孔憲俊， 王明海， 王奔， 鄭耀輝， 王揚(yáng)， 楊立軍

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110136; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能提出了越來(lái)越高的要求，特別是航空、航天及軍工領(lǐng)域要制造輕便靈活、性能優(yōu)良的飛機(jī)、導(dǎo)彈、精密儀表和光學(xué)儀器等，必須要求材料密度低、比強(qiáng)度及比模量高等[1-3]。SiCp/Al復(fù)合材料正是滿足了這方面的需要而進(jìn)入航空、航天及軍工領(lǐng)域的，并且得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)于刀具的巨大磨損導(dǎo)致常規(guī)切削加工的成本非常高，使得顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用受到了巨大限制。為降低顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料加工成本，出現(xiàn)了很多特種加工方式，例如電火花加工、磨料水射流加工、激光加工、激光加熱輔助切削(LAM)等[4-10]。為能夠得到最優(yōu)的加工參數(shù)、最大的加工效率以及穩(wěn)定的加工質(zhì)量，這些非傳統(tǒng)的加工方法在應(yīng)用前進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)：電火花方法加工顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是可行的，然而它的加工效率非常低，加工后材料表面有很多深淺不一的凹坑，這些凹坑的尺寸隨放電能量的增加而進(jìn)一步增大；磨料水射流加工非常適合顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的粗加工，加工進(jìn)給速度可達(dá)到450 mm/min，加工后表面也沒(méi)有毛刺出現(xiàn)，但加工后的表面相對(duì)粗糙、上層常常出現(xiàn)溝槽損傷；激光切割可以用于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的粗加工，該方法的加工效率非常高，進(jìn)給速度甚至達(dá)到3 000 mm/min，而且加工的切口寬度一般小于0.4 mm，但存在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)于激光吸收率較低的問(wèn)題；LAM與上述加工方法相比具有效率高、成本低、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，有望解決復(fù)合材料難加工的問(wèn)題。

上述涉及的激光加工顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料可歸納為兩大類：一類是復(fù)合材料被加熱到熔點(diǎn)以下溫度進(jìn)行加工，例如LAM技術(shù)，切削前激光先將待切削材料加熱到一定溫度，降低材料的硬度及屈服強(qiáng)度，達(dá)到減小切削力提高表面質(zhì)量的目的；另一類是復(fù)合材料被加熱到熔點(diǎn)以上溫度進(jìn)行加工，例如短脈沖激光打孔、激光熔敷、激光焊接、激光切割等。無(wú)論是哪一類激光加工方法，激光輻照材料后首先發(fā)生的都是材料表面的自由電子對(duì)于激光光子的吸收，電子吸收光子后發(fā)生受迫振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)能，導(dǎo)致溫度升高。在激光加工過(guò)程中，材料對(duì)于激光的吸收對(duì)于加工質(zhì)量和加工效率起著至關(guān)重要的作用，影響激光吸收的參量主要包括激光波長(zhǎng)、材料化學(xué)成分、材料表面狀態(tài)、表面粗糙度。各國(guó)學(xué)者們進(jìn)行了許多努力來(lái)探索材料對(duì)于激光的吸收規(guī)律[11-16]，但含有非均質(zhì)相的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的切削表面對(duì)于半導(dǎo)體激光的吸收機(jī)理方面還鮮有報(bào)道，本文開展硬質(zhì)合金刀具和聚晶金剛石(PCD)刀具激光加熱切削顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)，針對(duì)切削后材料表面對(duì)激光的吸收機(jī)理進(jìn)行探究，揭示顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)相和基體吸收激光后的溫升變化規(guī)律，對(duì)于提高激光加工復(fù)合材料質(zhì)量以及效率有著重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用的激光加熱輔助車削系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由1 000 W連續(xù)半導(dǎo)體激光器、數(shù)控車床、激光頭調(diào)整裝置以及紅外測(cè)溫儀組成。所用激光的波長(zhǎng)為1 064 nm、光斑直徑為5 mm. 激光產(chǎn)生后通過(guò)光纖傳輸?shù)郊す忸^，激光頭調(diào)整裝置對(duì)激光入射方向、光斑大小以及激光光斑與刀具距離等參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)整，激光頭調(diào)整裝置固定在車床的溜板上，能夠與刀具一起運(yùn)動(dòng)。利用激光頭調(diào)整裝置上的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)激光頭沿進(jìn)給方向、徑向方向及圓周方向的準(zhǔn)確調(diào)整。激光加熱過(guò)程中，利用紅外測(cè)溫儀對(duì)切削點(diǎn)處的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)Labview軟件將采集的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定的最優(yōu)切削溫度進(jìn)行比對(duì)，并且實(shí)時(shí)調(diào)整。加工工件使用絕熱材料絕熱后裝夾在三爪卡盤上，工件加工后使用便攜式TR200表面粗糙度儀對(duì)表面粗糙度進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值以減少測(cè)量誤差。

