摘要：鈦合金由于其優越的熱機械特性(耐高溫和耐腐蝕)而廣泛應用于航空航天、核電領域，但其獨特的低導熱系數、高強度和加工硬化性能導致其加工困難，表面完整性難以保持。激光輔助加工方法可以有效地提高難切削材料的切削性能，提高其表面完整性。提出一種激光加工與砂帶磨削融合的特種加工方法(激光砂帶加工方法)，建立了激光砂帶加工的焦點控制運動模型，通過對焦點的控制實現利用激光加熱特性和砂帶磨削柔性特性快速去除材料，在自行搭建的激光砂帶加工實驗平臺進行了加工實驗，對不同離焦量下激光砂帶加工的鈦合金樣品的表面三維形貌、微觀結構進行了分析和比較。結果表明，激光砂帶加工過程中離焦量的大小極大程度影響了激光的能量分布，導致激光砂帶加工機理發生變化，離焦量的減少導致表面粗糙度先從8.07μm減少到7.40μm然后增加到22.1μm，材料的氣化和熔化去除現象更加明顯。最后證明了激光砂帶加工方法可以改善鈦合金的加工性能，可以提升表面的耐磨損性能，具有廣闊的應用前景。

　　關鍵詞：鈦合金材料;激光砂帶;離焦控制;表面形貌;熱機械特性

　　高強度材料(如鈦合金)由于其優越的熱機械特性(如耐高溫和耐腐蝕)，即使在惡劣的工作環境中也能保持制造部件的穩定工作，在航空航天、核電醫療等高附加值行業中得到了廣泛應用[13]。然而，它們獨特的性能，如低導熱系數、和加工硬化，導致其加工困難(如刀具嚴重磨損、工件表面完整性不良和材料去除率低)。激光輔助加工(Laserassistedachining,LAM)作為提高難切削材料切削性能方法的經典代表，具有降低切削力、抑制顫振、提高生產率、延長刀具壽命等優點。

　　砂帶磨削作為一種柔性加工方法，應用于銑削、車削等加工方式的后處理加工，在提高工件表面完整性和加工效率方面有著不可比擬的優勢，在復合加工方面有著巨大的潛力，卻一直未被開發1012。由此本文提出激光砂帶加工方法，實現激光和砂帶的優劣勢互補，探究其材料去除機理和表面完整性的形成。在激光輔助車削方面，Kannan等[1對激光車削氧化鋁材料進行了研究，其結果表明隨著激光掃描速率增加，材料受照射時間減少，材料軟化程度下降，切削力增大，最后得到了最優加工參數組合。

　　Habrat等14利用Altin涂層刀具對Ti6Al4V工件進行了激光輔助車削試驗，研究了激光加熱對切削力、切削溫度、刀具磨損和組織變化的影響，結果表明馬氏體相變發生在工件熱影響區的頂部，激光光斑直徑越小，馬氏體區越厚，且分布均勻，降低的車削力值歸因于激光加熱的有益效果。

　　Dandekar等對比研究了車削和激光輔助車削Ti6Al4V的切削力、比切削能、表面粗糙度、顯微組織和刀具磨損，激光輔助車削顯著改善了鈦合金Ti6Al4V的可加工性，降低了比切削能量，改善了表面粗糙度，最佳材料去除溫度為250℃，在此溫度下激光輔助車削刀具壽命比常規加工提高1.7倍。在激光輔助銑削方面，Kumar和elkote15激光銑削A2工具鋼時發現，相比于傳統銑削，材料去除率提高倍，切削力降低69%，毛刺更少，刀具損壞程度明顯降低。Oh和ee16研究了激光銳角銑削，通過控制預熱距離和激光束焦點與刀具距離，以保持材料受熱軟化程度，從而降低切削力和刀具磨損，提高材料去除率，得出了最佳距離和銳角角度。

　　Hedberg等17研究了激光輔助銑削Ti6Al4V(Ti64)工件，實驗表明進給方向和加工方向的切削力分別降低了30%和50%，刀具的總壽命沒有下降，表面未產生有害的熱影響區和相變。Bermingham等18比較了激光輔助銑削、干式銑削、溢流乳化液銑削、微量潤滑銑削和微量潤滑激光輔助銑削過程中的刀具壽命，常規冷卻液可提供優異的刀具壽命，但在較高的切削速度下，冷卻液會因熱沖擊疲勞而降低刀具壽命;微量潤滑可以減緩熱相關磨損過程的速率，使激光輔助銑削刀具壽命提高倍。

