激光辅助加工难切削材料：研究机会和未来方向 - 综合评述

 抽象

  由于其固有的物理机械性能，正在开发高强度合金，例如镍和钛以及先进的工程材料，例如陶瓷，复合材料，并广泛用于航空航天，汽车，医疗和核工业。然而，将这些新材料转换为工程产品始终与加工相关联。切削力越高，切削温度越高，表面完整性越差，与这些材料相关的工具寿命越短，对研究人员提出了许多挑战，因而被认为难以切削材料。发现加工这些材料的传统方法是不经济的。近来，已经进行了许多尝试以通过使用外部能量辅助加工来更有效地改善这些材料的可加工性。在各种外部能量辅助加工方法中，激光辅助加工（LAM）已经受到金属切削领域研究人员的关注，近年来进行了一些研究。本文旨在回顾和总结LAM在激光辅助加工中难以切削材料，当前进展，优势和挑战的潜在用途。另外，一个优化框架用于研究激光参数和加工工艺参数对可加工性能的影响尚未报道适用于工业过程。结论是需要进一步的实验建模和经验技术来创建一个基于预测的模型，与可靠的实验一致，同时解释了许多参数的影响，用于加工这些难以切割的材料。

一，简介

  近几十年来，钛和镍基超级合金，铁合金，陶瓷，复合材料和钴铬合金等先进材料正在开发用于高强度和耐热应用，包括汽车，航空航天，核能，医疗和电子工业[1] ，10]。

这些材料具有优异的强度重量比，强耐腐蚀性和在高温下保持高强度的能力。与传统的工程材料相比，这些材料都具有优异的强度和韧性。然而，这些材料的应用目前并未增长，因为这使得产品的最终成本的一半用于转换最终成分[1,2]。这归因于低切削速度，由于过度的刀具磨损而导致的切削深度较小。因此，这些材料被认为是难以切割的材料。在加工过程中会遇到许多问题，例如切削区产生过多的热量，工具 - 切屑界面之间的摩擦力很大，BUE形成的趋势和切削刃的灾难性破坏[3,4,5]。这可能对加工工艺性能产生显着影响，例如可加工性差，加工成本高和生产率低。由于难以切割的材料的固有特性，诸如铣削或车削的传统加工方法被证明是低效的。目前，许多创新的加工工艺，如磨削加工，激光加工，放电加工，化学加工，热辅助加工方法，如激光辅助加工，等离子体辅助加工，都应用​​于这些材料。在许多方法中，由于其更高的益处，技术的显着增长和商业可行性，一种越来越受难以加工材料欢迎的方法是激光辅助加工（LAM）。

  在此背景下，本文重点介绍了LAM目前在激光参数和加工参数对难切削材料加工效率的影响方面取得的进展和面临的挑战。

2.激光辅助加工 - 概述

  激光辅助加工是一种混合方法，它使用高功率激光在用传统切削工具去除材料之前局部加热工件。在升高的温度下，脆性材料的屈服强度降低至低于断裂强度，从而将材料变形行为从脆性变为可延展性。同样在高温下，强韧性材料的屈服强度降低，从而减少切削力和工具磨损以及改善表面质量[6]。图1显示了激光辅助加工的示意图。

LAM实验中广泛使用的两种主要激光源是CO2激光和Nd：YAG激光。后者具有较短的波长，具有更好的吸收率。与Nd：YAG相比，由于激光能量的低吸收率，CO2激光对大多数难以切割的材料（例如Inconel，硬化钢和复合材料）的益处较少[7,8,9]。大多数研究都集中在LAM的优势上，并解决了传统加工中的挑战。但是，LAM的加工结果取决于加工工艺参数和激光参数。与激光辅助加工相关的主要操作参数是：激光功率，激光束的光斑直径，切割速度，进给速率和切割深度。由于许多控制参数及其相互作用，LAM的最佳设置是困难的。此外，需要基于实验设计的统计研究来研究最佳LAM参数的影响，并且在出版物中缺乏它们的相互作用。