圖1 激光加熱輔助車削試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup of laser assisted machining

實(shí)驗(yàn)所用材料為45% SiCp/4A11復(fù)合材料棒料，增強(qiáng)體顆粒大小為5 μm，均勻分布于4A11鋁合金基體中，顆粒及基體性能如表1所示。圖2為45% SiCp/4A11復(fù)合材料的透射電子顯微鏡圖，從中看到顆粒與基體界面結(jié)合良好，沒(méi)有明顯的反應(yīng)物，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所用復(fù)合材料中的增強(qiáng)體與基體有良好的結(jié)合性能。

表1 SiC顆粒和鋁基體力學(xué)性能

圖2 45% SiCp/4A11復(fù)合材料的透射電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Transmission electron microscope photograph of 45% SiCp/4A11

2 結(jié)果與討論

2.1 45% SiCp/Al復(fù)合材料表面狀態(tài)對(duì)高斯激光吸收

激光器輸出的光束能量分布形式對(duì)于激光加熱時(shí)的溫度場(chǎng)有較大影響，進(jìn)而影響加工效率和質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)前使用Spricon SP620激光光束質(zhì)量?jī)x對(duì)激光光束質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，將激光光束垂直照射進(jìn)入激光探測(cè)器，高能激光束經(jīng)過(guò)探測(cè)器內(nèi)衰減片后進(jìn)入Spricon SP620激光光束質(zhì)量?jī)x，檢測(cè)到激光光束能量分布如圖3所示。從圖3中發(fā)現(xiàn)，激光光束呈均勻的高斯分布，光束能量分布均勻性良好。

圖3 光束能量分布圖Fig.3 Laser beam energy distribution

當(dāng)使用基模高斯光束照射在工件表面后，工件的表層材料吸收了激光絕大部分能量，原理如圖4所示，其中θp為縱模光束發(fā)散角的半角，θn為橫模光束發(fā)散角的半角。在接下來(lái)溫度場(chǎng)的研究中將激光加熱工件表面假設(shè)為一個(gè)表面熱源對(duì)工件表面進(jìn)行加熱，該面熱源能量強(qiáng)度Q分布如(1)式所示：

(1)

式中:Pl為激光功率；A為激光吸收率；r為距光斑中心的距離；R為激光半徑。

圖4 半導(dǎo)體激光縱向和橫向模式與復(fù)合材料的相互作用Fig.4 Longitudinal and transverse modes of diode laser beam profile

理論上45% SiCp/Al復(fù)合材料表面中碳化硅顆粒的占比為45%，經(jīng)砂紙精磨、拋光后組織形貌如圖5所示。從圖5中發(fā)現(xiàn)，有很多碳化硅陶瓷顆粒露出。為了分析顆粒與基體的溫度場(chǎng)，提取激光光斑照射區(qū)域的一部分。

圖5 45% SiCp/Al復(fù)合材料顯微組織形貌Fig.5 Microstructure of 45% SiCp/Al composite

圖6 半導(dǎo)體激光輻照復(fù)合材料時(shí)SiC顆粒、Al基體和45% SiCp/Al復(fù)合材料溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Time dependence of surface temperatures in SiC, aluminum matrix and composite irradiated by a diode laser

