（机械设计及理论专业论文）Allt2gtOlt3gt陶瓷的激光铣削试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 a 1 2 0 3 陶瓷材料具有优异的绝缘、耐高温、抗腐蚀、耐磨损性能，广泛的应用于电 子工业和机械工业。但其加工一直是个技术难题，现有的加工方法存在效率低、加工表 面质量差、工具磨损等缺点，这些限制了陶瓷材料的广泛应用。为了发挥陶瓷材料的优 异性能，提高趟2 0 3 陶瓷材料的应用水平，需要研究新的加工方法。 将激光铣削技术引入到陶瓷材料成形加工领域，给陶瓷材料成形加工中存在的问题 带来新的解决办法。激光铣削作为一种非接触成形加工方法，避开切削力的作用，避免 了刀具磨损，是一种很有前途的成形方法，但是距离实际应用还有很大差距，需要进一 步研究。为了促进激光铣削技术的实际应用，本文做了如下工作： ( 1 ) 根据y a g 脉冲激光的特点，合理选择了计算激光铣削功率密度阈值的热传导 方程，计算了使m 2 0 3 陶瓷材料熔化的激光功率密度阈值，为合理选择激光铣削参数提 供依据。 ( 2 ) 进行了辅助同轴吹气a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削机理研究和加工工艺研究。以研究单 脉冲激光对陶瓷材料的影响为基础，研究了脉宽、离焦量和输出功率对凹坑尺寸的影响 规律，且从传热学和能量分布的角度对试验结果进行了分析，为大面积铣削提供了理论 基础和参数基础。在此基础上进行了凹坑重叠率试验，选择出合适的重叠率，进行大面 积激光铣削。研究了离焦量、辅助气体压力、输出功率等激光加工参数对铣削表面质量 和铣削深度的影响规律，建立了激光铣削的材料去除几何模型，描述了熔体喷射平台对 铣削效果形成的重要性。并在参数优化的基础上，进行了单层和多层铣削加工。 ( 3 ) 进行了基于变质层的a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削机理研究和加工工艺研究。利用扫描 电镜一能谱仪和x 射线衍射仪检测了变质层的成分和相组织，分析了变质层相对原a 1 2 0 3 陶瓷基体的成分变化和相组织变化，并在此基础上分析了变质层的形成过程与脱落原 因。在对重叠率、离焦量、输出功率等激光加工参数对铣削效果影响规律研究的基础上， 进行了铣削参数优化，得到了粗糙度达3 9 r n 左右的高质量激光铣削表面。分析了铣削 工艺路径对铣削面边缘质量的影响，发现环绕式铣削路径对表面边缘质量影响最小。采 用环绕式铣削路径进行的多层铣削试验表明，利用层层去除材料的方法可以得到稳定的 铣削效果，基于变质层的激光铣削方法可以作为a 1 2 0 3 陶瓷材料的三维成形方法。 本文的工作为激光铣削的实际应用提供了理论与试验的依据。论文提出了选择激光 铣削参数的方法和选择工艺路径的方法，对激光铣削的实际应用有一定的指导意义。 关键词：激光铣削；a i ：仉陶瓷；y a g 脉冲激光；变质层 大连理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d y o fl a s e rm i l l i n go na 1 2 0 3c e r a m i c a b s tr a c t a 1 2 0 30 既缸n i cm a t e r i a l sh a sm a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hi n s u l a t e dp r o p e r t y ， e x c e l l e n th e a t - r e s i s t a n t , h i 曲w e a r a b i l i t ya n dg o o de r o d e - r e s i s t a n tp r o p e r t y , i ti sa p p l i e di n d e c t r o m ci n d u s t r ya n dm e c h a n i c a li n d u s t r yw i d e l y b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tf o ru s i n g c o n v e n t i o n a lm e t h o d st om a c h i n ec e r a m i c ，w h i c ha l lh a v es o m ef a u l t s ，f o re x a m p l e , l o w e r m a c h i n i n ge f f i c i e n c y , l o w e rm a c h i n i n gq u a l i t ya n dt o o l sa l ew o m o u ts e v e r e l y t e c h n o l o g y o nm a c h i n i n gc e r a m i cn e e d st ob ei m p r o v e du r g e n t l y i ti sad e v e l o p m e n tf o rl a s e rm i l l i n gb e i