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引言

聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride, PCBN)是繼人造金剛石之后的又一種新型超硬合成材料，因其較高的硬度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性在刀具行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，它的出現(xiàn)為黑色金屬及硬、韌難加工材料的切削加工開(kāi)拓了廣闊的前景。作為21世紀(jì)更新?lián)Q代的新型刀具材料，PCBN在硬態(tài)切削、干式切削、高效高精密切削等現(xiàn)代切削加工中的使用，已顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，受到世界各國(guó)的關(guān)注和重視。國(guó)外對(duì)PCBN刀具的研究已基本進(jìn)入成熟階段，產(chǎn)品也向系列化、多樣化發(fā)展，其中英國(guó)Element Six公司新研制的AMB90型PCBN整體圓片直徑更是達(dá)到了101.6mm，使材料利用率得到顯著提升。相比之下，我國(guó)PCBN的發(fā)展滯后，PCBN的品種單一、產(chǎn)品系列少，性能的穩(wěn)定也有待進(jìn)一步提高。

PCBN因其難加工的性質(zhì)，一直制約著超硬刀具的應(yīng)用與發(fā)展，PCBN的切割方法一般有金剛石砂輪切除式切斷、電火花線切割和激光切割3種。采用金剛石砂輪切割方法簡(jiǎn)單，但加工質(zhì)量差，產(chǎn)品合格率低，已逐漸為后兩者取代。由于CBN顆粒的導(dǎo)電性差，使得電火花切割PCBN很難高效率實(shí)現(xiàn)，HE和JIANG等人曾通過(guò)在PCBN燒結(jié)過(guò)程中加入導(dǎo)電性好添加劑和增大壓力的方法，提高了PCBN電火花線切割的可加工性，但其僅能實(shí)現(xiàn)小批量制作和生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)外大多PCBN仍無(wú)法加工。激光切割在加工PCBN中凸顯了加工效率高、切割質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。XIAO等人曾做過(guò)電火花線切割與激光切割PCBN的對(duì)比試驗(yàn)，獲得了PCBN復(fù)合片線切割粗糙度Ra≈5μm、激光切割粗糙Ra≈1μm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了激光是切割PCBN實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率加工的有效方法。水導(dǎo)激光因優(yōu)良的切割特性也逐漸被使用。WU等人利用水導(dǎo)激光的方法切割PCBN，有效降低了熱影響區(qū)，減少了裂紋的產(chǎn)生。瑞士EWAG公司新生產(chǎn)的LASER LINE ULTRA激光磨床，更是實(shí)現(xiàn)了超硬刀具的切割、成型加工及刃口修整一步到位，成為激光加工超硬材料領(lǐng)域新的標(biāo)桿。

目前PCBN的激光切割已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用，但在加工生產(chǎn)過(guò)程中，因其材料本身脆硬難加工性，切割參量選擇不當(dāng)，易出現(xiàn)裂紋、崩邊等現(xiàn)象。同時(shí)由于激光設(shè)備與材料價(jià)格比較昂貴，還很少有全面且完善的激光切割PCBN復(fù)合片的工藝性研究。本文中作者從研究PCBN材料本身入手，試驗(yàn)獲得PCBN的激光燒蝕閾值，并做了簡(jiǎn)要分析；通過(guò)不同切割參量的工藝試驗(yàn)，分析了激光功率、脈沖頻率、切割速率對(duì)PCBN切割質(zhì)量的影響規(guī)律，在保證切割效率的同時(shí)，獲得了好的激光切割參量。

1.   實(shí)驗(yàn)條件及方法

本實(shí)驗(yàn)中激光設(shè)備采用NSC-LC-100型Nd: YAG脈沖激光切割機(jī)，激光波長(zhǎng)λ=1064nm，脈沖寬度τ=100μs，輸出功率為100W；采用三片式復(fù)合聚焦鏡，焦距為150mm，聚焦光斑直徑為0.1mm~0.18mm；噴嘴高度為1mm，采用壓縮空氣為輔助氣體，氣體壓力為0.6MPa。為了獲得的切縫寬度和較優(yōu)的切割質(zhì)量，離焦方式采用零離焦，即激光焦點(diǎn)位于材料上表面。實(shí)驗(yàn)材料為日本住友生產(chǎn)的聚晶立方氮化硼BN250，CBN含量60%，顆粒度1μm，粘結(jié)劑為TiN，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料如圖 1所示。

Figure 1.  Laboratory equipment and materials

a—NSC-LC-100 laser cutting machine b—polycrystalline cubic boron nitride

進(jìn)行工藝試驗(yàn)時(shí)，采用打孔方式來(lái)計(jì)算得出PCBN在該條件下的燒蝕閾值，通過(guò)切割試驗(yàn)獲得各切割參量對(duì)切割質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)完成后，采用MV6000金相顯微鏡對(duì)切縫表面和側(cè)面進(jìn)行測(cè)量和分析。

2.   實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1   PCBN激光燒蝕閾值的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

