摘要

       聚晶立方氮化硼（PCBN）是除金剛石以外最為堅硬的物質材料，傳統的加工技術很難對其進行切割加工。為此，本研究設計出一種激光束加工（LBM）工藝，對PCBN進行加工處理。LBM工藝基于積聚光束的消融去除原理。該試驗通過對PCBN進行LBM加工以此來研究工件的表面性能。

1. 引言

       聚晶立方氮化硼（PCBN）作為一種優越的刀具切割材料，是由立方氮化硼微粉在結合劑存在下高溫高壓燒結而成的立方氮化硼多晶體。由于采用燒結工藝，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，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工藝的優點主要有殘余應力比較低，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系數低以降低熱損耗。攪拌針的主體設計形狀為凹形，能夠將焊接工件上拋灑下來的碎屑接入凹槽內，避免了碎屑飛濺以達到預期的焊接效果。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厚度鋼板進行FSW工藝處理時所需的焊接工具制造，本研究采用激光束加工（LBM）技術對PCBN進行加工處理。

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。該圖片經過EDX微量分析，圖像增大800倍。表1為PCBN的化學成份。        實驗采用LBM加工技術；LBM適用于難加工硬材料的處理；還可用于自由形態表面的加工。所用機床為五軸加工中心（CE5AM）。

       LBM基本原理是利用了單色積聚光束的消融作用，把光能源進行高度聚集從而縮小了受熱影響區，既無磨削工具也無切削力；同時也不需要工件冷卻設備。由于沒有切削力，工件夾就用膠帶來替代。實驗采用LASERTEC 80型纖維激光機，如圖2所示。該機器可以連續控制五軸，纖維由鐿制成，可以提供波長為1.065μm的激光束，它僅在脈沖范圍內工作，脈沖頻率調節在10-100kHz之間。激光束進給速度在100-4000mm.s-1之間。激光發生器最大功率為100W，光束直徑接近1μm。
       實驗過程應用到以下數據：頻率30kHz，進給速度1000mm.s-1，切削深度2μm，激光功率12.3%。功率4W。NC系統由Lasersoft 3D軟件提供支持。

3. 實驗

       根據FSW工藝處理對工具樣式的要求，用LASERTEC 80型纖維激光機將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。根據推薦值對加工參數進行調整。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整至最佳時間/粗糙度比。 4. 實驗結果

       采用調整參數，利用LBM原理對FSW工具進行加工，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. 結論

       對PCBN進行LBM加工可以實現較為理想的粗糙度（Ra 3μm）。與傳統機械加工方法相比，LBM工藝僅需利用三軸即可加工出預期的工件形狀；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加工工藝，所以像超聲旋轉加工之類的工藝可能會更適應精加工。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：中國超硬材料網）