n ga p p l i e do nm a c h i n i n gc e r a m i c d u r i n gl a s e r m i l l i n g , t h em a c h i n i n gt o o l sd on o tn e e dt ot o u c hw o r k p i e c e sd i r e c t l y , t h ew o r k p i e c e sc a n k e e po f fm e c h a n i c a lf o r c ea c t i o n , l a s e rm i l l i n gi sap r o m i s i n gm e t h o d h o w e v e r , l a s e r m i l l i n gs t i l lc a l ln o tb ea p p l i e di np r a c t i c en o w , i tn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h i n g , t h ef o l l o w i n g c o n t e n t sh a v e b e e nd o n ei nt h i st h e s i s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt oy a gl a s e rp r o p e r t y , ap r o p e rh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o ni ss e l e c t e dt o c a l c u l a t et h ep o w e rd e n s i t yt h r e s h o l do fl a s e rm i l l i n g t l i sp a r to fw o r ks u p p l y sf o u n d a t i o n f o rc h o o s i n gp r o p e rm i l l i n gp a r a m e t e r s ( 2 ) t h er e s e a r c h e so nt h e o r ya n dt e c h n i q u eo fl a s e rm i l l i n gw i ma s s i s t a n tb l o w i n ga r e d o n e n ed i s c i p l i n et h a tc r a t e rd i m e n s i o ni n f l u e n c e dw i t hp u l s ew i d t h , o u t p u tp o w e ra n d d e f o c u sd i s t a n c ei sr e s e a r c h e d ，a n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n ti sa n a l y z e db a s e do nt h e k n o w l e d g eo fh e a tc o n d u c t i o na n dt h ep o w e rd i s t r i b u t i n g , t h i sp a r to fw o r ks u p p l y st h e o r y f o u n d a t i o nf o rm i l l i n gi nl a r g ea r o a i nt h eo v e r l a pc o e f f i c i e n ts e l e c t i n ge x p e r i m e n t ，p r o p e r o v e r l a pc o e f f i c i e n tf o rg e t t i n gs m o o t hm i l l i n gs u r f a c ei sc h o s e n s o m er e s e a r c h e so nt h e d i s c i p l i n e so f m i l l i n ge f f e c ti n f l u e n c e dw i t hd e f o c u sd i s t a n c e , o u t p u tp o w e ra n da s s i s t a n tg a s p r e s s u r ea r ed o n e ，m a t e r i a lr e m o v i n gm o d e li sc r e a t e d ，t h ee s s e n t i a l i t y t of o r m i n gt h e r e m o v i n gp a t hi sm e n t i o n e di nt h i sp a r to fw o r k b a s e do no p t i m i z i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i n g ， s o m er e s e a r c