引言
聚晶(jing)立(li)方氮(dan)化(hua)硼(peng)(polycrystalline cubic boron nitride, PCBN)是繼人造金剛石之后的又一種新型超硬(ying)合成材(cai)料，因(yin)其較高的硬(ying)度、熱穩定性(xing)和化(hua)學惰性(xing)在刀具(ju)行業中得到(dao)廣泛應用，它(ta)的出現(xian)為黑色金屬及硬(ying)、韌難(nan)加工材(cai)料的切削加工開拓了廣闊的前景。作為21世紀(ji)更新(xin)(xin)換代的新(xin)(xin)型刀具材(cai)料，PCBN在硬態(tai)切(qie)削(xue)、干式切(qie)削(xue)、高效高精密切(qie)削(xue)等現(xian)代切(qie)削(xue)加工(gong)中(zhong)的使(shi)用，已顯(xian)示出獨特優勢和巨大的經濟價值(zhi)，受(shou)到世界(jie)各國(guo)的關注(zhu)和重(zhong)視。國(guo)外對(dui)PCBN刀具的研究已基本(ben)進入成(cheng)熟階(jie)段，產(chan)品也向系列化(hua)、多(duo)樣化(hua)發展，其(qi)中英國(guo)Element Six公司新研制的(de)AMB90型PCBN整(zheng)體圓片(pian)直(zhi)徑(jing)更是達到了(le)101.6mm，使(shi)材料(liao)利用(yong)率得到顯著提(ti)升。相比之下，我國PCBN的(de)發展(zhan)滯后，PCBN的(de)品種單一、產品系列少，性(xing)能的(de)穩定(ding)也有待進一步提高。
PCBN因其難加工的(de)性(xing)質，一直制(zhi)約著(zhu)超硬刀具的(de)應用與發(fa)展，PCBN的切割(ge)方(fang)法一般(ban)有金剛(gang)石砂(sha)輪切除式切斷、電火花(hua)線切割(ge)和(he)激光(guang)切割(ge)3種(zhong)。采用金剛(gang)石(shi)砂輪切割方(fang)法簡單，但加工質量差，產品合格率低，已逐(zhu)漸為后兩者取代。由于CBN顆粒的導電性差，使得電火花切(qie)割PCBN很難高效率實現(xian)，HE和JIANG等(deng)人曾通過在PCBN燒結過程(cheng)中加(jia)入(ru)導電性好(hao)添加(jia)劑和增(zeng)大(da)壓(ya)力的方法，提高(gao)了PCBN電火花線切割的可加工性(xing)，但其僅能實現小批量(liang)制(zhi)作和生產，國內外大多PCBN仍無法加工。激光切割在加工PCBN中凸顯了加(jia)工效(xiao)率高、切(qie)割質量好(hao)等優點。XIAO等人曾做過(guo)電火花線切割與激光切割PCBN的對比試驗，獲得了PCBN復合片線(xian)切割(ge)粗糙(cao)度(du)Ra≈5μm、激光(guang)切割粗(cu)糙Ra≈1μm的實(shi)驗結(jie)果，驗證(zheng)了激光是(shi)切割PCBN實現高質量、高效(xiao)率加(jia)工的(de)有效(xiao)方法。水導激光(guang)因優良(liang)的(de)切割特性也逐漸被使用(yong)。WU等人利用水導激光的方法切割(ge)PCBN，有(you)效降低了(le)熱影響區，減少了(le)裂(lie)紋(wen)的產生。瑞士EWAG公司新(xin)生產(chan)的LASER LINE ULTRA激(ji)光磨床(chuang)，更是實現(xian)了(le)超(chao)硬(ying)刀具的切割、成型加(jia)工及刃口(kou)修整一(yi)步(bu)到位，成為(wei)激(ji)光加(jia)工超(chao)硬(ying)材料領域新的標(biao)桿(gan)。
目前PCBN的(de)(de)激(ji)光(guang)切割已(yi)經實現(xian)了工(gong)業應用，但在加工(gong)生產(chan)過程中(zhong)，因其(qi)材料本身(shen)脆(cui)硬(ying)難(nan)加工(gong)性(xing)，切割參量(liang)選擇(ze)不當，易出現(xian)裂紋、崩邊(bian)等現(xian)象。同時由于激(ji)光(guang)設備與材料價格比較昂貴，還(huan)很少(shao)有全面且(qie)完(wan)善的(de)(de)激(ji)光(guang)切割PCBN復合片的工藝性研究(jiu)。本文中作者(zhe)從研究(jiu)PCBN材料本身入手(shou)，試驗獲得(de)PCBN的(de)激光(guang)燒蝕閾(yu)值(zhi)，并(bing)做了(le)簡要(yao)分(fen)析；通(tong)過不同切(qie)割參量(liang)的(de)工藝試驗，分(fen)析了(le)激光(guang)功(gong)率(lv)、脈沖(chong)頻率(lv)、切(qie)割速率(lv)對PCBN切割(ge)質量(liang)的(de)影響規律(lv)，在保證切割(ge)效率的(de)同時，獲(huo)得了好(hao)的(de)激(ji)光(guang)切割(ge)參量(liang)。
