馬傳杰 劉國東 黎相孟② 丁 磊

(①中北大學機械工程學院，山西太原030051；②中北大學先進制造技術山西省重點實驗室，山西太原030051)

釹鐵硼磁性材料是目前具有最強磁力的永久磁鐵，作為第三代稀土永磁材料，體積小、重量輕，性能上具有高磁能積、高矯頑力以及高剩磁且具有良好的動態(tài)回復特性等優(yōu)點[1]，被廣泛應用于通信、醫(yī)療、電子材料制造等領域，在世界范圍內(nèi)掀起一股研究開發(fā)熱潮，在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術中得到了廣泛應用，是一種優(yōu)良的磁性材料[2]。現(xiàn)階段對于磁性材料的加工方式最普遍的仍為傳統(tǒng)機械加工方式，但是卻只能加工固定尺寸的產(chǎn)品[3-4]，加工速度比較慢，加工過程比較繁瑣，生產(chǎn)效率不高，而且加工車床居多占用空間大，有著一定的弊端。同時在加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力對材料的結構性能有一定的影響。激光加工可以彌補以上缺陷。

激光加工運用高功率激光束對所加工材料進行切割、焊接、打標等[5]。特別是激光切割，在與其他切割方式相比時，具有無接觸、無切削力，加工無變形等優(yōu)點，可進行精密快速成型切割，其切縫窄，切割質(zhì)量高，操作簡便，幾乎無污染物，綠色環(huán)保，彌補了以上加工的缺陷[6-7]。本文通過研究激光切割釹鐵硼磁性材料，探討工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響，運用正交試驗法優(yōu)化切割工藝參數(shù)，進而應用于實際生產(chǎn)中，對提高生產(chǎn)效率有一定的參考價值。

1 實驗條件和方法

1.1 實驗條件

1.1.1 實驗設備

實驗設備使用深圳迪能激光設備有限公司型號為DNE0505Y Nd:YAG激光切割機(如圖1)，其主要技術參數(shù)為:

(1)激光波長:1 064 nm；

(2)最大輸出功率:750 W；

(3)晶體為Nd:YAG；

(4)激光脈沖頻率:1～5 000 Hz(連續(xù)可用)；

(5)激光脈沖寬度:1～20 ms(連續(xù)可用)；

(6)加工范圍:500 mm×500 mm；

(7)切割厚度:≤9 mm；

(8)整機耗電功率:≤20 kW。

其加工原理如圖2所示。

1.1.2 實驗材料

實驗材料為燒結釹鐵硼材料，它主要由Nd2Fe14B主相、富Nd相、富B相以及α-Fe組成[8-9]，它們的熱物理性能存在很大差異，在加工過程中材料的去除方式會隨著參數(shù)的變化而變化[10]。此次試驗選用加工厚度為δ＝2 mm，平面尺寸φ＝50 mm的燒結釹鐵硼片材(如圖3)。材料的屬性如表1所示。

表1 釹鐵硼材料特性試驗參數(shù)

1.2 試驗方法

運用型號為DNE0505Y的固體激光器對其進行切割加工，設計正交試驗方案，采用四因素四水平L16(44)正交試驗方法設計試驗(如表2所示)，根據(jù)正交試驗原則，從中選取16組試驗點，進行試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)(如表3所示)，通過極差分析的方法(如表4所示)，分析不同參數(shù)組合的對釹鐵硼切割質(zhì)量的影響，優(yōu)化激光切割釹鐵硼磁性材料工藝，進而得出最優(yōu)的激光切割釹鐵硼工藝參數(shù)。

1.3 正交試驗方案

表2所示為試驗方案，方案中主要參數(shù)分別是電流、脈寬、頻率以及氧氣氣壓，每個參數(shù)下各設計4個水平。

表2 試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響及分析

通過試驗，記錄數(shù)據(jù)(如表3所示)。

根據(jù)表3試驗結果，通過計算得出極差分析表(如表4所示)，樣品序號L1～L4為相應因素各水平值下的均值，R為各因素下最大值與最小值之差，該數(shù)值越大，表明對應參數(shù)對此項切割質(zhì)量指標影響程度越大，相反，則對此項切割質(zhì)量指標影響越小。

表3 試驗方案與結果

表4 極差分析表

從表4可以看出，對于割縫寬度影響大小的主次順序依次是電流、脈寬、氧氣氣壓、頻率，割縫寬度的最小工藝參數(shù)組合為電流135 A、脈寬0.80 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓0.3 MPa(A3B2C2D1)；對于 Ra影響大小主次順序依次為脈寬、電流、頻率、氧氣氣壓，Ra最小的工藝參數(shù)組合為電流140 A、脈寬0.75 ms、頻率205 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa(A4B1C1D4)；對于熔渣量影響大小主次順序依次為電流、頻率、脈寬、氧氣氣壓，熔渣量最小的工藝參數(shù)組合為電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa(A3B1C2D4)。通過加工后數(shù)據(jù)可以看出，割縫寬度全部在0.414～0.511 mm，激光切割對割縫寬度的影響較小。考慮到激光切割效率，可以使用最大的電流和氧氣氣壓來進行切割加工，但此方法不能保證切割質(zhì)量。所以，在保證效率的同時，也要保證切割質(zhì)量。綜合考慮，對于切割2 mm的釹鐵硼磁性材料板材，最佳工藝為電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa。