h e s0 1 1m u l t i l a y e r sm i l l i n ga r ed o n e ( 3 ) t h er e s e a r c h e so i lt h e o r ya n dt e c h n i q u eo fl a s e rm i l l i n gb a s e do nd c t e r i o m t i v el a y e r w i t h o u ta s s i s t a n tb l o w i n ga r ed o n e e l e m e n tc o m p o s i t i o na n dc r y s t a lp h a s e so fd e t e r i o r a t i v e l a y e ra r ca n a l y s e db yu s i n ge n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o da n dx r da n a l y s i sm e t h o d a n d t h e nt h ef o r m i n gc o u r s ea n dd e s q u a m a t i n gr e a s o no fd e t e r i o r a t i v el a y e ra n dm i l l i n gs u r f a c e r o u g h n e s sa r ea l s or e s e a r c h e d b a s e do nr e s e a r c h i n gt h ed i s c i p l i n eo f m i l l i n ge f f e c ti n f l u e n c e d w i t ho v e r l a pc o e f f i c i e l l t ，o u t p u tp o w e ra n dd e f o c l l sd i s t a n c e , o p t i m i z i n gp a r a m e t e r si su s e dt o m i l l i n gc e r a m i ci nl a r g ea r e a , t h er e s u l ts h o w s t h a tt h es u r f a c er o u g h n e s sc a r lr e a c h3 p m a n d 笪! 垒堕堡塑堂堂塾型鲨堕窒 一 i nt h ee x p e r i m e n to fl a s e rs c a n n i n gp a t h , t h er e s u l to fr e s e a r c hs h o w st h a th i g hq u a l i t ye d g e s u r f a c ec a l lb eg o t t e ni nr o u n ds c a n n i n gp a t h t h ee x p e r i m e n to fm u l t i - l a y e r sm i l l i n gs h o w s t h a ts t e a d ym i l l i n ge f f e c tc a i lb eg o t t e ni nm u l t i l a y e r sm i l l i n gm e t h o d ，t h i sm e t h o dc 缸b e u s e dt og e tc o m p l i c a t e dc c r a l l i cs t r u c t u r e t h ew o r ki nt h i st h e s i ss u p p l i e se x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ra p p l i c a t i o n o fl a s e rm i l l i n g , a n dt h i st h e s i sp r e s e n t saw a yo fs e l e c t i n gl a s e rn u l l i n gp a r a m e t e r s ，w h i c h c a ng u i d et h ea p p l i c a t i o no f l a s e rm i l l i n g k e yw o r d s ：l a s e rm i l l i n g a 1 2 0 3c e r a m i e ；y a g p i l l $ el a s e r ；d e t e r i o r a t i v el a y e r i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：避日期：趔坐：坚 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：耋螋 新编璐坞 垒出年羔月土堑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 激光是本世纪继原子能和计算机之后，在6 0 年代初发展起来的又一项重大高新技 术。