數控機床

        摘要：基於激（jī）光加熱輔助切削和超聲橢圓（yuán）振動切削（xuē）提出了激光超聲複合切削加（jiā）工工藝。采用聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）刀具（jù）對ＹＧ１０硬質合金進行了常規切削，超聲橢圓振動切削（xuē），激（jī）光加熱輔助切（qiē）削和激光超（chāo）聲複合切削（xuē）對比試驗。檢測了刀具磨（mó）損量、刀具磨損形貌、工件表麵粗糙度以（yǐ）及工件表麵形貌，並通過掃描電鏡（ＳＥＭ）對刀具磨損區域進行了能譜分析，同時（shí）研究了激光超聲複（fù）合切削硬質合金時ＰＣＢＮ刀具的磨損及其對工件表麵質量的（de）影響。最後（hòu），與常規切削（xuē）、超聲振動切削及激光加熱輔助切削進行了對（duì）比試驗。結果表（biǎo）明：激光超聲（shēng）複合切削（xuē）時刀（dāo）具使用壽（shòu）命顯著增加，加工後的工（gōng）件（jiàn）表麵粗糙度平均值分別降低（dī）了７９％、６０％和６４％，且工件（jiàn）表麵更加平整（zhěng）光滑。激光超聲複（fù）合切削硬質（zhì）合（hé）金時，ＰＣＢＮ刀（dāo）具的前刀麵磨損（sǔn）表現為平滑且均勻的月牙窪磨損，後刀麵磨損表現為較窄的（de）三角形磨損帶和較淺的凹坑和劃痕；刀具的（de）失效機（jī）理主要為黏接磨損、氧化磨損和磨粒磨損的綜合作用。
 
       關　鍵　詞：激光超聲（shēng）複合切削；硬質合（hé）金；聚晶立方（fāng）氮化硼（ＰＣＢＮ）刀具；刀具磨損；表麵質量
 
      １、　引　言
 
　   　光學（xué）零件的（de）模壓（yā）成型技術作為一種（zhǒng）高精度光學元件加（jiā）工技術，已成為國際上最先進的光（guāng）學零件製造技術（shù）之一［１］。該項技術需要設計專（zhuān）用的模壓機床，采用高質量（liàng）的模具和選用合理（lǐ）的工藝參數，其中高質量成型模具的材料選擇與加工製造（zào）成為關鍵。最具代表性的模具材料（liào）是以ＷＣ等超硬合金為基體，表（biǎo）麵塗鍍氮化（huà）鈦等薄（báo）膜。但由於模具材料硬度高、脆性大，在加工（gōng）過程中容易產生裂紋，影響工件的加（jiā）工性能，因此對模具材料加工中所使用（yòng）的刀具和加工方法提出了較高（gāo）要求。
 
      在這些模具材（cái）料的精密加工過程中，除了必需使用（yòng）高剛性、高分辨率的超精密數控機床，目前一般采用先磨削加工後拋（pāo）光精加工成光（guāng）學鏡麵（miàn）［２］。特別是在高精度非（fēi）球麵模具加工中，為了進（jìn）一步提（tí）高精度和減輕磨（mó）削的痕（hén）跡，必需超精加工的多次反複［３］。導致高精度光學零件成型模具的製造成（chéng）本較高，製約了該技術的進一步（bù）發展。本文將超聲振動切削和激光加熱輔（fǔ）助切削引入到常規切削中，提（tí）出激光超聲複合（hé）切削加工工藝，采用ＰＣＢＮ刀具對ＹＧ１０硬（yìng）質合金進行（háng）超精密加工實驗研究，來實現硬質合金等硬脆材料的高效（xiào）超精密製造，對促進（jìn）光學零件模壓成型技術的實際應用和以經（jīng）濟高效的方式進行光學元器件的加工具有現實意義。
 
