1、 第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.360 皮秒激光辅助砂带磨削 TC17 钛合金材料 去除行为研究*贺 毅 肖贵坚 朱升旺 刘 岗 黄 云(重庆大学机械与运载工程学院 重庆 400044)摘要：钛合金具有强度高、耐热性好等特点，属于典型的难加工材料。激光辅助加工可改变材料的性能，显著提高材料的加工性能。提出了皮秒激光辅助砂带磨削 TC17 钛合金新方法，基于皮秒激光辅助单磨粒划擦，研究了激光辐照工艺参
2、数对表面预热温度以及磨粒的不同初始压力对主切削力、材料去除行为的影响规律。仿真结果表明，激光功率和激光扫描速度均对表面温度影响显著，在激光功率为 4.8 W 和激光扫描速度为 300 mm/s 时，激光辐照表面最大温度为 2 019，超过了 TC17的熔点。实验结果表明，与单磨粒划擦相比，皮秒激光辅助单磨粒划擦可显著减小主切削力，最大可减小 58.7%；适当的激光功率辅助加工可提高材料的去除能力，在激光功率为 1.82.4 W 时最优，过大的激光功率反而会导致材料去除能力变弱；辅助加工材料去除行为仍主要表现为延性去除，磨屑随着激光功率的增加逐渐转变为锯齿形磨屑。皮秒激光辅助砂带磨削加工结果显示
3、，磨削区域的力热耦合作用降低，提高了表面的加工质量。关键词：皮秒激光辅助砂带磨削；单磨粒；钛合金；材料去除行为 中图分类号：TG178 Research on the Material Removal of TC17 Titanium Alloy by Picosecond Laser Assisted Belt Grinding HE Yi XIAO Guijian ZHU Shengwang LIU Gang HUANG Yun(College of Mechanical and Vehicle Engineering,Chongqing University,Chongqing 4000
4、44)Abstract：Titanium alloy has the characteristics of high strength and high thermal strength,which is a typical difficult-to-machine material.Laser assisted machining can change the properties of a material and significantly improve its machinability.A new method of picosecond laser assisted belt g
5、rinding of TC17 titanium alloy is proposed,and the influence of laser parameters on surface preheating temperature and different initial pressures of single grain on the main cutting force and material removal behavior is studied based on the picosecond laser-assisted single grain scratching.Simulat
6、ion results show that the laser power and laser scanning speed have a significant impact on the surface temperature,and the maximum temperature of the laser irradiation surface is 2 019 C when the laser power is 4.8 W and the laser scanning speed is 300 mm/s,which exceeds the melting point of TC17.E
7、xperimental results show that compared with single grain scratch,picosecond laser-assisted single grain scratch can significantly reduce the main cutting force,which can be at a max reduction of 58.7%.The material removal ability has been improved under reasonable laser power,and the laser power is
8、optimal when the laser power is 1.82.4 W,while the large laser power will lead to the weakening of the material removal ability.The material removal behavior is still mainly manifested as plastic removal by laser assisted machining,and the chips are transformed into zigzag chips with the increase of