假設(shè)激光照射到材料表面時(shí)沒(méi)有相轉(zhuǎn)變發(fā)生，將45% SiCp/4A11復(fù)合材料中的Al基體、SiC增強(qiáng)體顆粒和SiCp/Al復(fù)合材料熱物性能參數(shù)代入熱傳導(dǎo)(2)式中進(jìn)行計(jì)算得出圖6所示的變化規(guī)律，SiCp/4A11各組分熱物性能如表2所示。由于45% SiCp/Al復(fù)合材料中陶瓷增強(qiáng)體對(duì)激光吸收率遠(yuǎn)大于鋁合金基體對(duì)激光的吸收率，當(dāng)半導(dǎo)體激光束照射到復(fù)合材料表面時(shí)，碳化硅陶瓷顆粒吸收激光后升溫速率高于鋁合金基體，由圖6得出激光加熱5 μs時(shí)，鋁基體合金溫度達(dá)到300 ℃，而碳化硅陶瓷顆粒達(dá)到1 600 ℃，在較大的溫差及鋁合金較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)條件下，碳化硅陶瓷顆粒和鋁基體之間會(huì)發(fā)生快速的熱傳導(dǎo)，數(shù)微秒使得熱量均勻化，45% SiCp/Al復(fù)合材料溫度接近500 ℃. 實(shí)際加工過(guò)程中，往往需要數(shù)秒的預(yù)熱，加工時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幾微秒，因此，實(shí)際加工過(guò)程中可以忽略碳化硅顆粒和鋁基體間的溫差，假設(shè)溫度是均勻分布在整個(gè)激光照射區(qū)內(nèi)。

(2)

式中：To為室溫(℃)；I為激光功率密度(W/cm3)；α為吸收系數(shù)；Ae為每一組分的吸收率；K為熱膨脹系數(shù)(K-1)；λ為熱導(dǎo)率(W/(m·℃))；t為激光與組分相互作用時(shí)間(s)。

表2 45% SiCp/4A11各組分熱物性能

圖7 硬質(zhì)合金刀具車削45% SiCp/Al復(fù)合材料表面形貌和能譜分析Fig.7 Surface morphology of 45% SiCp/Al composite with WC and energy spectrum

激光加熱切削45% SiCp/Al復(fù)合材料過(guò)程中使用的切削刀具對(duì)于45% SiCp/Al復(fù)合材料成型表面有較大的影響，圖7和圖8分別為硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具車削45% SiCp/Al復(fù)合材料圓棒后的表面形貌。實(shí)驗(yàn)采用的切削參數(shù)：切削深度0.75 mm，轉(zhuǎn)速500 r/min，進(jìn)給量0.1 mm/r. 刀具參數(shù)如表3所示。

圖8 PCD刀具車削45% SiCp/Al復(fù)合材料表面形貌和能譜分析Fig.8 Surface morphology of 45% SiCp/Al composite with PCD and energy spectrum

表3 刀具參數(shù)

Tab.3 Tool parameters

刀具涂層基體涂層厚度/μm前角/(°)后角/(°)硬質(zhì)合金TiAlNK10807PCD無(wú)合金無(wú)07

從圖7(a)中發(fā)現(xiàn)，使用普通硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行激光加熱車削復(fù)合材料時(shí)，復(fù)合材料表面露出的碳化硅陶瓷顆粒很少，表面基本被鋁基體覆蓋；圖7(b)為表面元素含量的能譜圖，從中發(fā)現(xiàn)鋁硅元素含量的比值為1.187，大于材料中鋁硅元素理論含量的比值0.873，這一結(jié)果證實(shí)了硬質(zhì)合金刀具切削復(fù)合材料后表面覆蓋一層鋁基體合金，影響了材料對(duì)激光的吸收率。接下來(lái)采用有限元仿真與測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法計(jì)算復(fù)合材料不同加工表面狀態(tài)對(duì)半導(dǎo)體激光的吸收率：首先利用紅外熱像儀測(cè)量半導(dǎo)體激光照射工件后的溫度變化曲線；然后采用有限元仿真的方法建立與實(shí)驗(yàn)條件一致的溫度場(chǎng)模型，通過(guò)調(diào)整溫度場(chǎng)模型中的激光吸收率，擬合仿真溫度變化曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度變化曲線，兩個(gè)曲線擬合最好時(shí)有限元模型中使用的吸收率就是45% SiCp/Al復(fù)合材料對(duì)半導(dǎo)體激光的吸收率，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度值與有限元仿真預(yù)測(cè)的溫度值隨時(shí)間變化曲線如圖9所示；最后得出此表面對(duì)半導(dǎo)體激光的吸收率為0.21.

