 等人首先在陶瓷切削加工中，采用了激光加热辅助切 削技术】。 2 0 世纪9 0 年代以来，全球的科研机构对激光加热辅助切削进行了大量的研 究。美国通用电气公司和南加利福尼亚大学用1 4 k w 的c 0 2 激光器对难加工材料 进行了激光加热辅助切削；希腊的佩特雷大学( u n i v e r s i t yo fp a t r a s ) 对激光加热辅 助加工做了综述性的研究成果；俄罗斯科学院( r u s s i a na c a d e m yo fs c i e n c e s ) 对激 光加热辅助切削时表面的温度进行了实时的测量，并在此基础上对工艺控制做了 研究；西班牙的迭比戈大学( u n i v e r s i d a d ed ev i g o ) 、美国的宾夕法尼亚大学 ( p e n n s y l v a n i as t a t eu n i v e r s i t y ) 、日本的千叶工艺研究所( c h i b ap o l y t e c h n i cc o i l ) 对 激光加工陶瓷材料进行了研究；法国的巴黎大学( u n i v e r s i t y p a r i s s u d ) 对激光辅助 加工微电子产品做了研究；德国的斯图加特大学( u n i v e r s i t a ts t u t t g a r t ) 运用y a g 激 光对玻璃进行了加热切削试验研究 1 2 以4 1 。 美国的帕杜大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 对激光加热辅助切削陶瓷材料的研究比较 多。他们通过对s i 3 n 4 、z r 0 2 陶瓷进行试验，建立了三维瞬时温度场传递的物理、 数学模型。他们根据原始试验曲线来分析、预测切削过程中工件表面温度的变化； 借助在线的温度测量和切削力测量，通过改变激光作用位置、激光能量、光斑直 径、激光扫描速度、工件转速、刀具进给量、切削深度等参数，进行切削力和刀 具磨损量的分析；并运用解析的方法进行了预测，得到了激光辅助切削s i 3 n 4 、z r 0 2 陶瓷材料有力的试验与理论分析数据1 1 5 - 2 1 】。 在激光加热辅助切削技术方面，国内的学者也做了很多有益的研究。上海交 通大学的王慧艺、李从心等人通过有限元分析的方法，对激光加热辅助铣削4 5 号 钢的三维温度场进行了仿真研究【2 孙。哈尔滨工业大学的王扬、马丽心等人对高温 合金、冷硬铸铁、s i 3 n 4 、z r 0 2 陶瓷、a 1 2 0 3 颗粒增强铝基复合材料等难加工材料 的激光加热辅助车削做了一定的工作，运用材料学中的位错理论阐述了激光加热 辅助切削的作用机理，利用有限元分析的方法建立了陶瓷材料加热后表面温度场 的物理、数学模型，建立了a 1 2 0 3 颗粒增强铝基复合材料的激光加热辅助切削的 物理模型【2 3 2 4 1 。 激光加热辅助坷削a 1 2 0 3 工程陶瓷材料的研究 1 3 4 激光加热辅助切削在加工中的应用 激光辅助切削高温合金取得了明显成效。加热使钢的强度极限有极大的下降， 且人多数材料在6 0 0 8 0 0 。c 之间有一个强度和硬度突变。难加工材料，如 i n c o n e l 7 1 8 的常规切削速度只有1 2 3 0 m m i n ，而采用激光辅助加热切削，其速度 可以达到5 0 0 m r a i n 。采用激光加热切削时，切削力与常规相比可下降3 0 6 0 。 刀具寿命延长2 1 0 倍。激光辅助加热切削使切屑形态发生转变。高硬度材料的切 屑由脆性断裂变为连续状。切屑形态的改变使加工件的表面质量得到改善。 常温下热压氮化硅陶瓷材料的硬度很高，其加工方法只有磨削，加工成本占 产品总成本的6 0 一9 5 。在激光加热下，氮化硅的硬度不断下降，在1 3 0 0 摄氏度 左右性能发生明显转变，此时可以用切削代替磨削。切削速度可达9 0 m m i n ，进 给速度可达8 m m m i n 。热压陶瓷作为刀具材料，其低成本的加工是其能够获得广 泛应用的前提。激光加热辅助切肖u 技术为其高效加工开辟了有效途径。 1 4 本文研究的内容和目标 本文研究的目的是探索激光加热辅助切削工程陶瓷材料的规律；建立加工过 程的理论模型并研究其数值模拟方法；初步探索激光辅助切削： 程陶瓷材料的工 艺规范。为此，本文从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 建立激光加热辅助切削工程陶瓷的数学模型，利用仿真手段得到加工过程 中工件上温度场的分布，初步分析激光加热辅助切削工程陶瓷的机理，并研究加 工工艺参数的影响规律： ( 2 ) 测量激光加热辅助切削氧化铝陶瓷试件过程中切削力的变化情况，研究加 工工艺参数对切削力变化情况的影响，并结合数值模拟研究的结果，初步得出激 光加热辅助切削工程陶瓷材料的工艺参数选用规律； ( 3 ) 通过对比在不同加工工艺参数条件下得到的加工表面质量，验证了数值模 拟和试验研究的结论，进一步完善了激光加热辅助切削工程陶瓷材料的工艺参数 选用规律； ( 4 ) 结合数值模拟和试验研究的结果，分析了改善激光加热辅助切削工程陶瓷 材料加工质量的因素，并据此给出了一些实用的建议。 