9、 laser power.The results of the picosecond laser assisted belt grinding show that the thermal-mechanical coupling effect in the grinding area is reduced,and the processing quality of the surface has been improved.国家自然科学基金(52175377)和重庆市研究生科研创新(CYB20009)资助项目。20220719 收到初稿，20230209 收到修改稿 月 2023 年 5 月 贺
10、 毅等：皮秒激光辅助砂带磨削 TC17 钛合金材料去除行为研究 361 Key words：picosecond laser assisted belt grinding；single grain；titanium alloy；material removal behavior 0 前言 钛合金由于其强度高、耐热性好等优点，被广泛应用于航空发动机、火箭、导弹和高速飞机的结构件当中1。TC17 是一种高强和高淬透性的富 型两相钛合金，其抗拉强度高于常用 TC4 钛合金10%20%，常作为风扇叶片和压气机盘件的材 料2。然而，由于 TC17 的高强度、导热性能差、高温性能好等特点，导致其在磨削加工
11、中存在切削力大、刀具磨损严重3、加工效率低、加工成本高等问题。为提高钛合金等材料的加工性能，国内外学者提出了激光辅助加工方法。研究结果表明激光辅助加工可显著提高钛合金加工性能4-5，拥有降低切削力和加工比能6、提高钛合金的加工效率4、降低刀具磨损7、降低加工表面的粗糙度、抑制颤振等诸多优点。激光辅助加工利用激光的高能量密度特点对待加工表面进行辐照预热，改变表面材料的属性，使 其“软 化”，从 而 提 高 材 料 加 工 性 能。DARGUSCH 等8在激光辅助铣削加工 TC4 钛合金时发现不同功率下的切削力可减小 6%50%。SUN 等9研究了不同激光功率下的激光辅助铣削力的变化，结果表明待铣
12、削区温度对切削力的变化起着关键作用，随着温度从 200 增加到450，切削力急剧下降，但不随工件温度的进一步增加而变化。RASHID 等10进行了不同进给和切削速度下的激光辅助车削 Ti-6554 合金实验，发现与常规切削结果比较，其切削力最大可减小15%。加工性能的提高，为提高钛合金的加工效率、表面完整性和降低刀具磨损等提供了基础。DANDEKAR 等4通过开展激光辅助加工 TC4 实验，将钛合金的切削速度从 60 m/min 提高到了107 m/min。KIM 等11从切削力、刀具磨损、表面粗糙度等方面积极评价了激光辅助加工钛合金工艺。KALANTARI 等12系统地研究了激光辅助加工对钛
13、合金表面完整性的影响，结果表明，在可控的工艺条件下，激光辅助加工可以显著提高钛合金的表面完整性指标。砂带磨削由于其柔性和冷态的加工特点，常用于钛合金等难加工材料的磨削加工中13-14，但普通的氧化铝、氧化锆等磨料在砂带磨削加工中存在着磨料磨损严重等问题，从而影响工件表面加工质量的一致性15。立方氮化硼(Cubic boron nitride,CBN)超硬磨料具有高硬度、高韧性、优异的化学性能和良好的自锐性等优点，该磨料在钛合金的磨削加工中越来越受到人们的重视16。但 CBN 磨料具有各向异性的晶体结构，磨削钛合金过程中的强冲击力会导致 CBN 磨粒发生宏观断裂和拔出17。因此在利用 CBN 磨
14、料砂带磨削加工钛合金时，提高钛合金的加工性能，对提高磨削效率和延长砂带寿命具有重要的作用。而目前国内外的激光辅助加工多集中在铣削、车削等加工方式，少见激光辅助磨削加工方面的研究，特别是激光辅助砂带磨削加工。开展了皮秒激光辅助 CBN 单磨粒划擦实验，探究了激光工艺参数和不同磨粒初始压力对主切削力、材料去除能力、加工形貌的影响规律，并与 CBN单磨粒划擦加工进行了对比研究，讨论了两种加工方法下的材料去除行为。同时，进行了皮秒激光辅助砂带磨削对比实验，对加工后的表面质量进行了分析。1 实验原理 实验原理如图 1a、1b 所示，磨粒压入工件，脉冲激光辐照在 CBN 磨粒前端。设置工件从左往右运动，以
15、此来实现皮秒激光辅助 CBN 单磨粒划擦 加工。由于激光光斑的直径(30 m，见表 3)和磨粒的划痕宽度(0.10.15 mm，见图 8)存在尺度上的差异，为了使激光辐照区域能完全覆盖到磨粒的划擦区域，通过设计如图 1c 的激光扫描路径来实现较大的辐照面积，使激光辐照区域完全覆盖 CBN 单磨粒划擦区域。对于单脉冲激光辐照，由于脉宽太短，工件表面产生的热效应不显著。但随着多脉冲激光的光斑叠加，热效应会逐渐变得显著。对于能量为 Q 的瞬时点源，在半无限体的内部温升可表示为18 232(,)exp4(4)QrT r ttct=(1)式中，r 为距点源的距离；t 为时间；为工件的密度；c 为工件的比
16、热容；=/c 为热扩散系数，m2/s；为工件的导热率。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 362 图 1 皮秒激光辅助 CBN 单磨粒划擦实验原理 在该实验中，钛合金为非透明体，故工件对激光的吸收方式为面吸收。基模为 TEM00的脉冲激光能量分布可表示为 22000w202()()exp()0 xx tyy tkkqztpGffw+=其他 (2)020Pqfw=(3)式中，(x，y，z)为笛卡儿坐标系下的任意点；(x0(t)，y0(t)，0)为激光光斑的中心点；w0为激光的束腰半径；(z)为狄拉克 函数；P 为激光器的平均功率；f 为脉冲激光频率；k 为大于等于零的整数；pw为脉宽。在激光的束腰半径 1/e2以外的能量可忽略，故单脉冲作用下的温度场可表示为 cc00cccccc00(,0)r32220000032222200000022cc2(,0)(,)(4)()()2expd d4(4)()()()()exp()exp()d d4rrxyrrrrrrG xyTx y z tTctxxyyzxyqtctxxyyxxyyzxytrr=+=+(4)0lxv t=(5)0sy