所謂燒蝕閾值就是對(duì)材料產(chǎn)生不可逆破壞時(shí)去除單層材料所需能流密度，單脈沖激光能量密度很大程度上決定著激光燒蝕的效率。理論上來(lái)講，激光脈沖能量稍大于燒蝕閾值時(shí)加工質(zhì)量好，但在實(shí)際中由于能量不同程度的散失，一般經(jīng)驗(yàn)表明，在合理的去除速率條件下好的精度可以通過(guò)功率密度選擇在5倍~10倍的閾值激光脈沖獲得。因此分析PCBN激光燒蝕閾值可以一定程度上指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，避免能量過(guò)大造成裂紋和能量過(guò)小造成的切不透或者效率低等現(xiàn)象。

目前確定燒蝕閾值的方法主要有在線觀測(cè)、形貌檢測(cè)及數(shù)值計(jì)算等。本實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)值計(jì)算的方法并輔以顯微觀測(cè)，推導(dǎo)出燒蝕直徑D與脈沖激光能量E的函數(shù)關(guān)系，將線性曲線外推至D=0處，從而得出材料的破壞閾值，同時(shí)還能夠獲得光束的焦點(diǎn)半徑。

不同能量密度的激光加工PCBN時(shí), 材料表面會(huì)形成不同直徑的孔，得到半徑r與脈沖能量E的關(guān)系為[14]

式中，ρ為脈沖空間半徑，E0為入射脈沖激光能量，Eth為燒蝕半徑為r時(shí)的脈沖激光能量。光束焦點(diǎn)半徑w0的平方是空間半徑ρ平方的2倍，因此(1)式可以變?yōu)槠毡榈难芯繜g直徑D與聚焦后焦點(diǎn)半徑w0以及入射脈沖激光能量E0的關(guān)系：

此處應(yīng)當(dāng)指出，本實(shí)驗(yàn)中為多脈沖燒蝕，單脈沖與多脈沖燒蝕閾值之間關(guān)系式可表示為：

式中，Fth(1)為單脈沖燒蝕閾值；Fth(∞)為多脈沖燒蝕閾值；a為能量累積強(qiáng)度；N為脈沖個(gè)數(shù)。由此可見(jiàn)，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)逐漸增大，燒蝕閾值有減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槎嗝}沖燒蝕存在著能量累積。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)增大到一定數(shù)值時(shí)燒蝕閾值趨近定值，且材料的吸收系數(shù)越大燒蝕閾值就越低。

通過(guò)PCBN不同激光功率密度下的燒蝕顯微觀測(cè)，獲得了入射脈沖激光能量E0與燒蝕孔徑形貌之間的關(guān)系如圖 2所示。

Figure 2.  Relationship between log of laser power and square of ablation diameter

擬合數(shù)據(jù)結(jié)果得到斜率k(k=2w02)值為2361.5，推出激光焦點(diǎn)半徑w0=34.4μm，同時(shí)依據(jù)上述理論，由擬合直線與橫坐標(biāo)截距，可得出脈沖寬度100μs、重復(fù)頻率50Hz、波長(zhǎng)1064nm、脈沖時(shí)間0.5s時(shí)，PCBN激光燒蝕閾值為1.796J/cm2。

從燒蝕閾值來(lái)看，完成PCBN去除僅需要微小能量，但對(duì)于2mm厚的PCBN來(lái)講，實(shí)現(xiàn)高效的激光切割能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，能量過(guò)小會(huì)造成如圖 3a所示的切不透現(xiàn)象。同時(shí)多次試驗(yàn)表明，過(guò)小能量切割PCBN表面粗糙度較差。由于PCBN材料的脆硬性影響，能量過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的崩邊與裂紋，如圖 3c所示。在圖 3b中看到，孔右上角部分呈現(xiàn)橢圓形貌，那是因?yàn)榧す夤馐怪倍炔蛔銓?dǎo)致，該現(xiàn)象也是導(dǎo)致切縫較寬表面質(zhì)量差的一個(gè)重要原因。

Figure 3.  The perforated microstructure under different laser powers

a—P=5W b—P=20W b—P=40W

2.2   PCBN激光切割試驗(yàn)與分析

2.2.1   切割速率對(duì)切割質(zhì)量的影響

切割速率的變化意味著激光與材料相互作用時(shí)間的變化，材料在單位面積上得到的激光能量發(fā)生改變。圖 4為激光功率為20W、脈沖頻率為50Hz、切割速率分別為10mm/min, 20mm/min, 30mm/min, 40mm/min時(shí)，切縫寬度與錐度的變化情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，隨著激光切割速率的增大，切縫寬度有減小趨勢(shì)，但上縫寬基本維持在121μm左右，如圖 5a和圖 5b所示變化不大，下縫寬變化較為明顯，這直接反映到切割錐度上。切割速率增大，切縫錐度變大，切割質(zhì)量有所降低。這是由于激光作用時(shí)間減小，能量密度降低，材料獲得能量較少導(dǎo)致。切割速率過(guò)高易造成切口清渣不凈或切不透，切割速率過(guò)低會(huì)造成如圖 5c中所示的材料過(guò)燒現(xiàn)象，切口寬度和材料熱影響區(qū)過(guò)大、切割質(zhì)量較差、生產(chǎn)效率低。由此可見(jiàn)，切割速率為20mm/min時(shí)的PCBN激光切割質(zhì)量要優(yōu)于其它3種。