　　在激光輔助磨削方面，Hu等19研究了激光輔助微細磨削硬質合金，探究了聚焦位置、砂輪結合劑、激光變量和磨削參數對微磨削表面的影響，結果表明適當的激光能量可減少硬質合金微細磨削邊的邊緣裂紋和切削毛刺，降低表面粗糙度，提高表面質量;微細磨削表面粗糙度取決于工件熔點和磨削深度，主要影響因素是激光功率和磨削深度。Zhang等20開展了激光輔助磨削Ti6Al4V性能研究，發現與常規磨削相比，激光輔助磨削的磨削力降低了45%~56%，磨削溫度降低了41%~52%。

　　Ma等研究了激光輔助磨削氧化鋯陶瓷的表面質量、表面形貌和亞表面損傷，結果表明，激光輔助磨削可以實現延性區域磨削，顯著氧化鋯陶瓷的表面完整性，改善氧化鋯陶瓷的可加工性。Li等22研究了激光輔助磨削RBSiC陶瓷材料去除機理、磨削力比、工件表面溫度和表面完整性，實驗結果表明激光輔助磨削降低了磨削力、表面粗糙度和亞表面損傷，表面粗糙度和亞表面損傷深度均隨激光功率和砂輪轉速的增大而減小，隨進給速度和切削深度的減小而減小。

　　盡管，激光輔助加工已經在難加工材料領域展現了極其巨大的應用潛力，但目前尚未有激光焦點遠離加工平面對加工質量的影響研究，這限制了激光熱效應的充分利用。此外，目前激光輔助加工過程中焦點控制的研究尚未完善，在激光砂帶領域更是寥寥無幾。因此，為了探究激光輔助加工中離焦量對加工機理和加工表面質量的影響，在上述研究的基礎上，提出一種基于單顆粒砂帶磨削模型的激光砂帶離焦加工控制模型，通過不同離焦量下的加工實驗，探究了離焦量對加工表面形貌和表面組織變化的影響。

　　1激光砂帶離焦加工原理

　　1.1激光砂帶加工原理及模型激光砂帶加工技術是基于激光加熱特性和砂帶磨削柔性特性快速去除材料而提出的新興加工技術。激光與砂帶同時作用于加工區域，激光的熱效應可以有效提升鈦合金材料、高溫合金材料等難加工材料的可加工性能，從而使材料砂帶磨削后的表面質量得以提升。而由于砂帶磨削時，磨削的區域為接觸輪的下方，在激光垂直入射的情況下，難以實現激光砂帶的同時有效作用于加工區域。

　　在激光頭處增加了一個反射鏡來調節入射激光的角度，讓激光和砂帶同時偏置一定的角度，使得激光入射到砂帶與加工表面接觸的地方，達到激光與砂帶共同作用加工區域的效果。同時，通過數控系統控制激光砂帶的運動軌跡從而實現協同加工。

　　由于激光的頻率和傳播速度大，在磨粒切削之前就已經照射到材料表面。對于金屬材料，材料表面的原子不斷地吸收激光光子，表面的溫度上升，形成一定的熱影響區域，磨粒在工件表面滑擦，產生塑性變形。而由于表面材料大量吸收光子后溫度急劇上升，表面部分材料會發生表面蒸發，并在加工的表面形成少量的等離子體。隨著時間的增加，表面的溫度逐漸上升，當達到材料的熔點時，材料發生熔化，形成熔池。

　　此時材料的物理性能發生了變化，更容易被磨粒的切削去除。當激光作用到材料表面的時間達到一定程度后，激光在材料內穿過一定深度后最終會被工件全部吸收。激光能量被表層材料吸收后，在表層材料的上下表面均會發生氣化，上表面產生的氣體上升形成等離子體，同時氣體的反沖作用使表面材料受到一定的反沖壓力，使表層材料向下凹陷;下表面產生的氣體由于表層材料的阻礙而積聚在材料內部。因此，激光砂帶加工過程是極其復雜的，還需要進一步研究揭示其作用過程。