  3.激光参数和加工参数对难加工材料的影响

  最近，LAM已经确定了一个重要的研究领域，并应用于许多高强度和高硬度材料。为了实现LAM的最大效益，需要了解激光工艺参数对不同工件材料的交互作用以及达到较低切削力，低加工成本和表面质量的最佳水平[7]。工件表面温度，切削速度，进给速度，深度切削，激光光斑直径，激光工具引线距离，焦距在LAM工艺中起着重要作用，以避免表面损伤和刀具过早失效。在本节中，我们将回顾激光参数与不同难切削材料的加工参数的影响。

  3.1钛合金

钛合金是航空航天，汽车，生物医学，核能和燃气轮机行业的有吸引力的材料，因为它具有优异的物理机械性能，如优异的强度重量比，强耐腐蚀性和在高温下保持高强度的能力[10,11] ，12]。这些性能以及低弹性模量，低导热性，高温下的高强度和硬度以及与切削工具的化学反应性使得加工这些材料极其困难，从而缩短了刀具寿命[10]。更低的切削速度和更短的刀具寿命导致这些合金的加工成本更高[11]。已经进行了一些研究尝试，通过干式低温辅助加工来分析可加工性，以提高切削速度和刀具寿命。研究表明，与干式加工相比，低温辅助加工可大大改善刀具寿命[12]。与使用液氮作为冷却剂的恒定切削速度125 m / min的高进给/低切削深度相比，低进给/高切削深度的组合将刀具寿命提高了6倍[13,14]。由于激光辅助加工的大幅增长，致力于提高钛的可加工性[7,8]。在较高的切削速度下，与传统加工相比，LAM导致材料去除温度为250℃时的扩散磨损导致刀具寿命缩短[15]。然而，LAM通过混合加工，即LAM在低温加工[15]中受益于这些合金，并且报道了由于较低的刀具 - 切屑界面温度，切削刀具和工件之间的较低摩擦而在MRR方面的最大刀具寿命。据观察，在LAM和混合加工过程中，TiAlN涂层硬质合金切削刀片可以大大节省刀具寿命[15]。

进一步研究了未涂层硬质合金切削刀片与低温冷却剂的优点，以研究Ti-6Al-4V高速（125米/分钟）转动时的刀具寿命和磨损机理。结果表明，与单独使用LAM相比，使用冷却液进行加工可显着提高刀具寿命235％，并且发现冷却液可抑制粘附，扩散磨损，从而显着提高刀具寿命[16]。然而，研究人员通过对激光束对切削力和切削温度的影响进行批判性分析，重点关注LAM在工业应用中的潜力，并导致切削力显着降低（15％）[17]。观察到随着激光能量的增加（在1200W-1600W和激光束光斑尺寸为2-3mm之间），在25-125m /的切削速度范围内观察到切削力降低> 10％。最小并且还观察到在切割速度> 150m / min时更短的工具寿命。 LAM的芯片形态研究表明，芯片的形成很大程度上取决于切割速度和激光功率[18]。据观察，在恒定的激光能量下，锯齿变为连续切屑并以更高的切削速度返回到锯齿。

表1总结了钛合金激光辅助加工的最新研究成果。

  3.2镍基合金

  由于高温下的化学和机械性能，镍基合金如Inconel，Hastelloys，Waspaloys和Udimet是用于航空航天和核工业（如燃气轮机，喷气发动机和推力储层）的钛合金的另一种有吸引力的材料[10]。由于切割区的高温 1200˚C，化学品

表1钛合金激光辅助加工概述

与大多数切削工具的反应性和在微观结构中存在硬质磨料颗粒如TiC，CrC，MoC，这使得这种合金的加工困难并且促进磨料磨损。这导致切削速度低，刀具寿命短，表面质量差，因此加工成本高[19,20]。

