車科，劉儼后，秦繼鵬，王一，麻娟，李陽

1山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2山東省精密制造與特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

拋光可以提高工件表面精度且能增強(qiáng)材料的耐磨性和耐腐蝕性，延長使用壽命[1]。目前拋光方法主要有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光、超聲波拋光和磁性研磨拋光等[2]。其中大多拋光方法都是基于人工操作的減材工藝，成本高，對工件材料的特性也有所限制。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光拋光方法越來越完善，進(jìn)而成為一種新型材料表面拋光技術(shù)。

激光拋光主要通過激光束照射工件表面，熔化表面材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面材料的再分配，使其表面曲率趨于一致，進(jìn)而獲得光滑平整的表面[3]。此方法不僅可以加工平面、曲面，而且可以實(shí)現(xiàn)局部拋光，靈活性高、精度高且對環(huán)境污染小，具有良好的發(fā)展前景[4]。

Brinksmeier E.等[5]通過激光拋光實(shí)驗(yàn)得到了X40Cr13模具鋼的光滑平整表面。Mai T.A.等[6]研究了激光拋光不銹鋼，拋光后其表面粗糙度下降了60%，并且工件表面的裂紋得到了有效控制。Hafiz A.M.K.等[7]采用AISI H13模具鋼進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)，有效改善了其表面質(zhì)量。

通過采用波長為1080nm的光纖激光器對9CrWMn模具鋼進(jìn)行單道掃描實(shí)驗(yàn)，分析其離焦量、掃描速度和功率對單道寬度的影響，在選擇合適的參數(shù)后確定搭接率，以研究激光拋光中掃描間距及掃描次數(shù)對拋光效果的影響。

2 激光拋光實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

激光拋光分為熱拋光和冷拋光，在工業(yè)生產(chǎn)中加工手段以熱拋光為主。激光熱拋光是通過熱效應(yīng)熔化和蒸發(fā)表層材料來實(shí)現(xiàn)表層材料的處理，其機(jī)理主要為表面淺熔(SSM)機(jī)理和表面過熔(SOM)機(jī)理[8]。

SSM機(jī)理如圖1所示，激光以較快速度或較小能量密度掃過工件表面，由于作用在工件材料的時(shí)間較短或能量密度較小，所以只能熔化工件表面材料凸出來的高峰部分，使其在重力作用和表面張力作用下向曲率低的方向流動(dòng)，最終達(dá)到各處曲率的趨于相同，從而使工件表面變得光滑平整[9]。

圖1 SSM作用原理

SOM機(jī)理如圖2所示，激光以較慢速度或較大能量密度掃過工件表面，使得工件表面材料長時(shí)間熔融出現(xiàn)過熱情況，導(dǎo)致工件的表面形貌和機(jī)械性能隨著熔融區(qū)域向深處延伸而變差。同時(shí)，隨著激光熱源的移動(dòng)，熔池會(huì)因?yàn)榕c凝固區(qū)產(chǎn)生溫差從而在重力作用下流動(dòng)，而熔池的表面張力與溫度成反比，隨著溫度降低熔池表面張力增大，因此會(huì)將熔融金屬從激光光斑的中心向凝固區(qū)推動(dòng)[10]，所以作用在熔池表面的力的持續(xù)時(shí)間大于熔池本身的凝固時(shí)間，其表面粗糙度值因此增加。

圖2 SOM作用原理

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選取9CrWMn模具鋼作為加工對象，9CrWMn模具鋼材為低合金冷作模具鋼。該模具鋼具有一定的淬透性和耐磨性，淬火變形較小，碳化物分布均勻且顆粒細(xì)小[11]。其化學(xué)成分如表1所示，實(shí)驗(yàn)前先通過磨床將工件表面明顯的起伏、結(jié)塊和加工痕跡去除，磨平表面，確保工件各處受力均勻，以減小誤差。

表1 9CrWMn模具鋼化學(xué)成分 (wt.%)

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

用于進(jìn)行激光拋光實(shí)驗(yàn)的裝置如圖3所示。使用波長為1080nm的連續(xù)光纖激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最大功率為500W，型號(hào)為CW- 500C-W- 42。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

2.4 影響拋光的工藝參數(shù)

影響拋光效果的主要因素有功率、離焦量和掃描速度。離焦量指激光焦點(diǎn)位置與樣品表面的距離(見圖4)，當(dāng)焦點(diǎn)在工件表面時(shí)，離焦量為零；當(dāng)焦點(diǎn)在工件表面以上時(shí)，離焦量為正；當(dāng)焦點(diǎn)在工件表面以下時(shí)，離焦量為負(fù)。本實(shí)驗(yàn)使用的激光為高斯激光，離焦量與光斑直徑之間的關(guān)系為[12]

(1)

(2)

式中，D為光斑直徑；D0為腰斑直徑；z為離焦量；zR為瑞利長度；λ為激光波長。

連續(xù)激光光束平均能量密度ED為

(3)

式中，P為激光功率；t為激光光斑在樣品表面停留的時(shí)間，在連續(xù)激光中t=D/vf；A為光斑面積(在高斯激光中，光斑面積為A=πD2/4)；vf為掃描速度。

圖4 不同離焦量作用在工件表面

2.5 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中，噴嘴高度為2mm，上抬高度10mm，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，所用氣壓0.5MPa。對影響激光拋光效果的三個(gè)主要因素(掃描速度、功率和離焦量)進(jìn)行25組單道掃描的正交實(shí)驗(yàn)，控制參量水平數(shù)據(jù)見表2，分析其對單道寬度的影響。