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真預(yù)測(cè)的溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Experimental and predicted temperatures at selected location

當(dāng)使用PCD刀具進(jìn)行激光加熱車削復(fù)合材料棒料時(shí)，切削后的表面形貌如圖8(a)所示，從中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料表面基本被鋁合金覆蓋，材料表面露出的碳化硅顆粒較理論計(jì)算值少，較硬質(zhì)合金刀具切削后露出的多；圖8(b)為表面元素含量的能譜圖，從中計(jì)算得出鋁/硅元素含量的比值為1.047，低于硬質(zhì)合金刀具切削表面的鋁/硅元素含量比值1.187. 原因在于硬質(zhì)合金刀具車削45% SiCp/Al復(fù)合材料很短時(shí)間后，刀具刀尖與后刀面受到硬度極大的碳化硅陶瓷顆粒沖擊作用導(dǎo)致發(fā)生劇烈的磨粒磨損，切削刃鈍圓半徑增大[17]，繼續(xù)使用大圓弧半徑的硬質(zhì)合金刀具車削45% SiCp/Al復(fù)合材料，材料的變形去除過(guò)程由微切削去除轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓方式去除，此外，硬質(zhì)合金刀具摩擦系數(shù)較PCD刀具大，隨著切削時(shí)間的增加，剪切變形區(qū)和加工后表面溫度上升的速度更快，導(dǎo)致鋁基體軟化，加工后材料表面更易于發(fā)生熨燙現(xiàn)象。在刀具的擠壓和熨燙共同作用下使得鋁合金基體越來(lái)越多覆蓋于加工后材料表面，增大了材料表面鋁/硅元素含量的比值；同時(shí)，由于切削刃鈍圓半徑增大導(dǎo)致實(shí)際的切削深度減小。而利用PCD刀具切削45% SiCp/Al復(fù)合材料，由于PCD刀具硬度較碳化硅陶瓷顆粒高，摩擦系數(shù)較低[18]，車削過(guò)程刀具發(fā)生磨粒磨損的速率遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金刀具，同時(shí)切削刃鈍圓半徑增大程度也小于硬質(zhì)合金刀具。摩擦生熱較低，45% SiCp/Al復(fù)合材料變形過(guò)程為微切削和刻劃，顆粒與基體發(fā)生協(xié)同剪切變形，鋁合金基體材料被刀具擠壓到工件材料表面現(xiàn)象較少，導(dǎo)致復(fù)合材料表面鋁/硅元素含量的比值低。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度值與有限元仿真預(yù)測(cè)的溫度值隨時(shí)間變化曲線如圖10所示，圖中實(shí)線代表實(shí)驗(yàn)值，用虛線來(lái)表示不同α的仿真值。接下來(lái)采用有限元仿真計(jì)算與測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法得出45% SiCp/Al復(fù)合材料表面對(duì)于半導(dǎo)體激光的吸收率為0.23，略高于硬質(zhì)合金刀具切削表面。

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真預(yù)測(cè)的溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Experimental and predicted temperatures at selected location

從以上研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論使用硬質(zhì)合金刀具還是PCD刀具進(jìn)行45% SiCp/Al復(fù)合材料的激光加熱車削，加工后的復(fù)合材料表面由于鋁基體合金的覆蓋使得復(fù)合材料對(duì)于激光的吸收率極低，為提高復(fù)合材料對(duì)半導(dǎo)體激光的吸收率，后續(xù)的激光加熱車削復(fù)合材料時(shí)，均在復(fù)合材料表面均勻涂覆了一層極薄的石墨，來(lái)增加45% SiCp/Al復(fù)合材料對(duì)激光的吸收率，涂覆石墨的45% SiCp/Al復(fù)合材料表面對(duì)于半導(dǎo)體激光的吸收率可達(dá)0.63，提高了激光能量的利用率。

2.2 激光加熱切削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析

本文以傅里葉傳熱方程為基礎(chǔ)，采用有限元分析軟件Ansys建立LAM溫度場(chǎng)模型。首先將建好的幾何體模型離散成擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元，然后以高斯激光熱流密度、對(duì)流和輻射邊界條件及初值，忽略切削過(guò)程、摩擦生成的熱量，求解熱傳導(dǎo)方程。加熱的45% SiCp/Al復(fù)合材料為各向同性材料，熱導(dǎo)率、比熱容隨溫度變化關(guān)系如圖11所示。建立過(guò)程中還充分考慮了激光加熱切削的特點(diǎn)，對(duì)模型以下方面進(jìn)行優(yōu)化：