1. 實驗(yan)條件(jian)及方(fang)法
本實(shi)驗中激(ji)光設備(bei)采用NSC-LC-100型Nd: YAG脈沖激光切割機(ji)，激光波長(chang)λ=1064nm，脈(mo)沖(chong)寬度τ=100μs，輸出功(gong)率為100W；采(cai)用三片式復合聚焦鏡，焦距(ju)為(wei)150mm，聚焦光斑(ban)直徑為(wei)0.1mm~0.18mm；噴(pen)嘴(zui)高(gao)度為1mm，采用壓縮(suo)空氣為輔(fu)助氣體，氣體壓力為0.6MPa。為了(le)獲得的(de)切縫寬度和較(jiao)優的(de)切割(ge)質(zhi)量，離焦(jiao)方式采用零離焦(jiao)，即激光(guang)焦(jiao)點位(wei)于材料(liao)上表面。實驗材料(liao)為日本住(zhu)友生產的(de)聚(ju)晶立方氮化硼BN250，CBN含(han)量60%，顆粒度1μm，粘結劑(ji)為TiN，實(shi)驗設備及(ji)材料如圖 1所示(shi)。
Figure 1. Laboratory equipment and materials
a—NSC-LC-100 laser cutting machine b—polycrystalline cubic boron nitride
進行工藝試驗時，采(cai)用打(da)孔方式(shi)來計算得出PCBN在該條件(jian)下的燒蝕閾值，通過切(qie)(qie)(qie)割試驗(yan)(yan)獲得各切(qie)(qie)(qie)割參量(liang)對切(qie)(qie)(qie)割質量(liang)的影響。實(shi)驗(yan)(yan)完成后(hou)，采用MV6000金相顯微鏡對切縫表面和側面進行(xing)測量(liang)和分析。
2. 實驗及結果分析(xi)
2.1 PCBN激光燒蝕閾值的實驗測(ce)定
所(suo)謂燒蝕閾(yu)值就是對材(cai)料產(chan)生不可逆破壞時去(qu)除(chu)單層(ceng)材(cai)料所(suo)需(xu)能(neng)流密(mi)度(du)(du)，單脈沖(chong)激(ji)光(guang)能(neng)量(liang)(liang)密(mi)度(du)(du)很大程度(du)(du)上(shang)決定著(zhu)激(ji)光(guang)燒蝕的效率(lv)。理論上(shang)來(lai)講(jiang)，激(ji)光(guang)脈沖(chong)能(neng)量(liang)(liang)稍(shao)大于燒蝕閾(yu)值時加工質(zhi)量(liang)(liang)好(hao)，但在(zai)(zai)實際(ji)中由于能(neng)量(liang)(liang)不同程度(du)(du)的散失(shi)，一般經驗表明，在(zai)(zai)合(he)理的去(qu)除(chu)速(su)率(lv)條件下好(hao)的精度(du)(du)可以通過功率(lv)密(mi)度(du)(du)選擇在(zai)(zai)5倍(bei)~10倍(bei)的閾值激光(guang)脈沖(chong)獲得。因此分析PCBN激(ji)光燒蝕閾值(zhi)可以一定程度上(shang)指(zhi)導實驗，避免能量過(guo)大造(zao)成裂紋和能量過(guo)小(xiao)造(zao)成的(de)切不透或者效(xiao)率低等現象。
目前確定燒(shao)蝕閾值(zhi)的方(fang)法主要有在線觀(guan)測(ce)、形貌檢測(ce)及數(shu)值(zhi)計算等(deng)。本實驗中采(cai)用數(shu)值(zhi)計算的方(fang)法并輔以顯微觀(guan)測(ce)，推(tui)導出燒(shao)蝕直徑D與(yu)脈沖(chong)激光能量E的函數關系，將線(xian)性(xing)曲線(xian)外推至D=0處(chu)，從而得出材(cai)料的(de)破壞閾值，同時(shi)還能夠獲得光束的(de)焦點半徑。