由于激光束具有单色性、相干性、能量高度集中性等优点，它将与计算机、生物工 程、新型材料等构成新技术革命的先导；激光加工技术集光、机、电、材料、计算机等 技术为一体，形成了激光加工基础理论和先进制造技术。近4 0 年来，激光加工技术发展 较快，已广泛应用于各个行业，如利用激光技术来进行焊接、切割、表面处理、打孔、 开槽及雕刻等i l 捌。 激光铣削是利用聚焦的高能激光束作用在材料表面，使作用区域的材料瞬间直接气 化、或者熔化同时利用辅助装置去除、或者剥离开基体，完成三维成形的加工方法。通 过控制脉宽、输出功率、离焦量等激光参数，辅以精密数控机床，可以完成复杂零件的 高精度加工。由于这种加工方法避免了与工件的机械力作用，在某些方面相对传统的加 工方法有很大进步，因此在材料成形加工领域，激光铣削技术的发展将有很深远的意义。 激光铣削技术的研究在国外开展比较早，国内的研究还处于开始阶段，并且激光铣削理 论的某些方面还处于推测阶段。本文的目的就是通过对a 1 2 0 3 陶瓷的激光铣削试验研究， 进一步研究激光铣削机理和工艺，为激光铣削的发展进一步奠定实验和理论基础。 1 1 课题背景 随着科学技术的发展，工程陶瓷件的应用越来越广泛。a 1 2 0 3 陶瓷主要性能特点是 高强度、高硬度、耐磨、耐高温和具有良好的绝缘性能，可用于喷砂用的喷嘴、纺织用 的导热器及火箭用倒流罩，也可作高温实验仪器及化工零件、轴承、内燃机火花塞、活 塞和触媒载体。用陶瓷来替代金属材料的运动零件( 活塞、活塞销等) 可以减轻零件的质 量，使内燃机减少摩擦、节约能源和减小振动。用陶瓷材料制成的机械密封环，可以延 长密封环的使用寿命，减少拆换次数，降低成本，提高效率【3 4 】。 一般陶瓷零件在毛坯烧结过程中有2 0 的收缩率【5 】，因此对于复杂结构高精度要求 的陶瓷元件很难通过热压烧结或铸造来达到使用的尺寸精度要求。且作为工件使用的工 程陶瓷，都有一定的形状尺寸精度和表面质量要求，必须进行再加工才能达到使用要求， 但后续加工费用昂贵，有的陶瓷件后续加工费用占整件费用的7 0 。陶瓷是由共价键、 离子键或两者混合的化学键结合的物质，在常温下对剪应力的变形阻力很大，且硬度高。 由于陶瓷晶体离子间由化学键结合而成，化学键具有方向性，原子堆积密度低、原子间 距离大，使陶瓷有很大脆性嘲，用常规加工方法难以加工，特别是加工高精度、形状复 杂的构件就更加困难了。人们尝试了用车削、磨削、钻削、珩磨等加工金属工件的方法 a 1 2 0 3 陶瓷的激光铣削试验研究 来实现对陶瓷零件的加工成形，但是对加工工具的损伤和对零件的表面质量的破坏以及 加工精度和效率的问题未能得到很好的解决。 近些年来，激光加工的应用越来越广泛。由于激光n - r 是一种非接触式的加工方法， 工件上无机械力的作用，这样减弱了机械力对工件表面的破坏作用。激光是通过瞬时升 高工件温度来去除材料的，这样激光加工适用于一些机械方法难加工的材料，因此在陶 瓷材料加工成形方面得到认可。 1 2a i ：0 。陶瓷材料的传统加工方法 加工a 1 2 0 3 陶瓷材料的传统方法有车削、钻削、珩磨、金刚石砂轮磨削、超声波加 工等。 工程陶瓷的车削加工其实质是利用刀具在陶瓷零件表面切削。当切削深度和进给量 较大时，由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大，在加工表面留有以裂痕和龟裂状为主的 加工损伤，影响零件的强度。而且刀具的前角愈小，裂痕将愈严重，刀具磨损严重，很 难实现低成本高精度大批量生产。车削加工很难保证零件的加工精度和加工质量的要求 【7 8 】。 目前钻削加工广泛采用金刚石空心钻加工直径数毫米以上的圆孔。由于陶瓷硬度极 高，在钻削过程中金刚石钻头磨损严重。此外，由于陶瓷的脆性很大，在孔的入口和出口 处崩刃现象严重，影响了孔的加工质量。目前机械加工方法仅限于数毫米左右直径的孔 加工。尚难获得理想的经济效果和表面加工质量，现正在不断努力开发新的钻孔加工方 法阁。 珩磨加工常用于陶瓷材料内孔表面的精加工。陶瓷材料珩磨面临的主要研究课题之 一是如何提高加工质量，发挥材料的优异性能。经实验证明，a 1 2 0 3 陶瓷材料的强度高、 脆性大，不易于加工，材料以脆性方式去除，加工表面存在脆性崩除留下的凹坑。加上 材料自身气孔率较高，所以加工后的表面粗糙度值很大【9 】。 磨削加工是陶瓷材料最主要的加工方法，脆性断裂是陶瓷材料去除的主要机理 d o j h 。金刚石砂轮的磨料粒度直接影响已加工表面质量，粒度较粗，加工效率提高，但 颗粒越大，已磨削表面越粗糙，产生的裂纹越大：若粒度较细，可以降低磨削后的表面粗 糙度，但颗粒过细，砂轮磨粒之间的容屑空间容易堵塞，磨削力增加，加快砂轮的磨损。 其加工特点如下：砂轮磨损快，磨削效率低，磨后零件使用强度大大降低。 硬脆材料用超声波加工是目前应用较普遍的方法之一。超声加工是靠磨粒和液体的 连续冲击、抛磨和空化作用去除工件上的被加工材料，完成所需的加工。但加工效率低 和工具磨损等问题限制了超声波加工在工业生产中的广泛应用【l ”。 大连理j = 大学硕十学位论文 针对以上的加工方法人们又发明了超声波辅助振动钻削5 1 、磁液磨削方法【1 3 】、超声 波振动磨削【1 4 】等复合加工方法，相对以上加工方法在一些方面有了很大的改善，但是在 陶瓷加工方面，加工过程中陶瓷表面裂纹的产生，加工工具的剧烈磨损以及加工效率低 等方面问题依然没有得到根本的解决。 