摘要
为了解决高体积分数的SiCp/Al复合材料在常规切削加工中存在切削力大、刀具磨损快、表面完整性差等问题。本文针对高体积分数SiCp/Al材料开展激光诱导氧化辅助铣削技术研究，通过激光辐照铣削区域形成易于去除的疏松氧化层提高切削性能，同时开展氧化层调控策略及激光诱导氧化辅助下的铣削参数优化工艺研究，研究不同激光能量密度、辅助气体对氧化层质量的影响及铣削参数优化。结果表明随激光能量密度的增大热影响区宽度和烧蚀沟槽深度随之增加，在氧气辅助下易形成疏松且易于去除氧化层。选取较高的激光能量密度可获得较好的氧化效果，而使用PCD金刚石铣刀，主轴转速为10 000 r/min，在每齿进给量为7.5 μm /s可获得最佳表面质量。
随着航天器对大承载、轻量化、耐复杂空间环境等性能需求迫切，碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al composites）因具有轻质、高强、耐磨、高导热等特点而倍受关
由于碳化硅颗粒硬度高，传统的切削方法加工SiCp/Al材料，刀具因磨损严重而寿命显著降低，同时工件加工表面质量和精度也很差不能满足工程要求。又由于碳化硅颗粒不导电，电火花加工、电火花线切割等特种加工方法也不适
当激光辐射SiCp/Al工件时，材料表面迅速升温，基体材料与O2发生反应，生成氧化产物SiO2及Al2O3，由于两种氧化产物的生长速度及膨胀速度不同，会以不同的速度生长和膨胀。不同氧化物之间的相互挤压，在氧化层及过渡层内部会产生许多微小的裂纹及小孔。反应过程中产生的CO2气体通过这些裂纹孔洞从氧化层中逸出。而O2通过这些缝隙深入内部，促进内部的氧化反应进行。随着氧化反应的进一步进行，SiO2和Al2O3会膨胀和挤压裂纹和孔洞，导致O2渗透和氧化反应速率降低。氧化层会逐渐致密，抑制O2的渗透，逐渐降低氧化反应速率。
激光诱导氧化辅助铣削工艺，是利用激光束辐照工件待加工区域使SiCp/Al材料发生氧化，转变为疏松易加工的氧化层和过渡层，提高材料的切削加工性能，从而把难加工的SiCp/Al材料转变为易加工的疏松材料。这样，SiCp/Al材料经过激光诱导氧化后，再利用高速铣削加工去除疏松层，最后再精加工微米级厚度的过渡层，在提高加工效率的同时，又获得了高的加工精度和表面质量。激光诱导氧化辅助铣削工艺过程如
图1 激光诱导氧化辅助铣削工艺过程示意图
Fig. 1 Schematic diagram of laser induced oxidation assisted milling process
为有效控制疏松氧化层的生长速率和层厚，从而形成可高效去除的易切削层，主要研究激光参数和氧化剂对SiCp/Al材料氧化速率和氧化物特征的影响规律，优选激光参数和氧化剂，实现待去除区域材料的快速氧化和疏松氧化物的生成。
选用工件材料为65% SiCp/Al复合材料，增强相SiC颗粒的平均粒径为10 μm。使用的激光为脉冲光纤激光器（YLP-1/100/20， IPG Photonics），波长为1 064 nm、脉宽为100 ns、平均功率范围为2~20 W、光斑直径为57 μm、脉冲重叠频率为20~200 kHz。选取激光能量密度F为主要影响因素，分别为7.84、11.75、15.67、19.59和23.51 J/c
脉冲能量密度F是影响脉冲激光与材料反应的主要因素。在单次激光扫描下材料表面生成沟壑，沟壑两侧为热影响区。绘制了O2、N2和Ar辅助下热影响区宽度及沟槽深度随能量密度变化曲线，如
（a） 热影响区宽度随激光能量密度变化
（b） 沟槽深度随激光能量密度变化
图2 在O2、N2和Ar的辅助下热影响区宽度及沟槽深度随激光能量密度变化
Fig.2 Width of heat affected zone and groove depth change with laser energy density under the assistance of O2、N2 and Ar
（a） O2
（b） N2
（c） Ar
图3 在不同辅助气体下的激光辐照表面SEM照片
Fig.3 SEM pictures of laser irradiated surface under different auxiliary gases
（a） O2
（b） N2
（c） Ar
图4 在不同辅助气体下的横截面SEM照片
Fig.4 SEM pictures of cross section under different auxiliary gases
激光诱导氧化SiCp/Al后，基体材料上会形成氧化层和过渡层，氧化层整体结构疏松，为了获得精密的工件表面，开展切削工艺参数优化研究。铣削设备采用DMG五轴数控加工机床，刀具选用CVD及PCD金刚石刀具，齿数均为2，刀具直径为8 mm，选取每齿进给量为2.5、5 、7.5、10 μm/z，主轴转速为5 000、7 500及10 000 r/min。
（a） CVD刀具
（b） PCD刀具
图5 不同刀具加工下表面粗糙度随每齿进给量变化
Fig.5 Variation of surface roughness with feed rate of each tooth under different cutting
针对航天器用高体积分数SiCp/Al材料开展激光诱导氧化机理分析、氧化调控策略等技术研究，并基于氧化后的65%体积分数SiCp/Al工件开展铣削工艺参数优化工作。研究了激光能量密度及辅助气体对氧化效果的影响，以及不同每齿进给量及主轴转速对切削质量的影响。结果如下：
（1）随激光能量密度的增加，热影响区宽度及烧蚀沟槽深度增大；
（2）与N2和Ar相比，在O2的辅助下更易生成疏松多孔，易于去除的氧化层；
（3）使用PCD金刚石铣刀，主轴转速为10 000 r/min，每齿进给量为7.5 μm/s时可获得最佳的铣削表面质量，此时粗糙度为0.103 μm。
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