CN116728001A - 一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法 - Google Patents
一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116728001A CN116728001A CN202311029650.4A CN202311029650A CN116728001A CN 116728001 A CN116728001 A CN 116728001A CN 202311029650 A CN202311029650 A CN 202311029650A CN 116728001 A CN116728001 A CN 116728001A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- layer
- processing
- processed
- refinement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000007769 metal material Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 238000003672 processing method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title abstract description 17
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims abstract description 67
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 29
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 23
- 238000002679 ablation Methods 0.000 claims description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 8
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 13
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 70
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 15
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23C—MILLING
- B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/0093—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring combined with mechanical machining or metal-working covered by other subclasses than B23K
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，属于金属表面强化技术领域，包括以下步骤：步骤S1，获取激光能量密度与待加工材料激光影响层厚度的关联关系；步骤S2，确定激光辅助微细铣削工艺及加工参数；步骤S3，高质量表面以及金属表面晶粒细化且尺寸呈梯度分布特征的实现。通过本发明中的方法，有效提高了金属表面加工的加工效率，能够快速高效的完成待加工材料加工表面晶粒细化。并且，通过本发明中的方法，激光辐照与铣削加工相结合，在实现高完整性、高质量加工表面的同时，还可以对加工表面晶粒进行梯度细化，使加工表面具有厚度大、晶粒尺寸小并且分布均匀有序的晶粒细化层。
Description
技术领域
本发明属于金属表面强化技术领域，具体为一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法。
背景技术
随着工业技术的不断发展，对于实际应用的金属待加工材料的安全可靠性和使用寿命的要求越来越高。尤其在关乎国家安全与发展的重大领域，如航空、航天，航海、石化、电力等，对关键零部件的性能要求愈发严苛。
通常，为了增加这些零部件的使用寿命，延长服役期限，在零部件成型后，需要对其进行强化加工。在实际应用中，由于材料的失效大多发生在表面或亚表面，因此表面强化已成为关键零部件制造过程的关键工序。