     激光（guāng）加（jiā）熱輔助切削（Ｌａｓｅｒ　Ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｃｕｔｔｉｎｇ，ＬＡＣ）是解決硬（yìng）脆材料、非金屬材料（liào）等難加工（gōng）材料加工的（de）一種新型加工技術（shù）［４］。王揚（yáng）［５］、吳雪峰（fēng）［６］、鄢銼［７］等人分別對複合材料、氮化矽陶（táo）瓷和氧化鋁陶瓷進行了激光加熱輔助切削（xuē）的理（lǐ）論與試驗研究，有效保證了激光加熱切削硬質脆性材料的工藝要求。然而，激（jī）光加熱輔助切削硬脆材料（liào）時，熱（rè）應（yīng）力容（róng）易使工件加工表麵產生微裂紋，從而影響加工質量。針對這一問題，將超聲振動引入到加熱輔助切削過程（chéng）中形成的熱超聲輔助切削加工技術在難加工材料的高效精密加（jiā）工中得到應用（yòng），但取（qǔ）得的相關研究（jiū）成果較少。Ｃ．Ｙ．Ｈｓｕ等［８］利用（yòng）氣焊（hàn）槍加熱工件（jiàn），將超聲振動與高溫輔助切削相複合，研究（jiū）了切削參（cān）數對切削力及工件（jiàn）表（biǎo）麵粗糙度的影（yǐng）響。Ｒｉａｚ　Ｍｕｈａｍｍａｄ等［９－１０］利用帶狀電（diàn）阻加熱器加熱工件對熱超聲輔助切削鈦合金進（jìn）行了普通、超聲、加（jiā）熱輔助切削及（jí）熱超聲輔助切削熱（rè）力學特性仿真研究及工件表麵粗糙度與切削力試驗研究。因此，目前（qián）針對難加工（gōng）材（cái）料熱超聲（shēng）複合（hé）切削的（de）研究主要集（jí）中在切削力、切削（xuē）溫度以及工件表麵質量等方麵，針對刀（dāo）具的（de）磨（mó）損及其機理方麵的研究較少，且加熱工件時的熱源為氣焊槍加熱或加熱器加熱，缺（quē）乏關於激光超聲複合切削的研究。
 
     此外，研究人員在使用ＰＣＢＮ 刀（dāo）具切削淬硬（yìng）鋼、鑄鐵及高溫合金等材（cái）料時的刀具磨（mó）損機理及切（qiē）削性能等研究方（fāng）麵取得了較大進展，而有關加工（gōng）硬質合金時的刀具磨損特性及切削性（xìng）能等方麵的研究相對較少（shǎo）。關（guān）佳亮（liàng）等［１１］采用（yòng）ＥＬＩＤ磨削和機械研磨拋光複合技（jì）術對硬質合金表麵（miàn）進行了超精密加工試驗，研究了各工藝參數對加工表麵（miàn）
粗糙度的影響，並獲得了表麵粗（cū）糙（cāo）度Ｒａ　１８ｎｍ的精密加工表麵，但沒有涉及刀具磨損的研究。郭銳等［１２］對硬質合金進行超高速切（qiē）削（xuē），研究了硬質合金在超高速切削過（guò）程中達到一定切削速度後切削（xuē）力不增反降的原理，對刀具磨損也沒有進行研究。鄶吉才［１３］對納米硬質（zhì）合金刀具進行了在線電解修（xiū）整（ＥＬＩＤ）磨削，研究了納米硬質合金與大理石的摩擦磨損特性，但沒有針對刀具磨損進行研究。鄶吉才（cái）、張飛虎（hǔ）［１４］采用ＥＬＩＤ磨削技術對納米硬質合金的磨削性（xìng）能也進行了試驗研究，分析（xī）了磨削工藝參數對磨削性能的（de）影響，該研究同樣沒有涉及刀具磨損。
 
    由（yóu）以上文獻可知，針對難加工材料激光超聲複合切削方麵的研究和（hé）ＰＣＢＮ 刀具切削硬（yìng）質合金時的刀（dāo）具磨損及其（qí）機理方麵的（de）研究（jiū）較少，而在激光超聲複合切削硬質合金的過程中（zhōng）刀具（jù）磨損嚴重，且刀（dāo）具的微（wēi）量磨損即會導致零件加工質量較差，難（nán）以滿足元器件（jiàn）表麵（miàn）質量達到超（chāo）精密級的光學工程需要。因（yīn）此，開展激光超聲複合切削硬質合金時的ＰＣＢＮ刀具磨損特性的研究很有必要。本文進行了ＰＣＢＮ 刀具常規切削（ＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＣｕｔｔｉｎｇ，ＣＣ）、超聲（shēng）振動切削（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙ　Ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｃｕｔｔｉｎｇ，ＵＡＣ）、激光加熱輔助切削（xuē）（ＬＡＣ）以及激光超聲複合切削（Ｌａｓｅｒ　ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙＡｓｓｉｓｔｅｄ　Ｃｕｔｔｉｎｇ，ＬＵＡＣ ）ＹＧ１０硬質合金刀具（jù）磨損對比試驗，通過（guò）刀具磨損及工件表麵（miàn）質量的觀測，揭示激光超聲複合切削硬質合金時ＰＣＢＮ刀（dāo）具的磨損規律（lǜ）及磨損機理，研究刀具磨損對工（gōng）件表麵質量的影響，為（wéi）ＰＣＢＮ刀具超精密切削硬質合金的應用提供技術（shù）支持並指導生產（chǎn）實（shí）踐。
 

