钛合金激光砂带加工的离焦控制与表面形貌

　　摘要：钛合金由于其优越的热机械特性(耐高温和耐腐蚀)而广泛应用于航空航天、核电领域，但其独特的低导热系数、高强度和加工硬化性能导致其加工困难，表面完整性难以保持。激光辅助加工方法可以有效地提高难切削材料的切削性能，提高其表面完整性。提出一种激光加工与砂带磨削融合的特种加工方法(激光砂带加工方法)，建立了激光砂带加工的焦点控制运动模型，通过对焦点的控制实现利用激光加热特性和砂带磨削柔性特性快速去除材料，在自行搭建的激光砂带加工实验平台进行了加工实验，对不同离焦量下激光砂带加工的钛合金样品的表面三维形貌、微观结构进行了分析和比较。结果表明，激光砂带加工过程中离焦量的大小极大程度影响了激光的能量分布，导致激光砂带加工机理发生变化，离焦量的减少导致表面粗糙度先从8.07μm减少到7.40μm然后增加到22.1μm，材料的气化和熔化去除现象更加明显。最后证明了激光砂带加工方法可以改善钛合金的加工性能，可以提升表面的耐磨损性能，具有广阔的应用前景。

　　关键词：钛合金材料;激光砂带;离焦控制;表面形貌;热机械特性

　　高强度材料(如钛合金)由于其优越的热机械特性(如耐高温和耐腐蚀)，即使在恶劣的工作环境中也能保持制造部件的稳定工作，在航空航天、核电医疗等高附加值行业中得到了广泛应用[13]。然而，它们独特的性能，如低导热系数、和加工硬化，导致其加工困难(如刀具严重磨损、工件表面完整性不良和材料去除率低)。激光辅助加工(Laserassistedachining,LAM)作为提高难切削材料切削性能方法的经典代表，具有降低切削力、抑制颤振、提高生产率、延长刀具寿命等优点。

　　砂带磨削作为一种柔性加工方法，应用于铣削、车削等加工方式的后处理加工，在提高工件表面完整性和加工效率方面有着不可比拟的优势，在复合加工方面有着巨大的潜力，却一直未被开发1012。由此本文提出激光砂带加工方法，实现激光和砂带的优劣势互补，探究其材料去除机理和表面完整性的形成。在激光辅助车削方面，Kannan等[1对激光车削氧化铝材料进行了研究，其结果表明随着激光扫描速率增加，材料受照射时间减少，材料软化程度下降，切削力增大，最后得到了最优加工参数组合。

　　Habrat等14利用Altin涂层刀具对Ti6Al4V工件进行了激光辅助车削试验，研究了激光加热对切削力、切削温度、刀具磨损和组织变化的影响，结果表明马氏体相变发生在工件热影响区的顶部，激光光斑直径越小，马氏体区越厚，且分布均匀，降低的车削力值归因于激光加热的有益效果。

　　Dandekar等对比研究了车削和激光辅助车削Ti6Al4V的切削力、比切削能、表面粗糙度、显微组织和刀具磨损，激光辅助车削显著改善了钛合金Ti6Al4V的可加工性，降低了比切削能量，改善了表面粗糙度，最佳材料去除温度为250℃，在此温度下激光辅助车削刀具寿命比常规加工提高1.7倍。在激光辅助铣削方面，Kumar和elkote15激光铣削A2工具钢时发现，相比于传统铣削，材料去除率提高倍，切削力降低69%，毛刺更少，刀具损坏程度明显降低。Oh和ee16研究了激光锐角铣削，通过控制预热距离和激光束焦点与刀具距离，以保持材料受热软化程度，从而降低切削力和刀具磨损，提高材料去除率，得出了最佳距离和锐角角度。

　　Hedberg等17研究了激光辅助铣削Ti6Al4V(Ti64)工件，实验表明进给方向和加工方向的切削力分别降低了30%和50%，刀具的总寿命没有下降，表面未产生有害的热影响区和相变。Bermingham等18比较了激光辅助铣削、干式铣削、溢流乳化液铣削、微量润滑铣削和微量润滑激光辅助铣削过程中的刀具寿命，常规冷却液可提供优异的刀具寿命，但在较高的切削速度下，冷却液会因热冲击疲劳而降低刀具寿命;微量润滑可以减缓热相关磨损过程的速率，使激光辅助铣削刀具寿命提高倍。