圖11 45% SiCp/Al復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及比熱容Fig.11 Effect of temperature on thermal conductivity and specific heat of 45% SiCp/Al

1) 激光加熱工件表面后，表面溫度迅速升高，并且沿徑向具有極大的溫度梯度，該溫度梯度對(duì)于材料切削性、刀具磨損都有很大影響，為精確研究該層材料的溫度場(chǎng)，對(duì)該薄層材料單元進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，以提高計(jì)算精度。

2) 激光光斑直徑相對(duì)于工件尺寸較小，且需要沿工件軸向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于激光熱傳導(dǎo)區(qū)域以及工件軸向網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行細(xì)化處理，以提高計(jì)算結(jié)果的精度。

通過(guò)有限元模型仿真得出激光加熱45% SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)的溫度場(chǎng)有限元模型如圖12所示，某一時(shí)刻瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖13所示。

圖12 溫度場(chǎng)有限元模型Fig.12 Finite element model for temperature field

圖13 瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.13 Temperature distribution for operating condition

采用Flirfdps- 150型紅外熱像儀進(jìn)行工件表面溫度的測(cè)量，紅外熱像儀放置于水平處，激光束與紅外熱像儀沿周向呈35°角照射工件表面，為能夠準(zhǔn)確測(cè)量工件表面溫度場(chǎng)分布，在工件表面沿軸線方向選擇了間距5 mm的3個(gè)點(diǎn)G1、G2、G3，后處理時(shí)提取3個(gè)點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化值來(lái)分析參數(shù)對(duì)于激光加熱工件表面溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，紅外熱像儀測(cè)溫位置如圖14所示，45% SiCp/Al復(fù)合材料的發(fā)射率設(shè)置為0.2.

圖14 紅外熱像儀測(cè)溫位置示意圖Fig.14 Locations of IR temperature measurement

在激光加熱過(guò)程中，激光功率Pl、激光光斑直徑Dl、激光軸向移動(dòng)速度vl、激光與測(cè)溫點(diǎn)距離Ll以及預(yù)熱時(shí)間tp對(duì)于工件表面的溫度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此，選擇5個(gè)參數(shù)進(jìn)行溫度場(chǎng)的研究，實(shí)驗(yàn)所使用參數(shù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的溫度與有限元模型預(yù)測(cè)的溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果存在一定的偏差，接下來(lái)對(duì)有限元模型參數(shù)進(jìn)行修正。依據(jù)紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)對(duì)建立的有限元模型中的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行修正，直到模型的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在可控范圍內(nèi)，修正后的對(duì)流換熱系數(shù)為88 W/(m2·℃)。

接下來(lái)選取對(duì)溫度場(chǎng)影響較大的激光功率和光斑直徑作為實(shí)驗(yàn)變量，得到軸向3個(gè)不同位置G1、G2、G3溫度場(chǎng)仿真值與實(shí)驗(yàn)值的曲線如圖15所示。從圖15中發(fā)現(xiàn)，3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度均先增加到最大值，而后隨著激光的遠(yuǎn)離，溫度從最高點(diǎn)開始下降。由于激光加熱表層溫度升高后，熱流迅速向工件內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致隨著軸向距離的增加，測(cè)溫點(diǎn)的最高溫度增加。

圖15 有限元模型預(yù)測(cè)的溫度場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析Fig.15 Comparisons of the IR camera measurements and the thermal model predictions in LAM

2.3 45% SiCp/Al復(fù)合材料激光加熱溫度經(jīng)驗(yàn)公式

激光束照射到45% SiCp/Al復(fù)合材料圓柱件表面后，影響溫度的主要因素有激光功率Pl、激光直徑Dl、激光頭移動(dòng)速度vl、距激光光斑中心距離Ll和轉(zhuǎn)速n. 采用上述建立的溫度場(chǎng)有限元模型仿真分析激光加熱45% SiCp/Al復(fù)合材料圓柱件過(guò)程中參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，仿真分析采用5因素4水平進(jìn)行，參數(shù)和極差分析結(jié)果如表5所示。

表5 正交參數(shù)溫度仿真結(jié)果及分析

注：Ki(i=1,2,3,4)為影響溫度的第i個(gè)因素的水平之和；Tc為切削點(diǎn)溫度。

從表5極差分析結(jié)果中得出影響激光加熱溫度大小的參數(shù)順序?yàn)椋杭す夤β蔖l大于激光移動(dòng)速度vl，vl大于激光光斑直徑Dl，Dl大于距激光光斑中心距離Ll，Ll大于轉(zhuǎn)速n.