1 3a i ：0 3 陶瓷材料的激光加工方法 1 3 1 激光加工的优点 激光加工是一种具有良好聚光性和位置控制性的不接触式加工方法，比刀具切削法 有更大的灵活性，其主要特点有： ( 1 ) 这种光热加工能够容易和c n c 机床结合在一起。激光加工是一种柔性制造，当 它与一些特定的机床结合在一起的时候，能够支持广泛的应用并能够达到高的精度。激 光加工不要求复杂的工作台运动，因此封闭的控制系统能够很容易与激光加工机床结合 在一起【1 5 。l 刀。 ( 2 ) 非接触式加工。工件与激光束没有接触式机械作用，因此在加工过程中，没有 工具的磨损。这种加工将保持高的尺寸精度和可重复性，不需要更换工具，与激光寿命 有关的工具损耗很低。 ( 3 ) 是一种直接的加工方式。激光加工成形方法是一种通过直接从毛批工件上去除 材料而形成零件形状的加工方式。因此中间阶段以及其辅助措施的错误将因此而被消 除，有关操作人员的影响因素也被排除，这样确保了加工效果的一致性。而且n c 程序 直接由三维c a d 模型直接导入，这是保持高精度和整个加工过程自动化的先决条件。 ( 4 ) 可以对很大范围的材料进行加工。作为一种光热加工方式，加工过程中并不存 在任何机械外力的影响。激光加工成形适合能够吸收激光光源的激光波长的光的任何材 料。像陶瓷，硬质合金，钛合金和镍合金，这些材料对于可见光与红外光都是不透明的， 它们都能够用激光光源的激光机来加工，如c 0 2 激光机，n d ：y a g 激光机【1 8 1 9 1 。对于一 些光学材料，它们在可见光谱和红外线区内是透明的，紫外线准分子激光可以被使用 【2 0 0 ”。对于那些对激光有低吸收率的加工材料，主要采用降低激光束的波长到飞秒范围， 来影响激光诱导材料破坏的机理阱】。 ( 5 ) 微机械加工的能力。由于微结构制造与其整个系统的需要，这就展开了一个激 光加工应用的新领域。从微米到纳米尺寸的加工特征都可以通过激光去除来加工【2 3 1 。这 种加工方法能被使用在那些不能用平版印刷技术来加工的材料。典型的例子是微电子方 面的微钻孔，光学显微镜头的加工，高精度传感器与微执行器的制造，微医疗装置的生 产加工 2 4 2 5 舶】。 a 1 ：0 3 陶瓷的激光铣削试验研究 因此研究对a 1 2 0 3 陶瓷材料的激光加工成形，将会为难加工材料的无损伤高精度成 形开辟一个良好的途径，提高难加工材料的使用性能，扩大难加工材料在工业生产中的 应用范围。 1 3 2a 1 2 0 。陶瓷材料的激光加工研究现状 自从1 9 6 0 年第一台激光器在美国发明以来，激光首先被用来对宝石这类硬脆性材料 进行加工。迄今为止，该技术已经扩大到所有难加工材料的孔加工，并被广泛应用于工 程中。例如，利用激光进行陶瓷和金刚石拉丝模孔的加工、硬质合金和各类难加工合金 的孔加工、石英和玻璃等各种材料的孔加工。在激光切割方面主要研究集中在陶瓷、硅 片、玻璃以及石材等材料的研究。此外，人们还利用激光切削陶瓷、激光辅助切削陶瓷 和难加工金属、激光辅助磨削陶瓷等研究。 针对影响材料的易加工性的本质和影响加工质量的机理，张珊等【2 7 】提出，陶瓷材料 的激光加工难易程度可用激光单位能量材料的去除量( m m 3 j ) 及去除率的大小描述。 材料激光加工属于热加工，材料的热学性能对加工有很大影响，由实验得知，最敏感的 热参数是熔点和热传导率。一般而言，材料的熔点越高，或热传导率越大，材料越难以 用激光加工，去除效率则越低，陶瓷材料也符合这一规律，可以用熔点和导热率a 的乘积n y = x g 值的大小来判断陶瓷材料的激光加工难易程度。应该指出，精细陶瓷 与金属相比，熔点虽然较高，但热传导率较小，因此，精细陶瓷一般比较容易用激光加 工。 针对激光加工脆性材料时裂纹的产生问题，人们开展了很多研究工作。在利用激光 进行去除加工时，由于照射部位和周围环境的温度差很大，产生很大的热应力，像陶瓷 这类硬脆材料脆性比较大，热稳定性差，若热应力的最大值超过材料的强度极限，将导 致材料损坏。因此陶瓷材料激光加工必须防止和避免裂纹的产生和断裂破坏，以确保激 光加工的质量。实验表明 2 8 1 ，陶瓷、石材、玻璃等难n i 材料经激光加工后的工件形貌 存在着熔融凝固层和裂纹两种缺陷，通常裂纹又分布在熔融凝固层上面，当热损伤达一 定程度后，裂纹便从熔融凝固层的厚度和裂纹长度成正比增加。张罡等人【2 9 】研究了y a g 激光切割a 1 2 0 3 陶瓷的重铸层，发现重铸层存在着贯穿其厚度方向的微裂纹，在重铸层 和基体的交界裂纹分叉沿界面扩展，在分叉处形成疏松或孔洞，从而降低重铸层和基体 之间的结合强度。 在陶瓷的激光打孔方面，由于连续激光较脉冲激光在加工过程中更易产生热震龟裂 纹，因此连续激光不适合应用于激光打孔，而脉冲激光更适合于激光打孔。对于脉冲激 光陶瓷打孔加工，影响陶瓷激光打孔质量的因素主要有：脉冲频率、输出功率、脉宽及 4 一 大连理工大学硕士学位论文 辅助气体的压力。针对打孔的精度和孔的质量问题，许多学者都进行了深入的研究。陈 锡让等【3 2 】人利用y a g 脉冲激光器进行工程陶瓷打孔实验研究，提出在峰值功率一定的 条件下，脉宽处于毫秒量级，工件加工表面存在裂纹，但随脉冲宽度的减小，裂纹长度 迅速减少；脉宽处于微秒量级时，表面裂纹已经不容易分辨了；当脉宽处于纳秒级别时， 可实现无裂纹的小孔加工。