不(bu)同能量密度的激光加工PCBN時(shi), 材料表面會形成(cheng)不(bu)同直(zhi)徑的孔，得到半徑r與脈沖能量E的關系為[14]
r2=ρ2ln(E0Eth)r2=ρ2ln(E0Eth) | (1) |
式中(zhong)，ρ為(wei)脈沖空間半(ban)徑(jing)，E0為入射脈沖激光能量，Eth為(wei)燒蝕半徑為(wei)r時的脈沖(chong)激光能量。光束焦點半徑(jing)w0的平(ping)方(fang)是空間半徑(jing)ρ平方(fang)的2倍，因(yin)此(1)式可以(yi)變為(wei)普遍的研究燒蝕直徑D與聚焦(jiao)后焦(jiao)點半徑(jing)w0以(yi)及(ji)入(ru)射脈沖激光能量(liang)E0的關系：
D2=2w02lnE0?2w02lnEthD2=2w02lnE0?2w02lnEth | (2) |
此處應當指(zhi)出(chu)，本實驗(yan)中為多脈(mo)(mo)沖(chong)燒蝕(shi)，單脈(mo)(mo)沖(chong)與多脈(mo)(mo)沖(chong)燒蝕(shi)閾(yu)值(zhi)之間關系(xi)式(shi)可表(biao)示為：
Fth(N)=Fth(∞)+[Fth(1)?Fth(∞)]exp[?a(N?1)]Fth(N)=Fth(∞)+[Fth(1)?Fth(∞)]exp?[?a(N?1)] | (3) |
式中，Fth(1)為單脈(mo)沖燒蝕(shi)閾值；Fth(∞)為(wei)多脈沖燒蝕閾(yu)值；a為(wei)能量累積(ji)強(qiang)度；N為(wei)脈(mo)(mo)沖(chong)個(ge)數(shu)(shu)。由此可(ke)見，當脈(mo)(mo)沖(chong)個(ge)數(shu)(shu)逐漸增(zeng)大(da)，燒蝕(shi)閾(yu)值有減小的趨勢，這是因為(wei)多(duo)脈(mo)(mo)沖(chong)燒蝕(shi)存在著能量累積。當脈(mo)(mo)沖(chong)個(ge)數(shu)(shu)增(zeng)大(da)到一(yi)定數(shu)(shu)值時(shi)燒蝕(shi)閾(yu)值趨近定值，且(qie)材(cai)料的吸收系數(shu)(shu)越(yue)大(da)燒蝕(shi)閾(yu)值就越(yue)低。
通過PCBN不同激(ji)光功率(lv)密(mi)度下的(de)燒蝕(shi)顯微觀測，獲得了入射脈沖激(ji)光能(neng)量E0與(yu)燒蝕(shi)孔徑形貌(mao)之間的關系(xi)如圖 2所(suo)示。
Figure 2. Relationship between log of laser power and square of ablation diameter
擬合數據結果(guo)得到斜率k(k=2w02)值為2361.5，推出激光焦點半徑(jing)w0=34.4μm，同時(shi)依據上述理論(lun)，由(you)擬合直線與橫坐標截距，可得出(chu)脈沖寬度100μs、重(zhong)復(fu)頻率50Hz、波長1064nm、脈(mo)沖(chong)時間0.5s時，PCBN激光燒蝕閾值為1.796J/cm2。
從燒(shao)蝕閾(yu)值來看(kan)，完成PCBN去(qu)除僅(jin)需要微小能(neng)量，但(dan)對(dui)于2mm厚的PCBN來講，實現高效的激光切割(ge)能量遠(yuan)(yuan)遠(yuan)(yuan)不(bu)夠(gou)，能量過(guo)小會造成如圖(tu) 3a所(suo)示的切不透現(xian)象。同(tong)時多次試(shi)驗(yan)表明，過(guo)小能量切割PCBN表面(mian)粗糙度較差。由于PCBN材料的(de)脆(cui)硬性(xing)影(ying)響(xiang)，能量過大則會(hui)出現嚴重的(de)崩邊與裂紋，如圖 3c所示。在圖 3b中看(kan)到(dao)，孔右上(shang)角(jiao)部分呈(cheng)現橢圓形貌，那是(shi)因(yin)為激(ji)光光束垂直度不足(zu)導致，該(gai)現象(xiang)也是(shi)導致切(qie)縫(feng)較(jiao)寬表面質量差的一個重要原因(yin)。
Figure 3. The perforated microstructure under different laser powers
a—P=5W b—P=20W b—P=40W