     ２　、激光超聲複合切削加工原理
 
　　切削原理如圖１所示，激光超聲複（fù）合切削加工是在激光加熱輔助切削的基礎上對刀具附加超聲振動的複合加工方法。複合加工中超聲加工和激光加熱輔助加（jiā）工同時進（jìn）行，將高（gāo）功率激光束聚焦在切削刃前的工件表麵，在材料被切除前的短時間（jiān）內將局部加熱到較高的溫度，使材料（liào）的切削（xuē）性（xìng）能在（zài）高溫下發生改變，屈服應力和硬度降低（dī），切削變形從脆（cuì）性轉變為塑性或者準塑性，材料軟化［５－６］；同時對刀具施（shī）以縱彎複合振動使其以橢圓振動軌跡對工件表麵進行切削，以避免刀具後刀麵與已加工表麵之間（jiān）的長時間摩擦，同時緩（huǎn）解（jiě）刀具（jù）的崩刃破損和對工（gōng）件加工質量的不利影響［１５］。顯然，激光超聲複合切削加工將激光加熱輔助切削和超聲加工相結合，充分利用超聲加工和熱加工的優點，以期在一定程度上減小（xiǎo）刀具磨損、降低加工成本、提高加工質量。
 

    
      圖１　激光超聲複合切削原理
 
      圖１中（zhōng），工件以轉速ｎ做旋轉運動，同時刀具沿徑（jìng）向做進給運動，以實現端麵切削。將（jiāng）高（gāo）能激光束打到刀具切（qiē）削方向的前（qián）方對工（gōng）件（jiàn）進行預加熱，以改善材（cái）料的切削特性；同時對切削刀具在切向和徑向分別施以同（tóng）頻超聲振動ｆａ
和ｆｂ，以實現對軟（ruǎn）化後的工件材料進（jìn）行橢圓超聲振動切削。因此，激光超聲複合加工有望實現刀具磨損的降低及提高（gāo）工件表麵質量。
 
     ３　、實　驗（yàn）
 
     ３．１　工件與刀具
 
     試驗選用直徑為φ４９ｍｍ的ＹＧ１０硬質（zhì）合金軸件，ＷＣ含量為９０％，Ｃｏ含量為８％。所用的ＰＣＢＮ菱形刀片型號為ＤＣＧＷ０７０２０４、邊長為７ｍｍ，根據刀片尺寸，通（tōng）過ＤＭＧ加工中心在（zài）變幅杆頂端加工出大小對應的刀槽，用（yòng）螺釘將ＰＣＢＮ刀片固定在變幅杆上，裝夾後的刀具幾（jǐ）何參數如表１所示。圖２所（suǒ）示為經超景深顯微鏡檢測的切削試驗（yàn）前的ＰＣＢＮ刀具。
 
 
                         表１　刀具幾何參數
     

     
      圖２　試（shì）驗前的ＰＣＢＮ刀具
 
     ３．２　試驗設置
 
     激光超聲複合切削試驗裝置如圖３所示（shì），采用最小分辨率為１０ｎｍ 的ＳＰＨＥＲＥ３６０超精密金剛石數控車床和ＹＡＧ激光加熱係統（tǒng）。激（jī）光加熱係統由激光主機、激光電源（yuán）、冷卻係統、激光指（zhǐ）示定位係統、光纖傳輸係統、導光聚焦係統等組成，將激光器的聚焦裝置（zhì）通過光纖連接到激光器主機，用支架固定在車（chē）床工作台上，通過對激光頭位置和角度（dù）進行調節，光斑同刀尖保持一定（dìng）距離。超聲振動係統包括超聲波發生器、縱向壓電換能器、開（kāi）斜槽變幅杆和車刀，可實現加工過程中刀具的二維縱彎複合振動。實驗過程中，將二維（wéi）超（chāo）聲振（zhèn）動（dòng）裝置與測力儀連接在一起固定在機床工作台上，實現超聲振動裝置和激光聚焦裝（zhuāng）置在切削過程中時刻保持同步。
  
  