依據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，繪制出工藝參數(shù)對割縫寬度、Ra和熔渣量的影響變化曲線如圖4所示。從圖4a中可以看出，隨著電流的增加，熔渣量先隨之增大，原因為當提高激光功率，釹鐵硼吸收大量的熱，導致熔融區(qū)域增大，熔渣量增加。隨著激光功率的繼續(xù)增加，切縫寬度、Ra和熔渣量呈現(xiàn)降低趨勢。繼續(xù)增大激光功率，材料吸收的熱量增多，上部迅速升華，下部受到溫度的影響發(fā)生熔化，導致熔融區(qū)域減小，切縫寬度隨之減小，熔渣量也隨著材料的迅速升華而減少。

從圖4b中可以看出，隨著脈寬的增加，割縫寬度、Ra和熔渣量總體看呈現(xiàn)增大趨勢，是由于加工脈寬的增加，激光對釹鐵硼的作用延長，導致釹鐵硼吸收的熱量相對增加，熔融區(qū)域增大，導致最終切縫寬度增大。在輔助氣流的吹動下，一些粘度高的熔融物不易去除，熔融物在厚度方向上增多，氧氣不易吹除，粘附于材料底部，導致掛渣增多，進而導致Ra增大。

從圖4c中可以看出，同樣隨著加工頻率的增加，割縫寬度、Ra和熔渣量逐漸增大。由于材料為燒結釹鐵硼，在底部受到熱輻射和氧化隨著作用時間的增加而增多，由于熔融物粘度相對較高，不易去除，粘附于材料底部，導致掛渣增多，隨之Ra也增大。

從圖4d中可以看出，隨著氧氣氣壓的升高，割縫寬度呈現(xiàn)先增大后減小最后增大的趨勢，寬度范圍在0.414～0.511 mm，而熔渣量和Ra逐漸減小，這是由于隨著氧氣氣壓的升高，熔融物質(zhì)去除率增加，掛渣減小，進而Ra減小。在切割加工過程中，產(chǎn)生的熔融物在一定程度上也會增大氧氣吹除的阻力，工藝參數(shù)調(diào)整不恰當，往往會增大切割表面的Ra和熔渣量。在合適的切割工藝下，使用氧氣吹除熔融物可減小Ra和熔渣量。

2.2 表面形貌分析

圖5分別為三組參數(shù)下的切割質(zhì)量形貌，不同的參數(shù)組合下的切割形貌有較大差異。圖5a中對應參數(shù)為:電流 130 A、脈寬 0.90 ms、頻率 210 Hz、氧氣氣壓0.5 MPa；圖5b中對應參數(shù)為:電流135 A、脈寬0.85 ms、頻率 205 Hz、氧氣氣壓 0.5 MPa；圖 5c 中對應參數(shù)為:電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率215 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa。從圖5a到圖5b，電流從130 A增加到135 A，頻率和脈寬減小，氧氣氣壓保持不變，從圖中可以看出，圖5b的切割質(zhì)量明顯改善，割縫寬度較為均勻，電流的增大，使得釹鐵硼材料吸收的熱量增加，熔融物質(zhì)以升華的形式去除，使得于材料的熔渣減少，進而Ra減小，加工區(qū)域受到熔融物的熱量影響降低，此時割縫區(qū)域不會因為熔融物的熱量而繼續(xù)燒蝕，割縫寬度因此減小。從圖5b到圖5c，氧氣氣壓從0.5 MPa升高至0.9 MPa，脈寬繼續(xù)減小，電流保持不變。觀察圖5c，未出現(xiàn)熔渣粘結現(xiàn)象，割縫更加規(guī)整。增大氧氣氣壓，氧氣對熔融物的吹除率上升，熔渣較圖5b減少，重熔物減小，Ra減小。

圖6a為未激光加工切割截面宏觀及微觀形貌圖，較為整齊，圖6b為激光加工后切割截面宏觀及微觀形貌圖。圖中可以看出截面可分為光亮區(qū)和熔融區(qū)，由于激光的作用使得材料熔化，形成光亮區(qū)，光亮區(qū)切口較為光滑。熔融的釹鐵硼流動性較差，未被氧氣氣流完全吹除，粘附于材料底部，重熔形成掛渣，形成下半部分的熔融區(qū)，圖中觀察熔融區(qū)較為粗糙，且有一定厚度。工藝參數(shù)不同，兩個區(qū)域所占面積比例也不同。

3 結語

(1)用激光切割2 mm厚的釹鐵硼磁性材料板材最佳工藝參數(shù)為電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓 0.9 MPa。

(2)當增加電流及氧氣氣壓，降低加工脈寬及頻率時，掛渣粘結現(xiàn)象明顯改善，切割質(zhì)量較好。

(3)切割截面可分為光亮區(qū)和熔融區(qū)，形貌有較大差異，隨著工藝參數(shù)的改變，光亮區(qū)和熔融區(qū)所占區(qū)域大小也會隨之改變。