现有技术中，例如申请号为：“CN202011461341.0”的发明专利：“一种金属材料表面晶粒超细化的方法”中记载的技术方案：“一种金属材料表面晶粒超细化的方法，包括步骤：渗氮阶段、淬火阶段、渗氮淬火阶段，本发明共包含4个渗氮淬火循环，经过4次渗氮淬火后，材料表面晶粒细化至1μm以下，表面硬度明显提高。”存在效率低、过程繁琐，需要多步骤来完成表面晶粒细化；会损坏工件表面；上述多种晶粒细化方法是在表面加工后进行的，后续的加工在引入细化晶粒时会对表面产生一定的影响；细化区域不可控，并且不适用于具有特殊结构的小部件，比如凹槽、孔洞等结构的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，以解决背景技术中提出的现有技术中在对金属表面进行晶粒细化时，存在效率低、会损坏工件表面以及晶粒细化区域不可控的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过进行单激光扫描实验来获得激光与待加工材料的激光影响层厚度的关联关系，具体为：通过对待加工材料进行单激光扫描，获取待加工材料的激光影响层，对生成的激光影响层进行表征，得到随着激光能量密度的增大，激光与材料作用阶段以及对应激光影响层厚度，作用阶段包括热软化阶段、热损伤阶段和热烧蚀阶段，激光影响层包括为热软化层、热损伤层和热烧蚀层；
步骤S2，通过步骤S1中确定的激光参数，获得待加工材料的热软化层，再确定切削工艺中的切削深度，切削深度根据热软化层厚度确定；
步骤S3，通过步骤S2中获取到的激光参数以及铣削参数，对待加工材料表面进行激光辅助切削加工；通过调节切削深度和热软化层厚度来调控待加工材料加工表面的微观结构和表面质量，生成具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构。
根据上述技术方案，步骤S1中，单激光扫描实验具体为：通过激光辐照待加工表面，随着激光辐照能量的增加，形成不同程度的激光影响层；
通过单激光扫描试验获得了激光能量密度同激光影响层厚度的关联关系，关联关系具体如下：
激光能量密度同激光影响层厚度的关联关系
根据上述技术方案，步骤S2中，激光辅助铣削中的工艺参数具体确定方法为：通过步骤S1中单激光扫描实验获得激光影响层；并确定激光影响层的最大宽度，确定刀具的直径；使得刀具的直径大于或等于单激光扫描实验中得到的激光影响层的最大宽度。
根据上述技术方案，步骤S3中，生成高完整性和高质量加工表面以及具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构具体为：通过步骤S1中单激光扫描实验获得激光影响层，并确定激光影响层处于热软化阶段，通过控制切削深度小于热软化层厚度，生成高完整性、高质量加工表面以及具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用激光辅助铣削，通过激光和铣削加工相结合，在合适参数组合下，在金属表面引入热力耦合作用，使得表面层晶粒发生严重塑性变形，进而形成高完整性、高质量加工表面并且取得具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构的金属表面。通过本发明中的方法，有效提高了金属加工的加工效率，能够快速的使得金属加工表面晶粒细化。并且，通过本发明中的方法，激光辐射与铣削加工相结合，在实现高完整性、高质量加工表面的同时，还可以在加工表面晶粒进行梯度细化，使加工表面具有厚度大、晶粒尺寸小并且分布均匀有序的晶粒细化层。
附图说明
图1为本发明加工方法示意图；其中，图a为激光辅助加工示意图；图b为加工表面截面示意图；图c为加工表面截面微观组织结构表征（EBSD）结果；
图2为本发明激光功率对亚表面特征的影响示意图；其中，图a为激光功率为1.5W时，工件的亚表面特征图；图b为激光功率为3W时，工件的亚表面特征图；图c为激光功率为4W时，工件的亚表面特征图；图d为激光功率为5W时，工件的亚表面特征图；图e为激光功率为7.5W时，工件的亚表面特征图；图f为激光功率为10W时，工件的亚表面特征图；图g为激光功率为25W时，工件的亚表面特征图；图h为激光功率为35W时，工件的亚表面特征图；图i为激光功率为50W时，工件的亚表面特征图；
图3为本发明不同加工参数加工表面粗糙度示意图；
图4为本发明常规铣削加工表面SEM图；其中，图a为常规铣削加工表面SEM图的整体表面形貌图；图b为常规铣削加工表面SEM图的局部放大图；图c为常规铣削加工表面SEM图的表面损伤特征图；图d为常规铣削加工表面SEM图的切屑形貌图；
图5为本发明激光辅助铣削并且切削深度小于激光热软化层厚度下加工表面SEM图；其中，图a为激光辅助铣削加工表面SEM图的整体表面形貌；图b为激光辅助铣削加工表面SEM图的局部放大图；图c为激光辅助铣削加工表面SEM图的表面损伤特征图；图d为激光辅助铣削加工表面SEM图的切屑形貌图；
图6为本发明常规加工和激光辅助铣削加工表面亚表面损伤图；图a为常规加工的亚表面损伤图；图b为激光辅助铣削的亚表面损伤图；
图7为本发明常规铣削加工表面晶粒形态EBSD图；
图8为本发明激光辅助铣削加工表面晶粒形态EBSD图；
图9为本发明中不同加工参数下加工表面表层晶粒尺寸统计图；其中，图a为常规铣削、切削深度为10μm的晶粒尺寸统计图；图b为激光辅助铣削功率4W、切削深度为10μm的晶粒尺寸统计图；图c为激光辅助铣削功率为4W、切削深度为8μm的晶粒尺寸统计图；