     
      圖３　試驗裝置
 
      利（lì）用（yòng）德國歐普士生產的ＯＰＴＲＩＳ－ＣＴ紅外測溫儀在（zài）線測量工件表麵溫度（見圖３），通過阻抗分析儀和激光位移傳感器對聲學係（xì）統進行振動頻率和振幅測試。實驗參（cān）數如表２所（suǒ）示。
 
 
                         表２　實驗參數（shù）

    
      研究（jiū）表明，當溫（wēn）度高於４００℃時，硬質合（hé）金的硬度大幅度下降，材料被軟化，塑性增強［１６－１７］。圖４所示為表２實驗條件下的工件加熱區（qū）域縱切（qiē）麵（miàn）溫度場的分布，同時測得工件（jiàn）表麵激光光斑中（zhōng）心（xīn）的平均溫度（dù）為６６５℃，刀尖點的平（píng）均溫度為４００℃。在此溫度下，工件材料（liào）的可加工（gōng）性能得到一定改善（shàn），同時刀尖也不會因溫度過高而縮短壽命（mìng）。因此，在室溫下進行傳統切削（xuē）及二維超聲振動（dòng）切削（xuē）試驗，在刀尖平均溫度為４００℃左右時進行激光加熱輔助切削和激光超聲複合切削試驗。另外，當開啟超（chāo）聲波發生器時（shí）為（wéi）二維超聲振動切削和激光（guāng）超聲複合切削，關閉超聲波發生器時為傳統切削和激光加熱輔助切削。在每一種切削條件下（xià）使用一把（bǎ）車刀對工件進行端（duān）麵切削，走（zǒu）刀到直徑３７ｍｍ時退刀。每走一段路程後取下刀具，用ＫＥＹＥＮＣ　ＶＨＸ－２０００Ｃ超景深（shēn）顯微（wēi）鏡和ＳＥＭ 掃描電鏡觀測刀具磨損並對刀（dāo）具磨損區域進行（háng）能譜分析（xī），用白光幹涉儀對工件加工表麵（miàn）形貌及表麵粗糙度進行檢測。
 

      圖４　工件（jiàn）加（jiā）熱區域的溫度場（chǎng）分布
   
      ４　、試驗（yàn）結果
 
　　圖５～１２以及表３中，ＣＣ表示普通切削，ＵＡＣ表示超（chāo）聲（shēng）振動切削，ＬＡＣ表示激光加熱輔助切削，ＬＵＡＣ表示激光超聲複合切削。
 
     ４．１　刀具（jù）後刀麵磨（mó）損（sǔn）特性
   
     圖５所示為不同切削條件下ＰＣＢＮ 刀具切削（xuē）ＹＧ１０硬質合金（jīn）時的（de）後刀麵磨損曲線（xiàn）。可以看出，從常規切（qiē）削、超聲振動切削、激光加熱切削到（dào）激光超聲複合（hé）切削，切削路程相同時ＰＣＢＮ刀具後刀（dāo）麵磨損量逐漸減小，且（qiě）４ 種切削方式下ＰＣＢＮ刀具（jù）磨損量隨著切削路程的增加（jiā）均不（bú）斷增大（dà），但不同階段（duàn）的磨損增長率不同：初（chū）期磨損階段４種切削方（fāng）式後刀麵磨損率差別不大；正常磨損階段（duàn）超聲切（qiē）削與（yǔ）激光加熱切削磨損量基本相同，而激光超聲（shēng）複（fù）合切（qiē）削磨損量則明顯減小且持續時間較長；後期（qī）磨損階段，常（cháng）規切削、超聲（shēng）切削及激光加熱切削時刀具磨損速度較快，且磨損量明顯高於激光超聲複合切削。
 

    
     圖（tú）５　刀具後刀麵（miàn）磨損曲線
   
 
     圖６所示（shì）為切削路程分別為２８３．４ｍ、３６８．３ｍ和５８４．４ｍ時不同切削條件下（xià）的刀（dāo）具磨損形貌圖。可以看出，４種切（qiē）削方式（shì）下刀具後刀麵均形成三角形狀的磨損帶。在切削距離為２８３．４ｍ時刀具出現了較（jiào）大程度的磨損，後刀麵磨損帶內出現了沿切削方向的溝槽，且常規切削和激光加熱輔助切削時的磨損（sǔn）程度最為嚴重（chóng），其次是超聲振動切削，激光超聲複（fù）合切（qiē）削時刀具後刀麵磨損較輕。此（cǐ）時４種切削方式下刀具均處於初期（qī）磨損狀態。
  
    

