摘要       

       聚晶立方氮化硼（PCBN）是除金剛石以外最為堅硬的物質(zhì)材料，傳統(tǒng)的加工技術(shù)很難對其進(jìn)行切割加工。為此，本研究設(shè)計出一種激光束加工（LBM）工藝，對PCBN進(jìn)行加工處理。LBM工藝基于積聚光束的消融去除原理。該試驗通過對PCBN進(jìn)行LBM加工處理以此來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。但對于攪拌摩擦焊（FSW）工藝，則需要對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，焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀（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，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)點主要有殘余應(yīng)力比較低，能耗低，功效高，無污染、無煙塵、無輻射，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)計形狀為凹形，能夠?qū)⒑附庸ぜ蠏仦⑾聛淼乃樾冀尤氚疾蹆?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2mm厚度鋼板進(jìn)行FSW工藝處理時所需的攪拌針工具制造，本研究采用激光束加工（LBM）技術(shù)對PCBN進(jìn)行加工處理。

       2. 加工材料和加工工藝

       實驗采用摻鈷氧化鋁基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EDX微量分析，圖像增大800倍。表1為PCBN的化學(xué)成份
       實驗采用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)，既無磨削工具也無切削力；同時也不需要工件冷卻設(shè)備。由于沒有切削力，工件架就用膠帶來替代。實驗采用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，纖維是由鐿制成，可以提供波長為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，光束致敬接近1μm。
       實驗過程應(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)有Lasersoft 3D軟件提供。

       3. 實驗

       根據(jù)FSW工藝處理對工具樣式的要求，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量所得。根據(jù)推薦值對加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如果切削深度過大，表面粗糙度會更高，因此實驗建議將切削深度調(diào)整至最佳時間/粗糙度比。
       4. 實驗結(jié)果

       采用調(diào)整參數(shù)，利用LBM原理對FSW工具進(jìn)行加工，整個時長約4小時。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PCBN進(jìn)行LBM加工可以實現(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；同時還縮減了加工時間。另一方面，LBM也會引起粗糙度的增加，但若僅用于粗加工，該工藝在相對較短的時間內(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較低的水平。對于精加工而言，由于本實驗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更適應(yīng)精加工。本實驗下一步將研究表面粗糙度對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FSW的影響。（翻譯：中國磨料磨具網(wǎng)）