摘要

       聚晶立方氮化硼（PCBN）是除金剛石以外最為堅(jiān)硬的物質(zhì)材料，傳統(tǒng)的加工技術(shù)很難對(duì)其進(jìn)行切割加工。為此，本研究設(shè)計(jì)出一種激光束加工（LBM）工藝，對(duì)PCBN進(jìn)行加工處理。LBM工藝基于積聚光束的消融去除原理。該試驗(yàn)通過(guò)對(duì)PCBN進(jìn)行LBM加工以此來(lái)研究工件的表面性能。

1. 引言

       聚晶立方氮化硼（PCBN）作為一種優(yōu)越的刀具切割材料，是由立方氮化硼微粉在結(jié)合劑存在下高溫高壓燒結(jié)而成的立方氮化硼多晶體。由于采用燒結(jié)工藝，PCBN一般不再需要額外的加工處理。但對(duì)于攪拌摩擦焊（FSW）工藝，則需要對(duì)PCBN進(jìn)行加工處理。FSW利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源，焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針伸入工件的接縫處，通過(guò)焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。然后隨著焊頭的移動(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。FSW工藝的優(yōu)點(diǎn)主要有殘余應(yīng)力比較低，能耗低，功效高，無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射，焊接工件不易變形。

       攪拌摩擦焊所用到的攪拌針工具要求韌性高、耐磨、抗氧化性能好而且熱導(dǎo)系數(shù)低以降低熱損耗。攪拌針的主體設(shè)計(jì)形狀為凹形，能夠?qū)⒑附庸ぜ蠏仦⑾聛?lái)的碎屑接入凹槽內(nèi)，避免了碎屑飛濺以達(dá)到預(yù)期的焊接效果。攪拌針的尺寸取決于焊接板的厚度，其幾何形狀則取決于焊接材料。因此，對(duì)2mm厚度鋼板進(jìn)行FSW工藝處理時(shí)所需的焊接工具制造，本研究采用激光束加工（LBM）技術(shù)對(duì)PCBN進(jìn)行加工處理。

2. 加工材料和加工工藝

       實(shí)驗(yàn)采用摻鈷氧化鋁基PCBN，如圖1所示。黑色部分為CBN，明亮部分為氧化鋁基。該圖片經(jīng)過(guò)EDX微量分析，圖像增大800倍。表1為PCBN的化學(xué)成份。        實(shí)驗(yàn)采用LBM加工技術(shù)；LBM適用于難加工硬材料的處理；還可用于自由形態(tài)表面的加工。所用機(jī)床為五軸加工中心（CE5AM）。

       LBM基本原理是利用了單色積聚光束的消融作用，把光能源進(jìn)行高度聚集從而縮小了受熱影響區(qū)，既無(wú)磨削工具也無(wú)切削力；同時(shí)也不需要工件冷卻設(shè)備。由于沒(méi)有切削力，工件夾就用膠帶來(lái)替代。實(shí)驗(yàn)采用LASERTEC 80型纖維激光機(jī)，如圖2所示。該機(jī)器可以連續(xù)控制五軸，纖維由鐿制成，可以提供波長(zhǎng)為1.065μm的激光束，它僅在脈沖范圍內(nèi)工作，脈沖頻率調(diào)節(jié)在10-100kHz之間。激光束進(jìn)給速度在100-4000mm.s-1之間。激光發(fā)生器最大功率為100W，光束直徑接近1μm。
       實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)用到以下數(shù)據(jù)：頻率30kHz，進(jìn)給速度1000mm.s-1，切削深度2μm，激光功率12.3%。功率4W。NC系統(tǒng)由Lasersoft 3D軟件提供支持。

3. 實(shí)驗(yàn)

       根據(jù)FSW工藝處理對(duì)工具樣式的要求，用LASERTEC 80型纖維激光機(jī)將PCBN柱體加工為直徑12mm高20mm的試樣，縱向截面如圖3所示。工具表面粗糙度由共聚焦顯微鏡測(cè)量所得。根據(jù)推薦值對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如果切削深度過(guò)大，表面粗糙度會(huì)更高，因此實(shí)驗(yàn)建議將切削深度調(diào)整至最佳時(shí)間/粗糙度比。 4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

       采用調(diào)整參數(shù)，利用LBM原理對(duì)FSW工具進(jìn)行加工，整個(gè)時(shí)長(zhǎng)約4小時(shí)。加工完畢后將試樣送入共聚焦顯微鏡下進(jìn)行表面微觀形貌觀察，如圖4所示；上方為加工形貌的3D示意圖，圖中紅線部分詳細(xì)顯示在下方圖中。不同粗糙度的值如表2所示。


       Rc是粗糙度輪廓元素平均高度（μm），Ra是算術(shù)平均高度（μm），Rq是均方根粗糙度（μm），Rsk是偏斜度（-），Rku是峰度（-），Rp是最大峰高度（μm），Rv是最大谷深（μm），Rt是輪廓總高度（μm），Rz是粗糙度輪廓最大高度（μm），RSc(Sc)是空間輪廓平均高度（μm），Rsa(Sa)是空間算術(shù)平均高度（μm），RSq(Sq)是空間均方根高度（μm），RSsk(Ssk)是空間偏斜度（-），Rsku(Sku)是空間峰度（-），RSp(Sp)是空間最大峰高度（μm），RSv(Sv)是空間最大谷深（μm），RSt(St)空間輪廓總高度（μm），RSz(Sz)是空間最大高度（μm）

5. 結(jié)論

       對(duì)PCBN進(jìn)行LBM加工可以實(shí)現(xiàn)較為理想的粗糙度（Ra 3μm）。與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法相比，LBM工藝僅需利用三軸即可加工出預(yù)期的工件形狀；同時(shí)還縮減了加工時(shí)間。另一方面，LBM也會(huì)引起粗糙度的增加，但若僅用于粗加工，該工藝在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)是可以加工出所需工件表面的，粗糙度也大致保持在一個(gè)較低的水平。對(duì)于精加工而言，由于本實(shí)驗(yàn)所得表面粗糙度不是十分依賴傳統(tǒng)加工工藝，所以像超聲旋轉(zhuǎn)加工之類的工藝可能會(huì)更適應(yīng)精加工。本實(shí)驗(yàn)下一步將研究表面粗糙度對(duì)FSW工藝的影響，以及超聲旋轉(zhuǎn)LBM工藝和高速切割工藝的表面粗糙度對(duì)FSW的影響。（翻譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）