采用q 开关激光打孔，脉宽可控制在纳秒级别，可以控制裂 纹的发生。但在频率方面有一个临界频率，当超过这个界线后，导致重铸层过厚，产生 过多的裂纹。台湾的张铭峰等人【3 3 】模拟了单脉冲能量作用在陶瓷片上的能量分布状况， 并且估算了孔中心温度和孔径的大小。梁勇等人【蚓对a 1 2 0 3 陶瓷激光打孔重铸层进行了 研究，他们采用y a g 激光器，研究了脉冲频率、平均功率对重铸层的影响，并采用准分 子激光器进行打孔的对比试验，讨论了准分子打孔时，消除重铸层及重铸层裂纹的机 理，实验得出：y a g 激光打孔存在重铸层及重铸层裂纹，重铸层的厚度与平均功率有关， 与脉冲频率关系不大；平均功率增加，重铸层厚度增加；脉冲频率增加，孔径有所增加， 对重铸层厚度的影响不大，体现了对材料去除性的影响。准分子激光打孔不形成重铸层 及裂纹，但材料去除效率比y a g 激光低，只适用于微加工。 在激光切割方面，脆性材料的激光切割原理分为两种：一种为利用激光束产生的高 密度能量把材料气化或者熔化同时用高压气体将其吹离形成切缝分离材料的，另一种是 利用激光产生的高温控制陶瓷材料产生裂纹，引导裂纹形成割缝。熔化或气化激光气割， 由于在切口处有大的温度梯度和熔渣产生，因此会产生大量的龟裂纹，影响切口表面质 量。而断裂切割是通过光束引导裂纹产生形成无熔渣的切口，因此粗糙度很小，表面质 量会好很多，但是在微观方向上的裂纹四周扩散性，导致用热梯度来控制材料产生裂纹 很难，而且由于材料本身的不均匀性，断裂激光切割技术发展的十分缓慢。x y w a n g 等人【3 5 】利用n d ：y a 激光器，对2 m m 和5 m m 的陶瓷薄板进行了激光切割实验，建立了激 光加工参数与切口宽度、切口表面质量的关系。台湾的陈鸿文，蔡传晖等人【3 6 1 利用一个 n d ：y a g 激光源和一个c 0 2 激光源，首先用聚焦的y a g 激光在陶瓷材料表面划细的沟槽， 用来作为裂纹的引导线，然后利用散焦的c 0 2 激光源在沟槽上快速照射，用来产生热应 力控制陶瓷基体的断裂。发现在高速加工会使得陶瓷基体在厚度方向上出现不规则的断 裂区域，并且会产生基体在厚度方向上不能完全断裂的现象。针对陶瓷的断裂切割蔡传 晖等人 3 7 1 发明了一种断裂裂纹的在线检测系统，通过裂纹检测的图像技术与数控加工机 床的连接，激光加工机可以自动的根据裂纹的产生方向修改激光切割路径，达到高质量 断裂切削。 利用激光加热切削区进行辅助切削【3 钔，可有效的弱化或微熔该区，从而改善该区材 料的切削加工性，大大降低切削力，提高刀具耐用度和切削速度，同时激光加热减少了 a 1 2 0 3 陶瓷的激光铣削试验研究 振动，从而改善被加工表面质量，图1 1 a 为激光辅助切削的示意图。近些年来，许多学 者对传统机械加工的激光辅助) j i - r 进行了大量的研究。王扬，袁哲俊，郭立新等p w 针对 z r 0 2 陶瓷进行了激光辅助切削实验研究，他们通过对不同激光参数条件下，激光照射的 陶瓷表面的组织和物理性能的比较和对陶瓷热震性的检测提出：在激光功率较大时，对 z r 0 2 陶瓷加热后，影响层大致可分为结晶区和热影响区。而当激光功率较小时，激光照 射影响层的组织和基体的组织没有明显的差别，当激光功率密度高，扫描速度比较低的 条件下易产生热振裂纹。陈明，杜建华等人 4 0 - 4 2 对激光辅助磨削均作了深入的研究，都 提出利用激光将陶瓷磨削表面进行预热处理，可以使磨削区域软化，在这种状态下去除 材料，可以大幅度降低磨削力，减小磨削表面裂纹的产生，提高磨削表面加工质量，图 1 1 b 为激光辅助磨削的示意图。 飘冗累l 。警 i ， ( a ) 激光辅助切削 ( b ) 激光辅助磨削 图1 1 激光辅助加工示意图 f i g 1 1s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f l a s e r a s s i s t a n t m a c h i n i n g 1 ，4 激光铣削的国内外发展趋势 激光铣削是通过激光束与工件之间的热作用来去除材料的。由于在激光加工过程中 大量的参数的变化和工件材质的不同，到目前为止研究工作者提出了几种激光铣削加工 机理。 ( 1 ) 激光烧蚀机理：也就是指激光铣削过程中被激光照射区域的固体物质直接气化 导致物质去除的过程( 激光功率密度级别为1 0 9 j e r a 2 ) 。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 激光导致熔体喷射机理：即激光束的热作用使被辐照区域的固体物质在短时间 内熔融，并部分气化，在辅助气体和反喷物质所产生压力的作用下，以液体方式从固体 表面喷射出来，完成物质去除过程( 激光功率密度级别为1 0 6 j c m 2 ) ( 3 ) 激光引导裂纹致材料块状脱落机理：即利用激光束将铣削区域的固体材料划分 成一定深度的细小尺寸单元网格，然后用离焦的激光束加热划分的单元，使其在热应力 作用下块状脱落，完成物质去除过程。这种铣削方法主要应用于陶瓷等脆性材料的铣削 成形。 针对这几种加工机理国内外学者已经开展了不少实验研究工作。