     圖６　不（bú）同切削距離（lí）時的刀具磨損形貌（從左至右，切削距（jù）離依（yī）次為２８３．４ｍ、３６８．３、５８４．４ｍ）
  

     切削距（jù）離為３６８．３ｍ時，４種（zhǒng）切削方式下刀具後刀麵磨損帶寬度逐漸增加，後刀麵磨損區域呈現（xiàn）平（píng）滑（huá）且均勻（yún）的狀態。常規切削時後刀麵磨損帶寬度及長度明顯增加，超聲振動切削時在刀具前刀（dāo）麵近切（qiē）削刃區域（yù）出現了明顯的月牙窪磨損，激光加熱輔助切削（xuē）時刀具後刀（dāo）麵磨損區域近切削刃區域（yù）出現了明顯的溝槽（cáo），而激光超聲複合切削時刀具後（hòu）刀麵（miàn）磨損程度依然較輕（qīng）。此時刀具處於正常（cháng）磨（mó）損階段。
 
     切削距離達到５８４．４ｍ 時，４種切削條件下的刀具前、後刀麵磨損形貌分別如圖７、圖８所示（shì）。可以看出，刀具磨損程度繼續增加，刀具後刀麵磨損帶的寬度持續（xù）增大，且磨損（sǔn）帶內溝槽的數量及深度均增加。其中（zhōng），常規切削（xuē）時磨損最為（wéi）嚴重（chóng），前刀麵近切削刃處出現了脆性剝落且後帶麵磨損帶（dài）內甚至出現了裂紋；超聲（shēng）振動切削時由（yóu）於刀尖部位受高頻斷續衝擊，刀具前（qián）刀麵（miàn）近（jìn）切削刃附近出現了片狀脫落［１８］；激光加熱輔助切削時近切削刃（rèn）處出現了（le）崩刃現象，且後刀麵磨損帶內的溝槽深度較深。另（lìng）外，激光加熱輔助切削（xuē）及激光超聲複合切削時刀具後刀麵磨損帶內（nèi）均出現了不同程度的“麻斑”現象。此時，激光（guāng）超聲複合（hé）切削（xuē）時刀具仍然處於正常磨損階段，而另外３種切削方（fāng）式下刀具均（jun1）已處於劇烈磨損（sǔn）階（jiē）段。
 

    
     圖７　切削距離為５８４．４ｍ時的刀（dāo）具前（qián）刀麵磨損形貌
 

    
     圖８　切（qiē）削距離為５８４．４ｍ時的刀具後刀麵磨損形貌
   

     ４．２　刀具磨損對（duì）工件表（biǎo）麵質量的影響
 
     圖９所示為切削路程增加（jiā）時不（bú）同切削方（fāng）式下的工件表麵粗糙度。可以看出，在相同的加工工藝（yì）參數下，從常規切削、超聲振動切削、激光加熱輔助切削到激光超聲複合切削，加工（gōng）後（hòu）的工（gōng）件表麵粗糙度值呈現減小的趨（qū）勢，激光超聲複合切削時（shí）表麵粗糙度值最小。試驗中，當切削距離為１００．０８ｍ時４種切削方式下獲得的表麵粗糙度值均最小（xiǎo），但與常規切削、超聲振動切削以及激光超聲複合切削相比，激（jī）光超聲複合切削所獲得的表麵粗糙度Ｒａ 值分別降低約６８％、４２％ 和１４％，整個切（qiē）削路程中獲得的表麵粗糙（cāo）度平均（jun1）值分別降低７９％、６０％和６４％。
 

      圖９　不同切削距離時的工件表麵粗糙度（dù）
   
      另外，隨著切削路程的增加，４種切削方式下的工件表麵粗糙度值均增加，其中激光超聲複合切削時工件表麵粗糙度值的變化較小。常（cháng）規切削（xuē）時在（zài）切削距離（lí）達到４４４ｍ 之（zhī）前以及超聲（shēng）振動切削（xuē）及激光超聲（shēng）複合切削（xuē）方式下切（qiē）削距離未超過５８４ｍ時，工件表（biǎo）麵粗糙度值隨（suí）著切削距離（lí）的增加僅有小（xiǎo）幅上升，說明刀具磨損處於平緩穩定的正常磨損階段，可獲得較高表麵質量的工件。而常規切削時切削（xuē）距離超（chāo）過４４４ｍ、超聲振動切削及激光加熱輔助切削時切削距離超過５８４ｍ時，與達到此距離前相比，工件表麵粗糙度（dù）值急劇增加，當切削距離達到８３０ｍ時，這３種切削方式下（xià）的工件表麵粗糙度值Ｒａ分別增至０．２８μｍ、０．１１μｍ和０．１４μｍ，與３種切削方式下的最小表（biǎo）麵粗糙度值相比分別增加了７２７％、４８０％和（hé）１　０３６％，說明這３種切削方式下刀具處於不（bú）穩定的劇烈磨損階段，隨著刀具磨損的加劇，已無法獲得高質量的工件表（biǎo）麵。而激光超聲複合切削方式下切削距離達到８３０ ｍ 時的（de）表麵粗糙度Ｒａ 值為０．０３μｍ，比最小粗（cū）糙度（dù）值增加了１８４％，說明此時刀具仍（réng）處於正常（cháng）磨損階段，依然（rán）可以獲得較高的工
件表麵質量。
 