　　在激光辅助磨削方面，Hu等19研究了激光辅助微细磨削硬质合金，探究了聚焦位置、砂轮结合剂、激光变量和磨削参数对微磨削表面的影响，结果表明适当的激光能量可减少硬质合金微细磨削边的边缘裂纹和切削毛刺，降低表面粗糙度，提高表面质量;微细磨削表面粗糙度取决于工件熔点和磨削深度，主要影响因素是激光功率和磨削深度。Zhang等20开展了激光辅助磨削Ti6Al4V性能研究，发现与常规磨削相比，激光辅助磨削的磨削力降低了45%~56%，磨削温度降低了41%~52%。

　　Ma等研究了激光辅助磨削氧化锆陶瓷的表面质量、表面形貌和亚表面损伤，结果表明，激光辅助磨削可以实现延性区域磨削，显著氧化锆陶瓷的表面完整性，改善氧化锆陶瓷的可加工性。Li等22研究了激光辅助磨削RBSiC陶瓷材料去除机理、磨削力比、工件表面温度和表面完整性，实验结果表明激光辅助磨削降低了磨削力、表面粗糙度和亚表面损伤，表面粗糙度和亚表面损伤深度均随激光功率和砂轮转速的增大而减小，随进给速度和切削深度的减小而减小。

　　尽管，激光辅助加工已经在难加工材料领域展现了极其巨大的应用潜力，但目前尚未有激光焦点远离加工平面对加工质量的影响研究，这限制了激光热效应的充分利用。此外，目前激光辅助加工过程中焦点控制的研究尚未完善，在激光砂带领域更是寥寥无几。因此，为了探究激光辅助加工中离焦量对加工机理和加工表面质量的影响，在上述研究的基础上，提出一种基于单颗粒砂带磨削模型的激光砂带离焦加工控制模型，通过不同离焦量下的加工实验，探究了离焦量对加工表面形貌和表面组织变化的影响。

　　1激光砂带离焦加工原理

　　1.1激光砂带加工原理及模型激光砂带加工技术是基于激光加热特性和砂带磨削柔性特性快速去除材料而提出的新兴加工技术。激光与砂带同时作用于加工区域，激光的热效应可以有效提升钛合金材料、高温合金材料等难加工材料的可加工性能，从而使材料砂带磨削后的表面质量得以提升。而由于砂带磨削时，磨削的区域为接触轮的下方，在激光垂直入射的情况下，难以实现激光砂带的同时有效作用于加工区域。

　　在激光头处增加了一个反射镜来调节入射激光的角度，让激光和砂带同时偏置一定的角度，使得激光入射到砂带与加工表面接触的地方，达到激光与砂带共同作用加工区域的效果。同时，通过数控系统控制激光砂带的运动轨迹从而实现协同加工。

　　由于激光的频率和传播速度大，在磨粒切削之前就已经照射到材料表面。对于金属材料，材料表面的原子不断地吸收激光光子，表面的温度上升，形成一定的热影响区域，磨粒在工件表面滑擦，产生塑性变形。而由于表面材料大量吸收光子后温度急剧上升，表面部分材料会发生表面蒸发，并在加工的表面形成少量的等离子体。随着时间的增加，表面的温度逐渐上升，当达到材料的熔点时，材料发生熔化，形成熔池。

　　此时材料的物理性能发生了变化，更容易被磨粒的切削去除。当激光作用到材料表面的时间达到一定程度后，激光在材料内穿过一定深度后最终会被工件全部吸收。激光能量被表层材料吸收后，在表层材料的上下表面均会发生气化，上表面产生的气体上升形成等离子体，同时气体的反冲作用使表面材料受到一定的反冲压力，使表层材料向下凹陷;下表面产生的气体由于表层材料的阻碍而积聚在材料内部。因此，激光砂带加工过程是极其复杂的，还需要进一步研究揭示其作用过程。