硕上学位论文 第2 章激光加热温度场的模拟及辅助切削机理分析 本文研究的激光加热辅助切削是一个多因素综合作用的问题，其中工件上温 度场的分布情况对研究本身有着十分重要的意义，但由于客观条件限制，无法在 试验中测出较为准确的温度场分布。为了弥补试验手段的不足，本章采用数值模 拟的方法进行研究，并根据工程陶瓷硬度、强度等力学性能随温度的变化规律， 对激光加热辅助切削的机理进行分析，还从理论上分析了工艺参数的影响。 2 1 热传导问题简介 2 1 1 传热的基本方式 在自然界和生产技术中几乎到处存在着温度差，所以热量传递就成为自然界 和生产技术中一种非常普遍的现象。热量传递有三种基本形式：热传导、热对流 和热辐射，它们可以单独存在，也可以同时发生。 热传导也称导热，属于接触传热，是指直接接触的物体各部分间的热量传递 现象。法国数学物理学家约瑟夫傅立叶提出了导热的基本定律，即傅立叶定律： c o t q = 一k g r a d t = 一k 三( 2 1 ) 印为热流密度，即边界外法线方向单位面积上的热流率，w ，m 2 ；k 为材料的导热 系数，w ( m k ) ；c o t o n 是边界外法线方向上的温度梯度。 热对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移、冷热 流体相互掺混所引起的热量传递过程。其热流密度可以表示为： q = 吃( 一，) ( 2 2 ) 矗。为对流换热系数；r 为周围介质的温度。 热辐射是指物体通过向外界发射电磁波，在空间传递能量的现象。一个物体 表面所能发射的最大辐射能流密度为： q = e t r t 4( 2 3 ) 8 为灰度系数；口为黑体辐射系数= 5 7 6 8 1 0 。8 w ( m 2 - k 4 ) ) 【2 5 】。 对于具体问题，必须具备单值性条件，才能得到方程的唯一解，即必须给定 初始条件和边界条件。 初始条件描述的是在时间坐标为零时区域内的温度分布，而边界条件描述的 是区域边界上的温度或者热流密度。在传热学上一般将边界条件归纳为三类： ( 1 ) 第一类边界条件，也称d i r i c h | e t 条件，是指物体边界上的温度和温度函数 已知。用公式表示为： 激光加热辅助切削a 1 2 0 3 工程陶瓷材料的研究 r l 。= t w ，丁i 。= 凡仁，只0( 2 4 ) 式中，下标s 为物体边界范围；凡为己知的工件表面温度，为定值；正，亿只0 为 已知的工件表面温度函数，随时间、位置的变化而变化。 ( 2 ) 第二类边界条件，也称n e u m a n n 条件边界面上温度的法向导数是给定的， 这个法向导数可以既是时间又是位置的函数，表示为如下形式： a 下 在边界而& 处： = ，( ，t )( 2 5 ) 观 其中o o n ，表示在边界面& 处沿外法向的导数。这个边界条件等价于给定边界 面的热流密度的大小，因为当式( 2 5 ) 两边都乘以材料的导热系数之后，等式左边 就是边界面s ，的热流密度。 ( 3 1 第三类边界条件，又称r o b i n 条件，是指边界上的温度和它的法向导数的 线性组合是给定的，即 在边界面s i 处：t 婴+ 如7 1 ：胞f ) ( 2 6 ) u n 其中h ，为换热系数，岛为导热系数。 上面给定的边界条件的三种形式概括了实际问题中大部分的情形，实际遇到 的问题往往是上述三类边界条件的组合。 2 1 2 传热控制方程 传热控制方程的推导，是通过考察处于导热过程中的物质的微元体积的能量 平衡来进行的，如图2 1 所示。 图2 1 导热分析所用的微元f 2 7 1 对于图2 1 中的微元体n 根据能量守恒定理可以得出，单位时间内通过矿的 边界进入的热量与单位时间内v 内产生的能量之和就等于单位时间内v 内能量的 累积。运用数学公式可以将上述等价关系表达为一个等式，即： 一f q n d a + g ( r , t ) d v = 解掣咖 ( 2 7 ) 式中4 是体积元矿的表面积，”代表面积元枷外法线方向上的单位向量，盯 表示以处的热流密度向量；g m 表示物体内部的热源在单位容积、单位时间内的 发热量；p 是物体的密度；g 是物体材料的比热容。 对式( 2 7 ) 运用高斯定律，把其中的面积积分转化为体积积分，可以得到 扣g ( r 力埔沪p c ，掣旧 ( 2 8 ) 由于上式是对物体内一个任意的微元体v 进行推导，其体积非常小，可以将 等式中的积分符号去掉，再将描述傅立叶定律的式( 2 1 ) 代入，就可以得到有内热 源的各向同性物体的热传导微分方程： v 【胛r ( r ，f ) 】+ g ( r ，f ) ：p c p a t 葛( r _ , 一t ) ( 2 9 ) 在直角坐标系中，式f 2 9 ) 可以表示为： 昙( 七罢 十号卜茜) + 鲁( t 罢 + g = 呜导竽 c 2 t 。