激光辅助高速微车削Cf/SiC陶瓷基复合材料切削力影响因素试验研究

田纪文，许金凯，翟昌太，聂小雨，孙贵斌，于化东

(长春理工大学跨尺度微纳制造教育部重点实验室，吉林长春 130022)

0 前言

随着航空航天技术的发展，对航空航天材料在高温下的使用性能有了更高的要求。碳纤维增韧碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料因具有耐高温、强度高、韧性好以及耐腐蚀等优点，成为继C/C复合材料后最具有发展前景的新型耐高温材料之一，在国防和航空航天等领域具有广阔的应用前景。但C/SiC陶瓷基复合材料属于各向异性且难加工材料，在常规微切削时易产生毛刺、分层、撕裂、崩边等缺陷，影响加工质量，甚至造成报废，因此，寻找一种高效率、高精度、高质量的C/SiC陶瓷基复合材料加工手段一直是研究人员追求的热点。WANG等对C/SiC陶瓷基复合材料旋转超声波加工(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)中的表面生成机制进行了研究；魏臣隽等采用电火花加工方法对一种连续陶瓷纤维强化陶瓷基复合材料进行加工，并比较了排屑条件对加工性能的影响；翟兆阳等分析了激光加工陶瓷基复合材料(CMC-SiC)中出现的典型热致缺陷,阐述了超短脉冲激光在CMC-SiC精密加工中展现的优势。

激光辅助切削加工(Laser Assisted Machining，LAM)技术通过激光加热软化切削区材料，再利用刀具进行切削加工，与常规加工(Conventional Manufacture，CM)相比在降低切削力、延长刀具寿命、提高加工质量和加工效率等方面展现出许多优势。目前的研究中，极少有利用激光辅助高速微切削技术对C/SiC陶瓷基复合材料进行研究，为此，开展此方向研究十分重要。在微切削过程中，很多因素会对工件最终的表面质量造成影响，其中切削力无疑是非常重要的一项。其大小受工件材料、切削参数、刀具参数等因素影响。切削力的大小对于切削热、刀具磨损和已加工表面质量都具有直接的影响。为此，优化加工参数来改善C/SiC陶瓷基复合材料激光辅助高速微切削过程中切削力大小显得十分迫切。

本文作者通过自行设计并搭建的小型激光辅助高速微车削数控机床，在3D针刺编织结构C/SiC陶瓷基复合材料上进行了不同加工参数(激光功率密度、工件转速、切削深度、进给速度)对切削力影响规律的单因素试验以及正交试验，利用正交试验结果进行方差分析得到最优加工参数组合，以达到改善C/SiC陶瓷基复合材料切削过程中切削力大小的目的。

1 试验设备和试验方案

试验材料为=6 mm的3D针刺编织结构C/SiC陶瓷基复合材料棒料，材料实物及微观结构如图1所示。所用加工设备为自行研制的小型激光辅助高速微车削数控机床(如图2所示)，该设备主轴最高转速为100 000 r/min，通过数控程序实现完整的切削过程，切削精度可达2 μm。其中激光辅助加热过程中所使用的激光器为美国IPG Photonics公司出品的YLR-300-MM-WC-Y11光纤激光器。所用刀具为耐磨、耐热性能好，硬度较高的CCGW0602-02H硬质合金刀具，刀片厚度为2.38 mm，刀片前角为7°，刀尖圆弧半径为0.2 mm。试验过程中采用瑞士Kistler公司出品的六分量切削力测量系统来采集切削力，测量系统实物如图3所示。

图1 Cf/SiC陶瓷基复合材料实物及微观结构

图2 激光辅助高速微车削数控机床

图3 切削力测量系统

分别以工件转速、切削深度、进给速度、激光功率密度作为变量进行单因素试验，探究不同加工参数对激光辅助高速微车削C/SiC陶瓷基复合材料切削力的影响规律。随后对上述4种加工参数进行四因素四水平正交试验研究，正交试验参数如表1所示，通过计算分析得到不同加工参数对切削力的影响程度以及最优加工参数组合。

表1 正交试验参数

试验过程中激光器发射出的光斑始终保持在C/SiC陶瓷基复合材料工件正上方，激光器与刀具相互垂直且固定不动，在数控程序的控制下实现同步进给，试验原理图如图4所示，与此同时，切削力测量模块实现了对切削过程中切削力的实时监测。

图4 试验原理

2 试验结果及分析

在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力即为切削力。切削时刀具的前刀面和后刀面都承受法向力和摩擦力，这些力组成合力。在外圆车削时，一般将这个切削合力分解成3个互相垂直的分力：切向力，它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常称主切削力；径向力，在平行于基面的平面内，与进给方向垂直，又称背向力；轴向力，在平行于基面的平面内，与进给方向平行，又称进给力。分力示意如图5所示。

图5 各方向切削分力示意

切削试验过程中通过切削力测量模块对加工过程中产生的切削力信号进行采集，随后经动态信号采集分析系统对采集到的切削力信号进行处理，整理后得到的、和3个方向的切削力散点图，如图6所示,此时=160 W/mm、=5 000 r/min、=5 μm、=25 mm/min。在切削过程开始后，切削力快速增大至其平均值附近并形成规律的振动状态。选取整理后的切削力散点图中变化稳定区域的切削力平均值作为每组试验的最终结果。

图6 切削力散点图

2.1 单因素试验结果及分析

分别以工件转速、切削深度、进给速度、激光功率密度为变量，开展对切削过程中主切削力、背向力、进给力的单因素试验研究，整理试验数据，分析各加工参数对不同方向切削力的影响规律。图7为其影响规律图。

