雷射加熱輔助高速銑削高溫合金關鍵技術

《雷射加熱輔助高速銑削高溫合金關鍵技術》是依託哈爾濱理工大學，由吳雪峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：雷射加熱輔助高速銑削高溫合金關鍵技術
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳雪峰
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

高溫合金的特點導致其切削性能較差，加工效率低、加工成本高。目前的工藝方法在加工高溫合金材料，尤其在銑削高溫合金時，加工效率與加工成本往往無法達到理想的結果。本項目在高速銑削高溫合金技術的基礎上，與可以降低切削力、減小刀具磨損、提高加工效率的雷射加熱輔助切削技術相結合：通過試驗與理論仿真研究加工過程中的力-熱耦合作用，揭示雷射加熱與切削熱對材料的軟化效應；通過對雷射與切削的熱傳導過程研究，掌握切削區域溫度的控制方法，利用基於遺傳算法的控制方法保持切削區域溫度穩定；在分析不同材料的刀具磨損機理基礎上，採用有限元數值模擬結合試驗結果，建立刀具磨損預測模型，對刀具幾何參數進行最佳化；最終通過神經網路及多目標最佳化的方法得到最優的工藝參數，達到提高生產效率、降低加工成本的目的。

結題摘要

本項目通過建立雷射加熱溫度場及雷射加熱輔助切削過程模型，分析了雷射加熱溫度與切削過程溫度相互的耦合影響。雷射加熱輔助銑削可以在較低切削速度時達到材料高速切削的狀態，通過調整切削區域的溫度，降低切削速度提高對刀具衝擊的影響，提升了材料的可加工性能。通過溫度場模型研究了工藝參數對切削區域溫度的影響規律。為解決雷射加熱過程中溫度不穩定的問題，將溫度線上監測與功率控制結合建立了切削區域溫度自控制系統。採用BP神經網路方法建立了切削區域溫度與監測溫度的映射模型，通過控制能量使監測溫度及加工區域溫度穩定，進而達到控制加工質量的目的。採用雷射加熱輔助銑削技術對鑄造高溫合金K24、變形高溫合金GH4698與Inconel 718三種高溫合金材料進行了加工實驗研究。控制雷射加熱參數能夠保證已加工表面組織性能不變情況下相比常規加工同樣參數加工降低切削力30%，減小表面粗糙度66%並且能夠提高刀具壽命20%。採用雷射加熱輔助後表面粗糙度明顯降低，表面質量更為光滑。EDS分析表明雷射加熱輔助銑削與常規加工相比元素含量不變，加工後變質層的厚度稍有增加。採用遺傳算法，以加工實驗中得到的切削力、表面粗糙度及刀具壽命經驗公式作為邊界條件，以高加工效率與低加工成本為目標，建立了雷射加熱輔助銑削工藝多目標最佳化模型，最終得到最優的加工工藝參數。採用PVD、CVD塗層硬質合金、陶瓷及PCBN刀具進行了加工實驗，揭示了不同刀具的磨損機理，得到了硬質合金刀具壽命的經驗公式。CVD塗層由於耐高溫性能好，雷射加熱輔助下刀具壽命比PVD塗層刀具壽命高。陶瓷及PCBN刀具採用雷射加熱輔助的方法能夠降低刀具磨損，提升刀具壽命，但由於其抗衝擊性能較差，刀具壽命小於硬質合金塗層刀具。採用雷射加熱輔助銑削技術進行了薄壁高溫合金零件加工，通過溫度場分析對雷射參數進行了最佳化，控制了雷射熱應力誘導的變形。雷射加熱降低了切削力，減小了工件引起的變形，並且得到良好的表面粗糙度。另外為了解決雷射加熱輔助過程中雷射光斑與銑刀相對位置固定，僅能加工直線軌跡的不足，改進了加工系統，增加了特殊的旋轉軸，使雷射加熱點保持在加工軌跡前端，能夠連續加工。以上兩項研究探索了雷射加熱輔助銑削的套用技術，為其技術的推廣套用提供理論基礎與探索驗證。