， 式( 2 i o ) 目p 为直角坐标系中的传热控制方程的一般形式。 2 1 3 求解方法 在对热传导问题进行求解方面，已经做了大量的工作，有不少的文献资料。 主要的方法可以分为精确解法、近似解法及数值解法三类。 1 精确解法 热传导控制方程是一个比较复杂的偏微分方程，对于此类方程，在数学上有 特定的解法。精确解法就是利用数学上求解偏微分方程的方法，求得热传导控制 方程的解析解。精确解法主要包括分离变量法、积分变换法和拉普拉斯变换法。 2 近似解法 精确解法适用于求解平板、矩形区域、圆柱、球及其他几何形状简单的物体 的线性热传导问题，只有很少数简单的非线性问题可以用分析的方法求解。因此， 文献中提出了很多用近似分析方法来分析某些情况下的稳态与瞬态的热传导问 题。此类方法主要有积分法、直接导至瑞利里( r a y l e i g h r i t z l 法与伽略金 ( g a l e r k i n ) 法的变分原理以及其他方法，在对大量工程问题获得近似解方面都是很 有价值的。然而，近似解法的准确性不好估计，因此在使用上有一定的局限性。 3 数值解法 数值解法是基于温度场离散化的概念，以导热代数方程代替微分方程，以数 值计算代替数学推导。其所得到的结果是一系列离散的温度值，而不以函数的形 式出现。其关键环节是：如何将温度场离散化，并找出描述离散化温度场的代数 激光加热辅助切削a 1 2 0 3 工程陶瓷村料的研究 方程。前者是关于离散点附近及节点之间的温度分布的设想，后者则是有关离散 化方程的推导。由于在这两方面的处理方法不同，出现了不同的数值解法，主要 有有限元法、有限差分法等，而有限差分法由于其在温度场方面成熟的运用以及 在编制程序时的方便性，故被本文采用。 对于求解的偏微分方程定解问题，有限差分方法的主要步骤如下：利用网格 线将定解区域化为离散点集；在此基础上，通过适当的离散化途径将微分方程离 散化为差分方程，并将定解条件离散化，这样就建立起了差分格式；建立差分格 式以后，原来的偏微分方程定解问题转化为代数方程组，通过解代数方程组，得 到由定解问题的解在离散点集上的近似值组成的离散解，应用插值方法便可以从 离散解中得到定解问题在整个定解区域上的近似解 2 9 1 。 2 2 激光加热模型的建立 2 2 1 激光光源的特征 激光加工要求将激光能量集中在一定区域内，因而激光的空间分布特性显得 比较重要。与此相关的问题包括激光的横模、激光传输过程中的发散与激光的聚 焦特性。对于本文中所涉及到的仿真计算和试验来说，主要的问题就是激光光束 的横模特征。 激光器都有两个相隔一定距离的反射镜组成的谐振腔。光波在反射镜之间的 多次衍射传播形成稳定的电磁场，这个电磁场只能存在于一系列分立的本征状态 之中，场的每一个本征状态都具有一定的振荡频率和一定的空间分布。通常将光 波场的空间分布分解为沿传播方向的分布和垂直与传播方向的横截面内的分御， 分别称之为纵模和横模。光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律，对激光 加工影响极大，而光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小3 。在 进行仿真计算时，为了简化计算，可以认为激光器的谐振腔内光场的横向为摹模 分布，即加工用的激光束为基模高斯分布。 激光是一种高斯光束，光强分布符合高斯分布的规律。光束在横截面中心光 强最大，随着离中心距离的增加按指数的平方下降。由于激光光强的8 6 5 是分 布在半径为n 的圆形范围内，此圆形范围成为高斯光束的“有效截面”，“为光束 的有效截面半径，简称高斯光束的半径。 激光器输出的基模高斯光束的光斑是一个圆斑，在圆斑范围内光强呈高斯形 分布。光束在横截面内光强分布的表示式为： 2 r 2 一7 i ( r ，z ) = i ( 0 ，z k 6 ( 2 1 1 ) 式中“0 ，z ) 表示离腔心距离为z 处横截面上中心点( ，= o ) 处的光强。而横截面上 一点到中心点的距离用，表示；i ( r ，z ) 代表该截面上离中心点距离为r 的光强。 硕十学位论文 为光强降落到中心点光强p 。2 倍时的r 值【3 1 。34 1 。 7 ( 0 ，痧e _ 2 j r o “， 图2 2 基模高斯光束光强分布口瓠 离腔心距离为z 处横截面上中心点p = o ) 处的光强为： ，p ，( o ，z ) = 三i( 2 1 2 ) 万t 刁 光斑半径，6 ( = ) 随光束传播距离z 而增加，在距离腔心距离一定的横截面上， 光斑半径是一个定值，用“表示。 2 2 2 假设条件 本课题研究的问题是激光加热辅助切削工程陶瓷，采用的