在激光铣削的领域 国外发展比较早。他们的研究主要是基于短脉宽激光的烧蚀微加工。 德国的d m g 公司在上世纪的8 0 年代末期就开始了对激光铣削的研究1 4 3 1 。他们利用 1 0 0 w 的调qy a g 激光，激光光束峰值功率输出控制在1 0 2 0 k w 之间，激光束的直径为 o 0 4 m m 或0 1 m m ，通过直接将材料气化完成去除加工。根据所需表面加工质量的不同， 激光束的去除厚度在l 5 ”m 之间，逐层加工，其加工表面粗糙度达1 岬。利用这种方法 进行铣削成形所面对的问题是加工效率比较低，且消耗昂贵，只适用于特殊材料或者特 殊需要的零件加工，不能在工业化生产中得到全面的应用。 英国的m e c 加工中心在上个世纪9 0 年代末期也开始了对激光铣削的研究。他们分别 从激光铣削的激光光源特性，不同材料的激光铣削特性、在加工过程中激光能量的吸收 特性、激光去除机理以及针对激光铣削而发展的c n c 机床技术作了深入的研究。他们采 用调qn d ：y a g 脉冲激光源，光束直径0 1 m m ，功率密度可达2 x 1 0 4 j m 2 ，扫描速度 5 0 0 0 m n l s ，将激光铣削机床与电脑的连接，把c a d 的三维模型转化为n c 数控代码，一 次性加工成形，铣削去除率可达6 m m 3 n f i n ，表面粗糙度1 0 0 m 。尽管在计算机控制铣削 加工等方面取得了一些进展，但其加工效率低以及随之而来的成本昂贵问题仍是无法摆 脱的难题【”。 近些年来国内也开始了对激光铣削的研究。本世纪初，华中科技大学的袁根福教授， 对激光铣削作了一些理论性的研究。针对激光铣削过程中熔体喷射的物理机理，进行了 温度场、物质排除喷射的速度场以及加工表面粗糙度的研究，并建立了相应的理论模型。 且分别对a 1 2 0 3 陶瓷、硬质合金、普通的石英玻璃、单晶硅片以及大理石进行了大脉宽 高能量的激光铣削实验，展开了国内激光铣削的研究。他们利用5 0 0 w 的y a g 脉冲激光 机，可以一次性铣削出2 m m 深度的型腔。然而在铣削过程中，由于无法避免的熔融物质 的重凝和熔渣对表面的覆盖，制约了表面质量的提高。图1 2 为a 1 2 0 3 陶瓷粗铣后的表面 形貌，可见表面布满了孔洞，表面粗糙度在1 0 1 2 p r o ，表面质量达不到使用要求。尽 a b 0 3 陶瓷的激光铣削试验研究 管可以利用高频率、低能量的激光器进行二次加工降低表面粗糙，但表面粗糙度也只能 降低到7 8 岬，且表面重铸层及所带来的表面裂纹问题，无法得到全面的解决【4 5 1 。 ( a ) 低倍照片( b ) 高倍照片 图1 2a 1 2 0 3 陶瓷铣削表面形貌 f i g 1 2m i l l i n g $ 1 l r f a c et o p o g r a p h yo f a l 2 0 3c c * r a l n i c 肇二转 l 1 ，略# _ _ 翱嘲*0 ! | 蠼- - 一 l ! 竖竺! 兰塑! 璧l ( a ) 激光铣削系统( b ) 铣削面表面形貌 图1 3 激光铣削系统和a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削表面形貌 r i g 1 3h m m i l l i n gs y s t e ma n dm i l l i n gs u r f a c et o p o g r a p h yo fa 】2 协c l m i c 同期，台湾华梵机械工程学院的蔡传晖和陈鸿文也进行了大量的激光铣削研究。他 们针对激光致脆性材料块状剥落机理进行了甜2 0 ；陶瓷的激光铣削试验。在研究过程中 他们主要利用了有限元分析的方法，将要去除的区域分成立体的层层网格单元，分析由 于激光热源的影响而导致的脆性断裂行为j 。他们采用c 0 2 激光源和n d ：y a g 激光源组 成的双激光源系统。先用n d ：y a g 激光源在材料表面划出第一层网格，产生第一层断裂 的单元网格，并达到预定的单层深度。然后用离焦的c 0 2 激光源重新扫描n d ：y a g 激光 大连理= 大学硕士学位论文 源在材料表面产生的裂缝，使产生热应力而导致单元的块状脱落，完成单层的去除。图 1 3 a 为他们的激光加工系统，图1 3 b 为选择边长2 5 m m 、厚度0 7 5 r a m 的三角单元进行断 裂激光铣削后得到的1 0 m m x l o m m 的正方形型腔，可见表面留有激光划线时留下的孔洞， 表面的粗糙度很大，不满足直接使用的要求，需要进一步研磨才能够使用，对于这方面 的研究仍要继续发展下去。 纵观激光铣削的发展趋势，可以清楚地看出，国内外学者针对陶瓷等硬脆材料基于 不同的铣削机理，进行了大量的研究工作，并在一些方面取得了一定的进展，但目前所 进行的研究工作仍然处于基础研究阶段。国外学者利用高峰值功率的激光束进行铣削成 形，去除效率比较低，不能够满足大批量生产的需求。国内学者为了能够使陶瓷材料的 加工满足大批量零件生产需求，都尝试了高效铣削成形的试验研究，尽管较国外研究有 很大进步，但铣削面表面粗糙度过大和表面重铸层对表面质量的破坏等问题制约了研究 工作的进一步发展。 