近年来，LAM被用于改善镍基合金的可加工性。由于Inconel的硬度在600˚C-700˚C以上迅速下降，因此与陶瓷LAM不同，工件材料的材料去除温度（Tmr）不需要升高。由于金属的吸收率低，Inconel 718在早期使用了高功率激光[19]。 Anderson等人报道，Inconel 718的吸收率可以通过CO2激光表面的石墨粘合剂得到改善，结果证明了这一点。然而，涂覆的涂层在高温下不能自行维持，并且在未涂覆的表面和倒角表面上同时使用多个激光单元以改善可加工性[20]。高功率激光能量，小激光束直径，较小的进给速率和较大的预热时间可能导致工件上需要Tmr [21]。另一方面，与Tmr一起，进给速率对特定切削能量的影响因子最大。对于Inconel 718 [20]，激光能量将材料表面加热至540˚C，而Waspaloy [23]则将材料表面加热至300-400˚C，平均后刀面磨损和缺口磨损随着速度从60 m / min增加到180 m而降低/ min为Inconel 718和Waspaloy。

  通过在传统加工中使用LAM中的陶瓷刀片，加工表面的完整性（粗糙度，表面/亚表面损伤，残余应力，显微硬度），特别是表面粗糙度略有提高[22]。对使用LAM的陶瓷和硬质合金刀片进行了对比分析，结果表明，与传统加工相比，未涂层硬质合金刀片的寿命更短[22]。使用Sailon切削刀具进行了进一步的实验，并报告陶瓷刀具的表面粗糙度提高了25％，尽管之前的研究与表面质量差有关[21]。此外，LAM的材料去除率显着提高。与传统加工相比，Sailon陶瓷刀具的材料去除率提高了800％，刀具寿命提高了50％。表2总结了镍基合金激光辅助加工的最新研究成果。

表2镍基超合金激光辅助加工总结

  3.3Ceramics

由于其压缩性能，先进的结构陶瓷如莫来石，氧化锆，氧化铝和氮化硅被认为是另一种有吸引力的材料[24,26,27,28]。由于它们的低密度，优异的耐磨性和高温强度，它们通常用于制造汽车和航空航天中的关键部件。由于其硬度和脆性，大多数过去对LAM的研究都是在这种材料上进行的[24,25]。结果发现，当Tmr为900˚-1100˚C[27]的氧化锆上的LAM和在850˚C的氧化铝上使用硬质合金刀片时，PCBN切削刀具显示更长的刀具（比如121分钟）[ 29]和莫来石（比如44分钟）[28]。磨损，粘附和扩散三种主要的磨损机制归因于刀具磨损，并且强烈依赖于材料去除温度[27]。因此，有必要找到最佳的材料去除温度，以延长刀具寿命[26]。然而，由于影响参数的复杂性及其相互作用，找到最佳Tmr是困难的。

  当LAM在陶瓷上时，切削力和特定切削能量随着激光能量的增加而随着表面温度的增加而降低，但不受激光工具引线距离的显着影响[25,27,28]。切削速度对切削力的影响微不足道，但其他进给速率[28,29]。发现诸如进给力/切削力的力比在氧化锆[28]上减小，而莫来石[29]在较高的Tmr下产生，这表明切削区附近的工件显着软化和准塑性变形。据观察，切削速度对表面粗糙度的影响最大，其次是进给速率和深度切削[30]。

  当检查芯片形态时，发现与其他参数相比，材料去除温度和力比（Ff / Fc <1）在芯片形成期间起关键作用[25,26]。对于工件温度在1260˚C-1410˚C范围内，根据所得芯片的SEM研究，Lei [25]观察到剪切带中氮化硅的塑性变形通过棒的增强的流动性继续 - 类似于硅颗粒，其通过在较高温度下颗粒间玻璃相的粘度降低而促进。

对于莫来石，Patrick开发了一种双斜坡激光实验装置，以防止工件的热破裂，因为与氮化硅相比，多孔材料的热扩散系数，断裂韧性和拉伸强度较低[28]并推断为三种不同的机械如脆性断裂和半连续芯片（Ff / Fc> 1）和操作工作温度窗口800℃-1000℃连续切屑形成（Ff / Fc <1）和操作工作温度窗口更大超过1300˚C。当LAM在氧化锆上时没有观察到这种符号[28]，但在切屑形成过程中发生塑性变形以及脆性断裂。表面粗糙度对氮化硅LAM期间的材料去除温度不敏感[25]，但它取决于氮化硅颗粒和氧化锆的尺寸和分布[25,27]。在材料加工之前，热影响区域出现局部裂缝，当裂缝厚度大于切削深度时，局部裂缝仍留在地下[27]。因此，有必要控制材料去除温度以在LAM期间产生无裂缝表面。表3总结了陶瓷激光辅助加工的最新研究成果。