      圖（tú）１０所示為４種切削條（tiáo）件下工件的表麵微觀形貌（mào）。可以看出，沿進給方向工件已加工表麵（miàn）存在明顯的加工紋理，常規切削時工件表麵分布著較深而窄的（de）刀痕，呈現（xiàn）明顯的脆性去除的溝（gōu）槽特征，而（ér）超聲振動切削時工件表麵上刀痕兩邊的（de）材料往兩邊（biān）伸展，刀痕呈現顯微（wēi）塑性變（biàn）形（xíng），工件表麵上存在近（jìn）塑性去（qù）除的加工紋理（lǐ），溝槽變得寬而淺。而激光加熱輔助切削和激光超聲複合切削時工件表麵呈現明顯的塑性變形，溝槽（cáo）基本消失，表麵完整性良好（hǎo），尤其是（shì）激光超聲複（fù）合切削時的工件表麵形貌更加（jiā）平整、光滑。
 

      圖１０　不同切削方式下的工件表麵形貌
   
      ４．３　分析（xī）與討（tǎo）論
 
      在刀具的初期和正（zhèng）常磨損（sǔn）階段刀具比較鋒利以及ＰＣＢＮ刀具良好的導（dǎo）熱性使得４種切削方式下的刀具後刀麵磨損量以及工件表麵粗糙度值（zhí）平穩增加（jiā）。常（cháng）規切削時工件（jiàn）材料（liào）的高硬度（dù）及低塑性使得切削過程中刀具和工件之間的作（zuò）用力較大，而刀具與工件的連續接觸也不利於熱量的散失，從而造成嚴重的刀具磨損以（yǐ）及較低的工（gōng）件表麵質量；超聲振動切削時工件和刀具的斷續接觸和分離大大降低了切削力和摩擦力，使得刀具的磨損量小於常規切削且（qiě）刀具壽命較長。另外，超聲振動過程中的高頻振動致使刀具在切削方（fāng）向上產生較大的加速度，刀尖上聚集了極（jí）高的動（dòng）能，工件材料被瞬間切除，剪切帶材料斷裂後的裂紋還沒來得及向四（sì）周擴展（zhǎn），刀具已經卸載對工（gōng）件力的作用，減少了表麵撕裂的（de）可能，這些都使（shǐ）得超聲振動切削獲得的（de）工件表麵粗糙度值較小、表麵質量較（jiào）高；激光加熱輔助切削過程中工（gōng）件材料被軟化、塑性增強，大大降低了切削力並避免了常（cháng）規切削和超聲振動切削中（zhōng）刀具與工件表（biǎo）麵的一些脆硬性衝擊作用，從而使得刀具磨（mó）損和工件表麵粗糙度（dù）值大大（dà）降低、工件表麵表麵質量大大提高。激光超聲複合切削融合了（le）激光軟化工（gōng）件材料的能力和（hé）超聲振動斷續切削和方便排屑的（de）優點，大大降低了對刀具和工件（jiàn）表麵產生（shēng）破壞的可能（néng）性，刀具（jù）的磨損（sǔn）量更小、使用壽命更長，工件表麵更加平整、光滑。
 
      圖１１所示為切削力隨刀具磨損的變化。可以看出，在刀具的劇烈磨損階段，刀具的鋒利性降低以及刀具與（yǔ）工件之間的接觸麵積增大造成切（qiē）削力大幅度增加，切削溫度（dù）急劇上升，從而導致刀具的磨損量急劇增加，工件表麵質量明顯降低。與（yǔ）超聲振動切削相比（bǐ），激（jī）光加熱輔助切削時工件材料較大的塑性變形以及較高的切削溫度使得切削力增大、刀具磨損增加、工件表麵質量降低。激（jī）光超聲複合切削時由於刀具（jù）依然（rán）處於正常磨損階段，因（yīn）此刀具的磨損量及工件表麵粗糙度（dù）值平穩增加，工件（jiàn）表麵質量較好。
 