2.2 PCBN激(ji)光(guang)切(qie)割試驗與分析
2.2.1 切(qie)割(ge)速率對切(qie)割(ge)質量的影響
切(qie)割(ge)速率的變(bian)化意味(wei)著激(ji)光(guang)與材料相(xiang)互(hu)作用時間的變(bian)化，材料在單位面積(ji)上得到的激(ji)光(guang)能(neng)量發生(sheng)改變(bian)。圖(tu) 4為激光功率(lv)為20W、脈沖頻率為(wei)50Hz、切割速率分別為10mm/min, 20mm/min, 30mm/min, 40mm/min時，切縫(feng)寬(kuan)度與錐度的變(bian)化情(qing)況。通(tong)過(guo)實驗可以看出(chu)，隨著(zhu)激光切割速(su)率的增大，切縫(feng)寬(kuan)度有減小趨勢(shi)，但上縫(feng)寬(kuan)基本維持(chi)在121μm左右，如圖 5a和圖(tu) 5b所示(shi)變(bian)化不大(da)，下縫(feng)寬變(bian)化較為明顯，這(zhe)直接反映(ying)到切割(ge)(ge)錐(zhui)(zhui)度(du)上。切割(ge)(ge)速率增大(da)，切縫(feng)錐(zhui)(zhui)度(du)變(bian)大(da)，切割(ge)(ge)質量有所降(jiang)低。這(zhe)是由于激光作用時間減(jian)小，能量密度(du)降(jiang)低，材料獲得能量較少導致。切割(ge)(ge)速率過(guo)高易造成切口清渣不凈或切不透(tou)，切割(ge)(ge)速率過(guo)低會造成如圖 5c中所示的材料過燒現象，切(qie)口寬度和材料熱影響區(qu)過大(da)、切(qie)割質量較差(cha)、生(sheng)產效率低。由此可見，切(qie)割速(su)率為20mm/min時的PCBN激(ji)光切割(ge)質(zhi)量要優于其(qi)它(ta)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(lv)對切(qie)割質量的影響
激光能量是切割過程得(de)以進(jin)行(xing)的主(zhu)要(yao)能量來源，功率大小將直接影響(xiang)切割時的能量密度。圖 6為(wei)采(cai)用(yong)脈沖(chong)頻率50Hz、切割速率30mm/min、激光功率分(fen)別為16W, 20W, 24W, 28W時(shi)，切(qie)縫(feng)寬(kuan)度(du)與錐(zhui)度(du)隨功率(lv)的(de)(de)變化情況。由(you)實驗可(ke)知，激光功率(lv)對切(qie)縫(feng)寬(kuan)度(du)和錐(zhui)度(du)有(you)重要影響(xiang)，隨著(zhu)功率(lv)的(de)(de)增大，切(qie)縫(feng)寬(kuan)度(du)增大錐(zhui)度(du)減(jian)小，材料去除量增加。
Figure 6. Slit width and slit taper with the change of laser power
2.2.3 脈沖頻率對切(qie)割質量的影響
圖(tu) 7為不同頻(pin)率下縫寬和錐度的變(bian)化曲線。其中激光功率20W，切(qie)割速率(lv)30mm/min，脈沖頻率分別為30Hz, 40Hz, 50Hz, 60Hz。從圖(tu)中看出，激光(guang)脈沖(chong)頻率(lv)對切(qie)縫寬(kuan)度影響大(da)。隨(sui)著(zhu)頻率(lv)的增大(da)，縫寬(kuan)顯著(zhu)減小(xiao)，同時(shi)切(qie)割錐度也隨(sui)之減小(xiao)。脈沖(chong)頻率(lv)的大(da)小(xiao)決(jue)定(ding)著(zhu)激光(guang)光(guang)斑的重疊程度，圖(tu) 8為PCBN激光切(qie)割、掰片(pian)、簡單(dan)去熔渣(zha)后斷面形(xing)貌圖。上層為PCBN，下(xia)層(ceng)為硬質合金。圖(tu)中能(neng)明顯看出(chu)切割(ge)后的條(tiao)紋形狀。根據單脈沖激光能(neng)量(liang)E與(yu)平均輸出功率Pave和脈沖頻率(lv)f的(de)關系(xi)式(shi)E=Pave/f可知，隨著脈沖頻(pin)率的(de)增加，單脈沖能量(liang)減小，光斑重(zhong)疊度增大，這(zhe)對表面(mian)切(qie)割質量(liang)的(de)提高和裂紋的(de)減少起著重(zhong)要(yao)作用。