  3.4有色合金

  低碳韧性钢，不锈钢和淬硬钢已被归类为铁基难加工材料，并在汽车中应用，如齿轮，曲轴和发动机缸体[10]。然而，由于采用传统加工技术的高硬度和断裂韧性，这些汽车部件的加工成为一个主要问题[31]。硬车削技术的概念适用于硬度超过45 HRC的这些钢。这种技术消除了二次加工，如研磨和热处理，这些加工产品的最终成本高达60-90％[33]。然而，使用LAM的实验研究已经在AISI D2钢[31]，致密石墨铁[32]，AISI 4130钢[33]，高铬白口铸铁[34]和XC42钢[35]上进行通过更换磨削工艺和硬车削来降低整体加工成本并提高生产率。

表3激光辅助陶瓷加工概述

  据观察，激光刀具距离对硬化XC42钢加工过程中切削力的影响最大，而传统切削方法对径向切削力的最大减少率为65％，进给力减小幅度最大为85％[35 ]。实验结果证实，激光工具距离是激光辅助加工成功的关键因素[34]。这是因为随着激光光斑和切削工具之间的距离增加，表面温度下降，并且需要更多时间将热量散发到工件中。

在AISI D2钢的LAM中，不仅减小了推力的大小，而且减小了切削力的幅度变化，这归因于机器振动的更大减小。这是由于加热周期持续时间较长和激光束分布[31]。当致密石墨铸铁的LAM受激光功率和进给速率影响最大时的预热温度[33]。结果发现，在激光加热的帮助下，硬质合金刀具的后刀面磨损和灾难性故障减少了，并且对于D2钢的LAM，刀具寿命提高了100％[31]，因为工件在300˚附近软化C-400˚C，未切割的切屑厚度为0.05mm，稳定的BUE可在LAM期间保护切削刃。然而，加工致密石墨铸铁时的刀具寿命受到进给速率的显着影响[32]在硬化钢的LAM中，与传统切削相比，残余应力变得更加压缩，应力穿透深度变小[33]。与钛合金不同，当D2钢的LAM由于较高的表面温度时，芯片形态从锯齿片变为连续芯片[31]。加工中锯齿形切屑的形成是导致振动的主要原因之一，发现在LAM中预热工件会导致振幅振动和振动的显着减小[31,32]。表4总结了激光辅助加工黑色金属合金的最新研究成果。

表4激光辅助黑色金属合金加工总结

  3.5Composite

  复合材料在性质上是不均匀的，通常通过将颗粒，纤维和晶须分散在基质中而形成。加入硬质增强颗粒/纤维可增强粘合性，磨蚀性，抗扩散性，热性能，硬度和刚度等性能。加工这些复合材料的固有挑战是工具磨损过度以及随后工件的损坏。可加工性差是因为纤维拉出，分层，未切割纤维，高尺寸偏差和高表面粗糙度[10]。

与传统加工相比，通过激光能量使Al基质软化变得更柔软和塑性，导致力分量的显着减小。根据显微镜分析，Wang [36]推断软化基体很容易从加工表面挤出，而Al2O3颗粒从加工表面推入，导致表面Al2O3颗粒浓度更高（37％）层增加了加工表面的耐磨性。这样可以改善表面光洁度并延长刀具寿命。 LAM报告了较高的压缩残余应力（是传统加工的3倍）。然而，Barnes等人研究了Al / SiCp / 18P MMC热加工（200 - 400°C）的影响，并发现由于在低切削速度下积累边缘而增加了刀具寿命[37]。但是在更高的工件温度下，复合材料棒的工具寿命比传统加工更短。