Figure 4.  Slit width and slit taper with the change of cutting speed

Figure 5.  Slid microstructure with different cutting speeds

a—top slit, v=10mm/min b—top slit, v=30mm/min c—under slit, v=10mm/min d—under slit, v=30mm/min

2.2.2   激光功率對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光能量是切割過(guò)程得以進(jìn)行的主要能量來(lái)源，功率大小將直接影響切割時(shí)的能量密度。圖 6為采用脈沖頻率50Hz、切割速率30mm/min、激光功率分別為16W, 20W, 24W, 28W時(shí)，切縫寬度與錐度隨功率的變化情況。由實(shí)驗(yàn)可知，激光功率對(duì)切縫寬度和錐度有重要影響，隨著功率的增大，切縫寬度增大錐度減小，材料去除量增加。

Figure 6.  Slit width and slit taper with the change of laser power

2.2.3   脈沖頻率對(duì)切割質(zhì)量的影響

圖 7為不同頻率下縫寬和錐度的變化曲線。其中激光功率20W，切割速率30mm/min，脈沖頻率分別為30Hz, 40Hz, 50Hz, 60Hz。從圖中看出，激光脈沖頻率對(duì)切縫寬度影響大。隨著頻率的增大，縫寬顯著減小，同時(shí)切割錐度也隨之減小。脈沖頻率的大小決定著激光光斑的重疊程度，圖 8為PCBN激光切割、掰片、簡(jiǎn)單去熔渣后斷面形貌圖。上層為PCBN，下層為硬質(zhì)合金。圖中能明顯看出切割后的條紋形狀。根據(jù)單脈沖激光能量E與平均輸出功率Pave和脈沖頻率f的關(guān)系式E=Pave/f可知，隨著脈沖頻率的增加，單脈沖能量減小，光斑重疊度增大，這對(duì)表面切割質(zhì)量的提高和裂紋的減少起著重要作用。

Figure 7.  Slit width and taper curve with pulse repetition rate

Figure 8.  Cutting cross-section morphology of PCBN

2.3   激光切割機(jī)理分析

PCBN的切割質(zhì)量與激光作用在材料表面的能量密度有重要關(guān)系，激光功率和切割速率決定著材料單位面積獲得激光能量的大小。激光斑點(diǎn)上的功率密度I可表示為：

式中，E為單脈沖激光能量，d為光斑直徑，tp為脈沖寬度。在脈寬和頻率一定時(shí)，提高輸出功率能增大激光束功率密度，較高的功率密度使加工過(guò)程中產(chǎn)生更多的蒸汽相物質(zhì)，切割寬度和深度增大，斷面質(zhì)量較好，也利于后續(xù)加工，如圖 9所示。功率的增加使切割速率范圍也隨之?dāng)U大，提高了切割的質(zhì)量穩(wěn)定性和效率，但要避免功率過(guò)大而造成的崩邊。脈沖頻率的增加，單脈沖能量減小，峰值功率降低，縫寬和錐度隨之減小。

Figure 9.  Superior cutting cross-section

激光脈沖頻率和脈沖寬度對(duì)裂紋的減少以及表面切割質(zhì)量的提高有著重要影響。從傳熱學(xué)可知，熱穿透深度為4αt???√4αt(其中α為熱擴(kuò)散系數(shù)，t為熱作用時(shí)間)，可估算出脈寬為100μs的Nd: YAG激光切割材料熱穿透深度約為350μm。脈沖寬度越窄，熱影響區(qū)越小，燒蝕閾值也越小。當(dāng)脈沖寬度低于能量傳遞弛豫時(shí)間時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的“冷加工”去除，有效改善切割表面質(zhì)量。但短脈沖激光加工效率往往很低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超硬材料的快速切割。因此，如何兼顧質(zhì)量與效率一直是值得探討的話題。

3.   結(jié)論

(1) 當(dāng)脈沖寬度100μs、重復(fù)頻率50Hz、波長(zhǎng)1064nm、脈沖時(shí)間為0.5s時(shí)，測(cè)得PCBN燒蝕閾值為1.796J/cm2，激光焦點(diǎn)半徑w0=34.4μm。

(2) 激光功率和切割速率的配合決定著切割線能量的大小，適當(dāng)增加線能量有利于切割質(zhì)量的提高，但要避免材料的過(guò)燒和崩邊現(xiàn)象。脈沖頻率的增加，降低了激光單脈沖能量，切縫寬度與錐度均減小，有利于切割質(zhì)量的改善。

(3) 采用脈寬為100μs的激光，當(dāng)激光功率為28W、脈沖頻率為60Hz、切割速率為20mm/min時(shí)，能夠獲得2mm厚PCBN較優(yōu)的激光切割質(zhì)量，同時(shí)保證了切割效率。

      注明：文章出處：激光技術(shù)網(wǎng) http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.03.009