      在切削的初始階段，由於刀具的磨損較小且刃口鋒利，在切削刃處容易形成應力（lì）集中；此外，ＰＣＢＮ車刀較大的負倒棱前角（jiǎo）（－２０°）使得刀（dāo）具前刀麵上的作用力和切削溫度（dù）大大增加。因此，與後刀麵相比（bǐ），刀具前刀麵上近（jìn）切削（xuē）刃處的區域承受著高溫高壓的作用（yòng），擴散和氧化成為前刀麵磨損中的主要原因（yīn）［１９］。隨著（zhe）切削距離的（de）增加，刀
具（jù）前後刀麵受到一定程度的磨（mó）損致使刀具的鋒利（lì）性（xìng）下降，從而（ér）在一定程度上（shàng）降低了前（qián）刀麵上近切削刃處的（de）應（yīng）力集中；此外，切削過程中較小的切削用量以及工件材料的（de）高硬度與（yǔ）低塑（sù）性的特性使得在刀具前刀（dāo）麵上不會存（cún）留大量的切屑，使得（dé）切（qiē）屑底部與前（qián）刀麵之間的相對運動對刀具前刀麵磨損的（de）影響（xiǎng）較小；但是（shì），由於ＰＣＢＮ 是由無數微小而（ér）
無方向性（xìng）的ＣＢＮ單晶組成，在ＣＢＮ聚晶過程中通過觸媒或（huò）添加（jiā）劑向材料中擴（kuò）散進去的“雜質”（如Ｓｉ、Ｃａ、Ｃｕ等元素）存在於（yú）晶界間，致使（shǐ）晶界處的強度較低，聚（jù）晶體的實際強度遠低於其理論（lùn）值，刀具切（qiē）削刃在切削力的作用下容易產生微小單晶顆粒脫落的現象，即微裂解，而多個ＣＢＮ顆粒的剝落則形成了崩刃現象［２０］。
 

      圖１１　不同切削距離時（shí）的切（qiē）削力（lì）
 
     切削過程中（zhōng）刀具後刀（dāo）麵與工件已加（jiā）工表麵之間的擠壓、摩擦、彈（dàn）性恢複以及相對運動形成了兩者之間複雜的相互作用力和較高（gāo）的切削溫度。在切削的初始階段，刀具較好的鋒利性使得後刀麵與（yǔ）已加工表麵之間的（de）實際接（jiē）觸麵積較小，因（yīn）此，兩者之間的作用力較小。但是，由（yóu）於ＰＣＢＮ刀（dāo）具（jù）由ＣＢＮ顆粒和黏結相燒結而成，硬質合金中的硬質
點對刀具後刀麵的刮擦、研磨（mó）作用使得作為粘結相的金屬材料（liào）產生磨損，從而致使刀具（jù）中的ＣＢＮ顆粒（lì）突露出表麵，受到衝擊或因鬆動，ＣＢＮ 顆粒很容易產生剝落。
 
      因此，在切削路程的初始階段，磨粒磨損（sǔn）和（hé）粘接劑磨損成為刀具磨損的主要原因，從而導致刀具後刀麵呈現出分（fèn）布有不同程度凹坑和刀痕的磨損亮帶。隨著切（qiē）削距離（lí）的增加（jiā），後（hòu）刀麵與已加工表（biǎo）麵（miàn）之間的實際接觸（chù）麵積以（yǐ）及後刀麵磨損量均逐漸增大，且後刀麵磨損量的增加又使得刀具實（shí）際（jì）後（hòu）角（jiǎo）減小，再加上ＰＣＢＮ車（chē）刀較大的負倒棱前角使得切屑的流（liú）出方向幾乎接近後刀麵，這些因素導致刀具後刀麵承受的作用力明顯增加，而這又進一步降低（dī）了刀具的磨損和工（gōng）件表麵質量（liàng），刀具（jù）後刀麵呈現出明顯的劃痕、凹坑以
及麻斑現象。圖１２及表３為４種切削方式下通過ＳＥＭ 對（duì）ＰＣＢＮ刀（dāo）具後刀麵磨損區域近切削刃處（chù）進行能譜（pǔ）分（fèn）析結（jié）果。
  