　　離焦加工控制模型由于激光能量分布為高斯分布，焦點中心區域的能量密度最高，沿四周方向逐漸減弱，激光加工過程中焦點中心和四周的作用效果并不相同。而激光砂帶加工技術主要利用了激光的加熱特性，激光能量的非均勻分布對激光的熱作用會造成一定的影響。最初加工時，激光焦點處于所加工材料的表面，但持續一段時間后，由于表面材料被去除，材料的待加工表面會處在一個有一定離焦量的加工情況下。

　　在該情況下，由于激光的離焦，其實際材料表面激光的能量分布會發生變化，導致加工去除量和加工表面的變化。在入射激光能量密度較高時，材料表面會發生融化、沸騰、蒸發等熱現象，但這些熱現象在材料表面產生的閾值不同即發生燒蝕的能量密度不同。當激光以不同的離焦量照射在表面時，材料表面照射激光的能量分布密度也會不同，導致表面發生的熱現象也不同。因此有必要對激光砂帶加工過程中的激光離焦量進行控制，并研究不同離焦量下，激光砂帶加工表面完整性的變化。

　　2實驗

　　通過單因素實驗，研究不同離焦量下激光砂帶加工鈦合金表面完整性的形成機理，探索工件表面形貌、微觀組織的變化，待工件冷卻后測試其表面形貌、微觀組織。在本研究中，采用超景深三維顯微系統對砂帶形貌進行了測量和分析，采用白光干涉儀對工件的表面形貌進行了測量和分析，并用掃描電子顯微鏡和能譜分析技術評價了表層組織的變化，通過磨損實驗對表面的耐磨損性能進行了檢測。

　　3實驗結果分析

　　3.1表面三維形貌分析圖所示是離焦量分別為0.15、0.、0.05、0mm時激光砂帶加工的樣品表面形貌。可以看到明顯的砂帶磨削作用和激光燒蝕作用，兩者融合作用于樣品表面，這一點可以由圖中的磨削劃痕和激光燒蝕留下的峰證明。而隨著離焦量的增加，激光砂帶的融合作用機理不會發生明顯的變化，這一點可以從圖圖的對比分析可以得到。

　　激光砂帶加工的微觀表面形貌呈現各向異性，峰值和谷值沿進給方向的變化更加劇烈，而在磨削方向上幾乎沒有變化。在磨削方向上可以觀察到砂帶磨削加工與激光砂帶加工形成的半圓弧形分界線，兩者在峰值和谷值上存在著本質區別。激光砂帶加工區域在進給方向上峰值和谷值變化趨勢跟砂帶磨削區域是相似的，但峰值和谷值普遍要低幾十微米，這是由于激光高熱量使材料軟化導致材料更容易去除，材料的去除深度增大所引起的。

　　航空論文投稿刊物：《航空學報》是中國航空學會主辦的綜合性航空航天學科學技術期刊，長期在我國航空航天類中文核心期刊排名第一。主要欄目有論文、綜述、研究簡報及簡訊等。

　　結論

　　1)針對鈦合金難加工問題，提出一種激光砂帶加工方法，針對加工過程中的離焦現象，本文進行了激光砂帶離焦加工的運動過程建模，實現了離焦距離的精準控制。2)當激光砂帶加工離焦量從.15mm減少到0mm時，表面粗糙度先從8.07μm減少到7.40μm然后增加到22μm，最大峰高從23μm增加到45.4μm，這是離焦量不同引起激光能量分布不同導致的。3)通過對表面微觀組織的分析發現，激光砂帶加工過程中除了磨粒磨削的材料塑性去除，還伴隨著材料的氣化和熔化去除。隨著離焦量的減少，材料氣化和熔化去除現象越明顯,去除區域的能量越集中。通過磨損實驗證明了激光砂帶加工方法可以提升表面的耐磨損性能。

　　參考文獻

　　[1]趙波,李鵬濤,張存鷹,等.超聲振動方向對TC4鈦合金銑削特性的影響[J].航空學報,2020,41(2):623301ZHAOB,LIPT,ZHANGCY,etal.EffectofultrasonicvibrationdirectiononmillingcharacteristicsofTC4titaniumalloy[J].ActaAeronauticaetAstrnauticaSinica,2020,41(2):623301inhinese

　　[2]丁文鋒,奚欣欣,占京華,等.航空發動機鈦材料磨削技術研究現狀及展望[J].航空學報,2019,40(6):022763.

　　作者：肖貴堅，劉帥，賀毅，劉崗，朱升旺，宋沙雨