  进一步研究了颗粒状MMCs（Al / SiCp / 20），研究了工件温度对不同切削速度范围（切削速度越来越低）的影响，结果表明表面粗糙度（37％），刀具寿命（150-200m / min时为40％，50-100m / min时为57％），通过将表面粗糙度标准定义为2μm[3]，损伤深度取决于传统加工的切削速度。由于Ft / Fc的范围小，工件温度对次表面损伤的影响相对独立。然而，Al / Al2O3 / 60f上的LAM显示出随着材料去除温度的增加，纤维拉出方面的可观察到的损坏减少。进给速率对刀具寿命和表面粗糙度有负面影响，材料去除温度为300˚C[39]。表5总结了复合材料激光辅助加工的最新研究成果。

表5激光辅助复合材料加工总结

  3.6切割难加工材料中使用的刀具材料

在加工这些难以加工的材料时的固有挑战是所选择的切削工具应该承受高温下的机械应力和热应力。 LAM采用不同类型的切削刀具，陶瓷，涂层硬质合金刀片，CBN，PCD，PCBN。 PCBN用于氮化硅[25]和氧化锆[27]的LAM，氧化铝[29]和莫来石[28]的碳化物嵌件。然而，与在测试条件下的氧化锆LAM时的碳化物相比，在PCBN中观察到更长的工具寿命。激光辅助加工氧化锆和PCBN时观察到的最常见的磨损机制是磨损，扩散和粘附[27]。但是，与氧化锆[27]相比，由于氧化锆的低延展性和热扩散性，在氮化硅LAM中没有观察到磨损和扩散磨损[25,30]。发现PCD不适用于氧化锆陶瓷上的LAM。基于对不同类型的切削刀具Ti-6AL-4V [15]和Inconel 718合金[20]进行的研究和研究，报道了TiAlN涂层硬质合金刀片是LAM最适合改善表面粗糙度的工具。陶瓷嵌入件被认为是加工镍基合金[10,22]的替代工具，用于更高的刀具寿命，但由于化学反应性，导热性差和韧性低，它不适用于钛合金。由Kennametal K68 [31]制造的硬质合金刀片SPG 422 TiN涂层或非涂层型切削刀片用于切削淬硬钢和复合材料。对于复合材料的LAM，硬质合金刀片在材料去除率，改善的表面完整性和更高的切削速度下更长的刀具寿命方面得到了有利的结果[38,39]。

  4.用于优化LAM工艺的范围

LAM优于传统加工的优点吸引了许多关于改进可行性的研究，并且可加工性有利于难以切削的材料。很少有研究系统地研究选择LAM参数的最佳值来获得最小切削力，相当好的MRR以及切削刀具材料类型对磨损机理的影响。但是，LAM参数的最佳值取决于激光参数和加工参数。由于影响参数的复杂性及其相互作用，很难找到最佳的加工参数。该评论的重点是通过识别单个参数如何影响加工结果来表征激光辅助加工过程。由于复杂性，需要基于静态的实验设计来研究激光参数对加工结果的影响以及它们的相互作用效应以预测最佳LAM参数设置。通常，加工过程的性能通常以一组响应为特征。如果考虑多个响应，则很难选择能够同时满足所有质量要求的最佳设置。否则，优化一个质量特征可能导致严重的质量损失，而其他质量特性可能不被接受。因此，可以在LAM过程中实现同时优化方法。

  5.结论

  在这项研究中，已经尝试对难以切割的材料进行激光辅助加工的详细审查。审查结果总结如下：

  很明显，与传统方法相比，激光辅助加工可用于提高难以切割的材料的加工效率。

  然而，在这方面还需要进一步研究，以便对工艺材料去除机制有充分的了解，并以适当的方式选择工艺参数。

  3.需要开发基于模拟的模型来分析材料的温度分布，这是降低机械强度所必需的。

  这些研究仅报道了这些难切削材料加工的一个参数效应。然而，对于获得有利的加工研究的变化因素的同时影响尚未得到全面的探索。

  5.需要进一步研究光束尺寸，激光功率，切削参数如切削速度，进给速度，切削深度等工艺参数的最佳选择，以实现整体生产率。目前的研究兴趣还包括通过实验和经验方法探索加工参数同时影响的影响。

大多数关于LAM的研究主要集中在激光辅助车削上。然而，其他加工工艺如铣削，钻孔和磨削在生产系统中起着至关重要的作用。