根據(jù)激光和切削參數(shù)對(duì)加熱溫度的影響規(guī)律，提出工件表面切削點(diǎn)處的溫度可用經(jīng)驗(yàn)公式(3)式表示：

(3)

式中：CT為溫度系數(shù)；a1、a2、a3、a4、a5為指數(shù)。

將(3)式兩邊取對(duì)數(shù)，并且通過(guò)多元線性回歸法得出切削點(diǎn)處溫度公式：

(4)

(4)式推導(dǎo)的切削點(diǎn)處溫度公式相關(guān)系數(shù)為0.996，說(shuō)明推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式能夠較準(zhǔn)確地描述切削溫度與激光和切削參數(shù)的關(guān)系。通過(guò)(4)式能夠快速分析出工藝參數(shù)對(duì)切削點(diǎn)位置溫度的影響規(guī)律，對(duì)于初選工藝參數(shù)及減少仿真計(jì)算量有較大益處。

3 結(jié)論

1) 本文研究了硬質(zhì)合金刀具與PCD刀具切削45% SiCp/Al復(fù)合材料后不同表面對(duì)半導(dǎo)體高斯激光的吸收規(guī)律，結(jié)果表明：使用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行激光加熱輔助車削得到的45% SiCp/Al復(fù)合材料表面鋁/硅元素含量比值為1.187，對(duì)半導(dǎo)體激光的吸收率為0.21；而采用PCD刀具進(jìn)行激光加熱車削獲得的表面鋁/硅元素含量比值為1.047，激光吸收率達(dá)到0.23. 主要原因在于使用PCD刀具車削后的45% SiCp/Al復(fù)合材料表面露出的碳化硅顆粒較硬質(zhì)合金刀具切削后露出的多，而碳化硅顆粒對(duì)于激光吸收率遠(yuǎn)大于鋁合金基體。

2) 根據(jù)碳化硅和鋁基體的熱物性參數(shù)和熱傳導(dǎo)公式，采用數(shù)值計(jì)算方法獲得了激光加熱過(guò)程45% SiCp/Al復(fù)合材料、碳化硅陶瓷顆粒、鋁基體的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果顯示：碳化硅顆粒升溫速率遠(yuǎn)大于45% SiCp/Al復(fù)合材料和鋁基體。利用有限元仿真的方法建立了LAM 45% SiCp/Al復(fù)合材料的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)仿真分析獲得了影響激光加熱溫度程度的參數(shù)順序由大到小依次為：激光功率Pl、激光移動(dòng)速度vl、激光光斑直徑Dl、距激光光斑中心距離Ll、轉(zhuǎn)速n. 結(jié)合切削參量對(duì)加熱溫度的影響規(guī)律，建立工件表面切削點(diǎn)處溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于初選工藝參數(shù)及減少仿真計(jì)算量有較大益處。

連續(xù)的高斯激光與45% SiCp/Al復(fù)合材料相互作用過(guò)程中，涉及光子學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，這些交叉學(xué)科知識(shí)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)于45% SiCp/Al復(fù)合材料的激光打孔、切割等激光微細(xì)加工具有非常重要的指導(dǎo)意義。本文研究工作還存在一些待解決的問(wèn)題，需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和完善，后續(xù)需要在以下兩個(gè)方面進(jìn)行更加深入的研究：

1) 溫度場(chǎng)有限元仿真過(guò)程中45% SiCp/Al復(fù)合材料使用的是整體均質(zhì)材料，熱力學(xué)性能與真實(shí)45% SiCp/Al復(fù)合材料有差別，應(yīng)考慮建立更加符合真實(shí)結(jié)構(gòu)的三維多面體顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真研究。

2) 將激光系統(tǒng)與加工中心進(jìn)行優(yōu)化和集成，研制具備自動(dòng)控制、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋功能的激光復(fù)合機(jī)械的集成裝備，適應(yīng)未來(lái)各種復(fù)雜精細(xì)件的增減材集成加工制造，實(shí)現(xiàn)激光復(fù)合機(jī)械加工技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。