Figure 7. Slit width and taper curve with pulse repetition rate
Figure 8. Cutting cross-section morphology of PCBN
2.3 激(ji)光切割機理(li)分析
PCBN的(de)(de)切(qie)割質量與(yu)激(ji)光作用在(zai)材(cai)料(liao)表面的(de)(de)能量密(mi)度(du)有重要關系(xi)，激(ji)光功率和切(qie)割速(su)率決定著材(cai)料(liao)單位面積(ji)獲(huo)得(de)激(ji)光能量的(de)(de)大小。激(ji)光斑點上(shang)的(de)(de)功率密(mi)度(du)I可表示為：
式(shi)中(zhong)，E為單(dan)脈沖激光能量，d為光斑直徑(jing)，tp為脈(mo)沖寬度(du)(du)。在脈(mo)寬和頻率(lv)一定(ding)時，提高輸出(chu)功率(lv)能增大激(ji)光束(shu)功率(lv)密度(du)(du)，較(jiao)高的(de)(de)功率(lv)密度(du)(du)使加工(gong)過程中產生更多的(de)(de)蒸汽相物質，切割寬度(du)(du)和深(shen)度(du)(du)增大，斷面質量較(jiao)好，也利于(yu)后續(xu)加工(gong)，如圖 9所示。功率的(de)(de)(de)增(zeng)加使切(qie)割速率范圍也(ye)隨之擴大，提(ti)高了切(qie)割的(de)(de)(de)質量(liang)穩定性(xing)和效(xiao)率，但要避免(mian)功率過大而造(zao)成的(de)(de)(de)崩(beng)邊。脈沖(chong)(chong)頻率的(de)(de)(de)增(zeng)加，單脈沖(chong)(chong)能量(liang)減小，峰值功率降低，縫寬(kuan)和錐度隨之減小。
Figure 9. Superior cutting cross-section
激光脈沖頻率和脈沖寬度(du)對裂紋的(de)減少以(yi)及表(biao)面切割質量的(de)提高有著重要(yao)影響。從傳熱學可知，熱穿透深度(du)為4αt???√4αt(其中α為熱擴散系數，t為熱作用時間)，可估算出脈寬為(wei)100μs的Nd: YAG激(ji)光切(qie)割材料(liao)熱穿透深度(du)約為(wei)350μm。脈(mo)沖寬度(du)越窄，熱影響區越小，燒蝕閾值也越小。當脈(mo)沖寬度(du)低于能(neng)量傳遞弛豫時間時，能(neng)夠實現材料的“冷(leng)加工(gong)”去除，有效(xiao)改(gai)善切割表(biao)面質量。但(dan)短脈沖激(ji)光加工(gong)效(xiao)率(lv)往(wang)(wang)往(wang)(wang)很低，無法實(shi)現超(chao)硬材料的快速切割。因此，如(ru)何兼顧質量與效(xiao)率(lv)一直是值得探討(tao)的話題。
3. 結論(lun)
(1) 當(dang)脈沖寬(kuan)度(du)100μs、重復頻率50Hz、波長1064nm、脈沖(chong)時(shi)間為(wei)0.5s時，測得PCBN燒蝕閾值為(wei)1.796J/cm2，激(ji)光焦點半(ban)徑w0=34.4μm。
(2) 激光(guang)功率(lv)和切(qie)(qie)割速率(lv)的配合決定(ding)著切(qie)(qie)割線(xian)能量的大(da)小，適當增加線(xian)能量有利于(yu)切(qie)(qie)割質(zhi)量的提高，但要避免材料的過燒(shao)和崩邊現象。脈(mo)(mo)沖頻率(lv)的增加，降低了激光(guang)單脈(mo)(mo)沖能量，切(qie)(qie)縫寬度(du)與錐度(du)均減小，有利于(yu)切(qie)(qie)割質(zhi)量的改善。
(3) 采用脈(mo)寬為100μs的激光，當(dang)激光功率為28W、脈(mo)沖頻率為60Hz、切割速(su)率(lv)為20mm/min時(shi)，能夠獲得2mm厚(hou)PCBN較(jiao)優(you)的激光切割(ge)質量，同時(shi)保證了切割(ge)效率(lv)。
注明：文章出處：激光技術網(wang) //www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.03.009