通過金相顯微鏡觀測25組正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，記錄的每組實(shí)驗(yàn)單道寬度見表3和圖5。

表2 正交試驗(yàn)控制參量水平

表3 激光單道拋光寬度

通過分析單道拋光實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低速、高功率和正離焦量條件下會(huì)出現(xiàn)過熔(SOM)現(xiàn)象(見圖6a)。過熔現(xiàn)象會(huì)使加工表面顏色發(fā)黑或發(fā)暗，甚至造成表面燒傷，使材料失去本身的強(qiáng)度和可塑性；高速、低功率和負(fù)離焦的單道拋光試驗(yàn)如圖6b所示，此時(shí)拋光機(jī)理為SSM，材料表面基本得到拋光，但依然存在一些凹坑劃痕且單道寬度較窄，不適合做面拋光，因此可以適當(dāng)提高拋光速度、功率加寬單道寬度，以改善拋光后的表面平整程度。

圖5 單道拋光間距

圖6 金相顯微

通過Minitab軟件分析三組因素對寬度影響能力的大小及規(guī)律，得到均值響應(yīng)表(見表4)和均值主效應(yīng)圖(見圖7)。由表4中的Delta數(shù)據(jù)可以看出，對寬度影響能力由大到小依次為功率、離焦量和掃描速度。

表4 均值響應(yīng)

由圖7可以看出，隨著掃描速度的增加，單道寬度呈遞減的趨勢，但影響能力不是很大，因此可以選擇較高的速度用于實(shí)驗(yàn)；隨著功率、離焦量的增加，寬度變寬，得出寬度最寬的實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合為掃描速度2.5m/min、功率130W和離焦量2mm；寬度最窄的實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合為掃描速4.5m/min、功率50W和離焦量-2mm。

圖7 均值主效應(yīng)對比

通過正交試驗(yàn)分析，選擇提高掃描速度、增大功率和較小離焦量來進(jìn)行單道掃描實(shí)驗(yàn)。選其中一組拋光效果較好的參數(shù)(單道掃描寬度為220μm)來設(shè)計(jì)多道掃描實(shí)驗(yàn)。如表5所示，實(shí)驗(yàn)1掃描一次，實(shí)驗(yàn)2掃描兩次，掃描間距取其單道寬度的50%(即激光束有搭接)，實(shí)驗(yàn)3激光掃描一次，掃描間距取其單道寬度(激光束無搭接)。

表5 多道掃描實(shí)驗(yàn)

通過激光加工平臺(tái)對工件進(jìn)行面拋光，共進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的區(qū)域?yàn)?0mm×10mm。觀測其表面形貌及三維形貌，測量表面粗糙度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面形貌

采用超景深顯微鏡觀測模具鋼拋光前后的表面形貌。圖8a為未拋光前的表面形貌，可明顯看出有明顯的劃痕及裂紋；圖8b和圖8c為激光光束有搭接且掃描間距為單道寬度50%時(shí)的表面形貌，其中圖8b是采用掃描兩次的加工策略，其表面劃痕及凹坑基本去除，但存在一定的表面燒傷現(xiàn)象；圖8d為激光光束無搭接，其加工痕跡明顯，劃痕及凹坑很難去除，拋光效果不如前2組實(shí)驗(yàn)。

(a) 未拋光

(b)激光光束有搭接(掃描兩次)

(c)激光光束有搭接(掃描一次)

(d)激光光束無搭接

3.2 三維形貌

圖9為通過光學(xué)輪廓儀觀測到的三維形貌。圖9a為初始形貌，可以明顯看出有大量劃痕及凹坑，經(jīng)測量其垂直拋光方向的線粗糙度Ra=0.754μm；圖9b為激光光束50%搭接且掃描一次的形貌，測量其垂直拋光方向的線粗糙度Ra=0.168μm，粗糙度降低了78%；圖9c為激光光束50%搭接且掃描兩次的形貌，其表面光滑平整，粗糙度Ra=0.139μm，降低了82%，拋光效果較好，可明顯提高工件表面光整程度；圖9d為激光光束無搭接且激光掃描一次的形貌，表面存在明顯的加工痕跡，并存在一定的劃痕及凹坑，垂直拋光方向的線粗糙度Ra=0.595μm，僅降低了21%，拋光效果較差。

(a)初始形貌

(b)激光光束有搭接(掃描一次)

(c)激光光束有搭接(掃描兩次)

(d)激光光束無搭接

4 結(jié)語

通過單道掃描實(shí)驗(yàn)確定工藝參數(shù)得到單道掃描寬度，根據(jù)單道掃描寬度設(shè)定激光掃描間距進(jìn)行拋光區(qū)域?qū)嶒?yàn)。當(dāng)掃描間距是單道寬度50%時(shí)，掃描一次使粗糙度降低至0.168μm，降低了78%；掃描兩次使粗糙度降低至0.139μm，降低了82%；掃描間距是單道寬度時(shí)，粗糙度降低至0.595μm，僅降低21%，拋光效果較差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，掃描間距及掃描次數(shù)可以影響拋光效果，掃描一次不能完全去除表面劃痕，掃描兩次可以去除表面劃痕但會(huì)有一定的表面燒傷，因此合理控制掃描間距與掃描次數(shù)對激光拋光很重要。