图7 不同加工参数对切削力影响规律

2.1.1 工件转速对切削力的影响规律

图7(a)所示为进给速度=10 mm/min，切削深度为=20 μm，CM与LAM(功率密度=320 W/mm)条件下，不同工件转速所对应的各个方向切削过程中切削力变化规律对比。可知:在CM条件下，、和3个方向的切削力随着工件转速的增大，呈现出了逐渐下降的变化趋势，但各个方向切削力值均大于相同条件下LAM时的值。由此可见，与CM相比,LAM技术可以降低切削过程中切削力大小，使C/SiC陶瓷基复合材料变得易于切削，其中切削力下降最大幅度为81.436%。在激光辅助高速微车削过程中，随着工件转速的提高，与呈现出了逐渐增大的变化趋势，变化规律基本相同，且始终保持>，则随着工件转速的提高呈现出先增大后趋于平缓上升的变化趋势。其原因如下:CM条件下，刀具切削过程中，随着工件转速的增加会使切削力增加，切削力增加会使切削功率增加，根据能量守恒定律这时切削热也会增加，切削热的累积导致材料软化，材料强度降低，切削力降低；其次，切削区域中第二变形区切削温度的上升也在一定程度上改善了刀具与切屑接触面之间的摩擦状况，使切屑的流出阻力减小；再者,切削速度的增加会使材料的变形率增加，这样就会导致材料强度降低而降低切削力。当引入激光光束后，激光光束的高能量可以使工件待加工区域温度迅速升高，强度降低，塑性增强，变得易于切削，从而LAM条件下切削力值小于CM。随着工件转速的增大，激光能量与C/SiC陶瓷基复合材料的作用时间变短，导致激光加热软化效果变差，由于此时激光能量对待加工区域温度起到决定性作用，从而切削力呈现出了一定程度的增大趋势。

2.1.2 切削深度对切削力的影响规律

图7(b)所示为加工参数一定条件下，不同切削深度所对应的各个方向切削过程中切削力变化规律。分析可知:随着切削深度的增加，与呈现出了增速逐渐降低的增大趋势，则表现出了逐渐升高的变化趋势;同时在切削深度变化区间内，与数值上下交替升高，且二者数值相差不大。产生上述变化规律的原因:沿着激光加热区域的径向方向，降温幅度越来越大，随着切削深度的逐渐增大，切削层最低层的温度越来越低，从而不利于切削，导致切削力增大。此外，由于切削宽度和切削层横截面积随着切削深度的加深逐渐增大，导致切削过程中切削变形和摩擦变大，从而切削力增大。

2.1.3 进给速度对切削力的影响规律

图7(c)所示为工件转速=6 000 r/min，切削深度=20 μm，功率密度=320 W/mm条件下，不同进给速度所对应的各个方向切削过程中切削力变化规律。可知：不同进给速度下，、和3个方向的切削力大小关系为>>，并且进给速度对3个方向切削力的影响均近似呈一次函数分布，进给力的斜率最小为0.028。这是因为随着进给速度的提高，单位时间内刀具进给量增加，切除的体积增大，刀具磨损随之加剧，从而导致切削过程中切削力增大，产生了上述变化规律。

2.1.4 切削深度对切削力的影响规律

由图7(d)可知：随着激光功率密度的逐步增大，、和3个方向的切削力呈现出了逐渐下降的变化趋势，其中主切削力的下降幅度最大；与激光功率密度=160 W/mm相比，=400 W/mm时值的下降幅度为49%。分析其原因：其他加工参数一定的情况下，当激光功率密度较低时，材料没有吸收到足够的激光能量，C/SiC陶瓷基复合材料切削层的温度较低，不利于切削，导致切削力较大；当激光功率密度足够大时，材料吸收到足够的激光能量，切削层温度较高，材料软化效果明显，工件变得易于切削，从而切削力呈现出大幅度降低的变化趋势。

2.2 正交试验结果及分析

由于C/SiC陶瓷基复合材料切削过程所消耗的切削功主要取决于主切削力(文中为拉应力)，现对主切削力进行已选定的四因素正交试验，对试验结果进行方差分析，确定各加工参数对主切削力的影响程度次序，并对加工参数进行合理的优化匹配，获得最优主切削力参数组合。试验方案及结果如表2所示。

表2 正交试验方案及结果

(1)

(2)

整理正交试验中的数据，得到不同加工参数对主切削力影响的变化规律，如图8所示。从中发现，功率密度与工件转速对主切削力的影响趋势与其单因素试验条件下相同，验证了功率密度与工件转速对主切削力的影响规律。

图8 正交试验下不同加工参数对主切削力的影响

3 结论

对C/SiC陶瓷基复合材料进行了激光辅助高速微车削试验，通过单因素试验法分析了不同加工参数对各个方向切削力的影响规律；随后进行正交试验，利用方差分析法得出了不同加工参数对主切削力的影响程度以及最优加工参数。试验结论如下：

与常规高速微车削方式相比，激光辅助高速微车削技术可以明显降低C/SiC陶瓷基复合材料切削加工时、和3个方向的切削力大小，使其变得易于切削，切削力下降最大幅度为81.436%。

工件转速、切削深度、进给速度对各方向切削力的影响均呈现出一定程度的正相关性，而激光功率密度对其影响则完全相反。

切削过程中，各试验因素对主切削力的影响从大到小依次为: 功率密度、工件转速、切削深度、进给速度。当功率密度=400 W/mm，工件转速=4 000 r/min，切削深度=20 μm，进给速度=20 mm/min时，值达到最佳水平。此时，值为1.831 N。