本论文在对a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削机理研究的基础上，主要针对提高铣削效率和获得 高质量铣削表面两方面展开研究工作，来完善激光铣削理论，促进激光铣削方法在生产 实践中的应用。 1 5 论文工作 本论文采用辅助同轴吹气激光照射和无辅助气体激光照射的两种方法对舢2 0 3 陶瓷 进行铣削试验分析。论文工作主要分为两部分： ( 1 ) 辅助同轴吹气条件下，a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削试验。 ( 2 ) 无辅助气体条件下，基于变质层的a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削试验。 在辅助同轴吹气舢2 0 3 激光铣削试验中，主要工作如下： 通过对热传导方程的合理选择，求解出使甜2 0 3 陶瓷材料熔化的激光功率密度 阈值。 脉冲激光铣削是通过激光单个脉冲作用形成的凹坑部分重叠而得到铣削表面形 貌的，所以激光单脉冲形成的凹坑大小和深度对铣削效果起重要作用。为此，研究脉宽、 离焦量和输出功率对凹坑尺寸的影响规律，从传热学和能量分布的角度对试验结果进行 分析，为提高铣削效率和优化铣削参数打好基础。 进行凹坑重叠率试验，选择出合适的重叠率。然后选择合适的输出功率、离焦 量进行大面积铣削，研究离焦量、输出功率对大面积铣削效果的影响规律。 采用测厚仪对铣削深度进行测量，采用光学显微镜对铣削表面进行观察，采用 表面轮廓仪对表面进行粗糙度测量，对铣削效果进行综合评定。 虬0 3 陶瓷的激光铣削试验研究 采用优化的工艺参数进行多层铣削，研究多层铣削的稳定性，验证利用辅助同 轴吹气激光铣削加工方法对a 1 2 0 3 陶瓷材料进行复杂结构成形的可行性。 无辅助气体条件下，基于变质层的a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削试验中，主要通过照射a 1 2 0 3 陶瓷材料，使材料气化、熔体迸发以及去除变质层来完成铣削加工的。将展开以下工作： 利用扫描电镜一能谱仪检测变质层的成分，分析变质层相对原a 1 2 0 3 陶瓷基体的 成分变化。利用x 射线仪检测变质层相组织，分析变质层相对a 1 2 0 a 陶瓷基体的相组织 变化。通过对变质层断面和表面形貌的观察，分析变质层的形成过程及脱落的原因。 选取不同的激光加工参数进行激光铣削实验，建立激光加工参数与铣削量及表 面粗糙度的关系，通过对铣削量和表面加工质量的综合评定，确定基于变质层的a 1 2 0 3 陶瓷激光铣削的最佳工艺参数范围。 在铣削参数优化的基础上，进行铣削路径优化，研究不同铣削路径对表面边缘 质量的影响。 在优化工艺路径的基础上，研究多层铣削工艺，通过对铣削深度和表面粗糙度 的检测，进行多层铣削的稳定性分析，验证利用基于变质层的激光铣削方法对a 1 2 0 3 陶 瓷材料进行复杂结构成形的可行性。 大连理_ 大学硕十学位论文 2 激光铣削的基本原理 2 1 激光与材料的相互作用 激光的特点是：单色性、相干性、方向性、能量密度的高度集中性。激光束和其它 光束一样，也可以通过透镜或金属反射镜加以聚焦，由于发散角小，激光经聚焦后可以 将激光的巨大能量聚焦到直径为光波波长量级的光斑内，形成极高的能量密度，可达到 1 0 5 1 0 1 3 w c r n 2 的功率密度，激光加工主要利用激光能量的高度集中性。 激光入射到材料表面，一部分被反射，一部分被材料吸收，另一部分通过材料透射。 用疡表示入射到材料表面的激光能量，风表示被材料表面反射的激光能量，厶表示被 材料表面吸收的能量，研表示透过材料的激光能量，则由能量守恒定律有 e r + e + e r = e o 上式可改写为 鱼+ 鱼+ 生：r + 4 + r ：1 e oe o e o 式中r 为反射系数，彳为吸收系数，丁为透射系数。 对于不透明材料，透射光也被吸收，即t = 0 ，则有 r + a = 1 材料所吸收的激光能量向材料内部深入。按朗伯定律， 度按指数规律衰减，深入表面以下z 处的光强为： l ( z 、= i o e 一“ ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 随深入路程的增加，激光强 ( 2 4 ) 矗为材料表面( z = o ) 处的透射光强，4 为吸收系数，如果把激光在材料内的穿透 深度定义为光强降至而e 时的深度，则穿透深度为，4 。 不同材料对于不同波长光波的吸收和反射有很大差别。金属对激光的吸收与波长、 材料特性、温度、金属表面状况等因素有关。由于金属中存在密度很大的自由电子，光 子能量较低的红外光照射金属时，主要对金属中的自由电子起作用，所以反射强烈。光 洁表面金属在室温下对红外激光的吸收系数很小，约为0 ，0 5 o 3 左右。当温度升高到 接近熔点时，吸收系数达到0 4 0 5 左右，当温度接近沸点时，吸收系数高达0 9 。 a 1 2 0 3 陶瓷的激光铣削试验研究 非金属与金属不同，其结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。绝缘体和半 导体在不受激发时仅存在束缚电子，束缚电子具有一定的固有频率。当入射光波频率在 其束缚电子频率附近时，材料对激光的吸收系数很大。 激光照射材料表面时，激光能量被材料表层所吸收，并转化为热。材料的加热过程 是光