　　离焦加工控制模型由于激光能量分布为高斯分布，焦点中心区域的能量密度最高，沿四周方向逐渐减弱，激光加工过程中焦点中心和四周的作用效果并不相同。而激光砂带加工技术主要利用了激光的加热特性，激光能量的非均匀分布对激光的热作用会造成一定的影响。最初加工时，激光焦点处于所加工材料的表面，但持续一段时间后，由于表面材料被去除，材料的待加工表面会处在一个有一定离焦量的加工情况下。

　　在该情况下，由于激光的离焦，其实际材料表面激光的能量分布会发生变化，导致加工去除量和加工表面的变化。在入射激光能量密度较高时，材料表面会发生融化、沸腾、蒸发等热现象，但这些热现象在材料表面产生的阈值不同即发生烧蚀的能量密度不同。当激光以不同的离焦量照射在表面时，材料表面照射激光的能量分布密度也会不同，导致表面发生的热现象也不同。因此有必要对激光砂带加工过程中的激光离焦量进行控制，并研究不同离焦量下，激光砂带加工表面完整性的变化。

　　2实验

　　通过单因素实验，研究不同离焦量下激光砂带加工钛合金表面完整性的形成机理，探索工件表面形貌、微观组织的变化，待工件冷却后测试其表面形貌、微观组织。在本研究中，采用超景深三维显微系统对砂带形貌进行了测量和分析，采用白光干涉仪对工件的表面形貌进行了测量和分析，并用扫描电子显微镜和能谱分析技术评价了表层组织的变化，通过磨损实验对表面的耐磨损性能进行了检测。

　　3实验结果分析

　　3.1表面三维形貌分析图所示是离焦量分别为0.15、0.、0.05、0mm时激光砂带加工的样品表面形貌。可以看到明显的砂带磨削作用和激光烧蚀作用，两者融合作用于样品表面，这一点可以由图中的磨削划痕和激光烧蚀留下的峰证明。而随着离焦量的增加，激光砂带的融合作用机理不会发生明显的变化，这一点可以从图图的对比分析可以得到。

　　激光砂带加工的微观表面形貌呈现各向异性，峰值和谷值沿进给方向的变化更加剧烈，而在磨削方向上几乎没有变化。在磨削方向上可以观察到砂带磨削加工与激光砂带加工形成的半圆弧形分界线，两者在峰值和谷值上存在着本质区别。激光砂带加工区域在进给方向上峰值和谷值变化趋势跟砂带磨削区域是相似的，但峰值和谷值普遍要低几十微米，这是由于激光高热量使材料软化导致材料更容易去除，材料的去除深度增大所引起的。

　　航空论文投稿刊物：《航空学报》是中国航空学会主办的综合性航空航天学科学技术期刊，长期在我国航空航天类中文核心期刊排名第一。主要栏目有论文、综述、研究简报及简讯等。

　　结论

　　1)针对钛合金难加工问题，提出一种激光砂带加工方法，针对加工过程中的离焦现象，本文进行了激光砂带离焦加工的运动过程建模，实现了离焦距离的精准控制。2)当激光砂带加工离焦量从.15mm减少到0mm时，表面粗糙度先从8.07μm减少到7.40μm然后增加到22μm，最大峰高从23μm增加到45.4μm，这是离焦量不同引起激光能量分布不同导致的。3)通过对表面微观组织的分析发现，激光砂带加工过程中除了磨粒磨削的材料塑性去除，还伴随着材料的气化和熔化去除。随着离焦量的减少，材料气化和熔化去除现象越明显,去除区域的能量越集中。通过磨损实验证明了激光砂带加工方法可以提升表面的耐磨损性能。

　　参考文献

　　[1]赵波,李鹏涛,张存鹰,等.超声振动方向对TC4钛合金铣削特性的影响[J].航空学报,2020,41(2):623301ZHAOB,LIPT,ZHANGCY,etal.EffectofultrasonicvibrationdirectiononmillingcharacteristicsofTC4titaniumalloy[J].ActaAeronauticaetAstrnauticaSinica,2020,41(2):623301inhinese

　　[2]丁文锋,奚欣欣,占京华,等.航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望[J].航空学报,2019,40(6):022763.

　　作者：肖贵坚，刘帅，贺毅，刘岗，朱升旺，宋沙雨