      圖１２　刀具後刀麵（miàn）磨損區域能譜
 

                       表（biǎo）３　刀具後刀麵磨損區域能譜
     
   
      分析圖１２及表（biǎo）３，４種切削方式下元素質量分數的變化說明４種切削方式下刀具（jù）與工（gōng）件之間產生了元素間的相互擴散，這使（shǐ）得ＣＢＮ的惰性（xìng）不斷（duàn）降低，與合金元素的親和傾向增加（jiā），當刀（dāo）具、切屑以及工件之間（jiān）的作用力及溫度達到一定程度時，就產生了ＰＣＢＮ 刀具的黏接磨損，而刀具材料中金屬Ｎｉ的（de）存在則會進一步增強三者之間的黏接強度，從而加劇了黏接磨損，易導致切削刃微（wēi）崩刃（rèn）或崩刃。同時，在激光加熱輔助切（qiē）削和激光超聲複合切削時Ｏ元素的大幅增加說明切削過程中較高的溫度使得Ｃｏ元素和空（kōng）氣中的Ｏ元素（sù）發生化學反應以及ＣＢＮ中的氮元素會被氧元素替換，容易在（zài）刀具磨損邊緣形成氧化（huà）膜，切削時受工件表麵冷硬層及硬（yìng）質點的連續擠壓摩擦（cā），從而造成（chéng）刀具後刀麵的氧化磨損，當磨損量達到（dào）一定程度（dù）時，就會形成氧化磨損溝槽。另外，ＰＣＢＮ刀具中Ｂ元素的大幅減（jiǎn）小，特別是在常規切削、激光（guāng）加熱輔助切削及激光超聲複（fù）合切削時刀具後（hòu）刀麵未能檢測到Ｂ元素（sù），證明此處已被黏接的工件材料覆蓋，刀具出現不同程度的黏接磨損。而超（chāo）聲切削（xuē）及激光超聲複合切削時（shí）Ｔｉ、Ａｌ等（děng）元素的減小說明由於超聲高頻斷（duàn）續衝擊的作用，刀具出現了（le）不同程度的（de）磨粒磨損。
 
      因此，常規切削ＹＧ１０硬質合金時，磨粒磨損和黏接磨損是ＰＣＢＮ刀具的主要（yào）磨損形式；超聲振動切削時，刀（dāo）具的主要磨損形式為磨粒磨損；激光加熱輔助切削時，刀具（jù）的磨損由黏接磨損和氧化磨損共同（tóng）作用產生（shēng）；而激光（guāng）超聲複合切削時，黏接磨損、氧化磨損和磨粒磨損（sǔn）共同導致了刀具的磨損。
 
      ５　、結　論
 
　  　本文通過超聲振動切削和激光加熱輔助切削複（fù）合加工工藝，利用ＰＣＢＮ 刀具對ＹＧ１０硬質合（hé）金進行了激光超聲複合超精密切削。結果表明（míng）：隨著切削路程的增加，４種切削方式（shì）下的刀具磨損量及工件表（biǎo）麵粗糙度值均（jun1）增加，其（qí）中激光超聲複合切削時變化較小。對（duì）比普通切削、超聲橢圓振動切削（xuē）和激（jī）光（guāng）加熱輔助切削，激光超聲複合切削ＹＧ１０硬質合金時ＰＣＢＮ 刀具使用（yòng）壽命（mìng）明顯增加，工件加工後的（de）表麵粗糙度（dù）平均值分別降低７９％、６０％和６４％。普通切削和超聲橢圓振動切削硬質合金時ＰＣＢＮ 刀（dāo）具前（qián）刀（dāo）麵上呈現出不同程（chéng）度的脆性剝落和片狀剝落，而激光加（jiā）熱輔助切削及激光（guāng）超聲複合切削硬質合金（jīn）時ＰＣＢＮ 刀具（jù）易於在刃口產生崩刃；４種切（qiē）削方式下刀具後刀麵磨損形式（shì）主要表現為三角形狀的磨損帶以及磨損表麵上的凹坑和（hé）劃痕（hén），其中，激光（guāng）超聲複合切削（xuē）時磨損帶較窄且凹坑（kēng）和劃痕較淺。切削ＹＧ１０硬質合金（jīn）時，ＰＣＢＮ刀具承受著機械、擴（kuò）散、黏接、氧化和微裂解的綜合作用，激光超聲複合（hé）切削ＹＧ１０硬質合（hé）金時ＰＣＢＮ刀具的磨損主要是黏接磨損、氧化磨損（sǔn）和磨粒磨損共（gòng）同作用的結果。