图10为本发明相同切削深度下常规铣削（CM）和激光辅助微细铣削（LAM）表面微纳硬度和弹性模量。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过进行单激光扫描实验来获得激光与待加工材料的激光影响层厚度的关联关系，具体为：通过对待加工材料进行单激光扫描，获取待加工材料的激光影响层，对生成的激光影响层进行表征，得到随着激光能量密度的增大，激光与材料作用阶段以及对应激光影响层厚度，作用阶段包括热软化阶段、热损伤阶段和热烧蚀阶段，激光影响层包括为热软化层、热损伤层和热烧蚀层；
步骤S2，通过步骤S1中确定的激光参数，获得待加工材料的热软化层，再确定切削工艺中的切削深度，切削深度根据热软化层厚度确定；
步骤S3，通过步骤S2中获取到的激光参数以及铣削参数，对待加工材料表面进行激光辅助切削加工；通过调节切削深度和热软化层厚度来调控待加工材料加工表面的微观结构和表面质量，生成具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构。
本发明采用激光辅助铣削，通过激光和铣削加工相结合，在合适参数组合下，在金属表面引入热力耦合作用，使得表面层晶粒发生塑性变形，使得表面形成具有梯度尺寸结构金属表面。通过本发明中的方法，有效提高了金属加工的加工效率，并且使得加工表面的表面完整性和表面质量得到提升。通过本发明中的方法，激光辐射与铣削加工相结合，在实现高完整性、高质量加工表面的同时，还可以在加工表面晶粒进行梯度细化，使加工表面具有厚度大、晶粒尺寸小并且分布均匀有序的晶粒细化层。
实施例二
本实施例为实施例一的进一步细化。
步骤S1中，单激光扫描实验具体为：通过激光辐照待加工表面，随着激光辐照能量的增加，形成不同程度的激光影响层，本发明中的方法选取了激光影响层与待加工材料作用阶段中的激光热软化阶段，此阶段的特征是激光影响层的塑性增强并且未出现损伤和烧蚀现象；
通过单激光扫描实验，（即单激光扫描95W-3.5Ni-1.5Fe合金实验）获得了激光能量密度同激光影响层厚度的关联关系，关联关系具体如下：
激光能量密度同激光影响层厚度的关联关系
步骤S2中，激光辅助铣削中的工艺参数具体确定方法为：通过步骤S1中单激光扫描实验获得激光影响层；并确定激光影响层的最大宽度，确定刀具的直径；使得刀具的直径大于或等于单激光扫描实验中得到的激光影响层的最大宽度。
步骤S3中，生成高完整性和高质量加工表面以及具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构具体为：通过步骤S1中单激光扫描实验获得激光影响层，并确定激光影响层处于热软化阶段，通过控制切削深度小于热软化层，生成高完整性、高质量加工表面以及具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构。
实施例三
本发明的发明构思为：步骤S1：获取激光能量与热影响厚度的关联模型；通过进行多次单激光扫描实验来获得激光与待加工材料激光影响层厚度的关联关系以及对应的作用阶段，本加工方法选取了激光影响层与待加工材料作用阶段中的激光热软化阶段，此阶段的特征是激光影响层的塑性增强并且未出现损伤和烧蚀现象；
不同的待加工材料具有不同的脆塑转变温度，因此在进行激光辅助加工之前须获取激光能量密度与待加工材料相互作用规律（脆塑转变程度）以及对应产生的激光影响层厚度的关联关系，其中待加工材料的激光影响层厚度表征可以通过多种手段获取，例如EBSD、SEM和XRD等分析方法。在本实例中，通过设置多组不同激光能量密度的单激光扫描实验来获取激光同95W-3.5Ni-1.5Fe合金激光影响层的关系，实验参数下见表1，其中激光能量密度公式为Ed=P/vd，P为激光功率，v为激光扫描速度，d为激光束直径。
表1 单激光扫描实验参数
随后通过EBSD技术对单激光扫描95W-3.5Ni-1.5Fe合金加工区域截面激光影响层特征进行表征，如图2所示，通过图2中箭头标记获取到激光能量密度同激光影响层厚度间的关系如表2。至此得到激光能量密度同激光影响层厚度的对应关系。同时，通过表面特征确定其作用阶段，如图2中的图a、图b、图c以及图d所示，其表面塑性增强，但未出现图2中的图e至图i中的裂纹和凹坑等曲线，因此，将图2中的图a至图d定义为激光的热软化阶段。
图2为激光功率对亚表面特征的影响：图a中，P=1.5 W；图b中，P=3 W；图c中，P=4W；图d中，P=5 W；图e中，P=7.5 W；图f中，P=10 W；图g中，P=25 W；图h中，P=35 W；图i中，P=50W。
表2 激光能量密度同激光影响层厚度的关联关系
步骤S2：确定激光辅助铣削中工艺参数，激光参数通过S1获得。铣削参数比如刀具的类型和直径，以及与激光能量匹配的扫描速度（进给速度）；
激光辅助铣削工艺示意图如图1所示，激光对工件待加工材料进行预热，产生连续、可控的激光影响层，后续的切削过程通过调节切削深度将待加工区域待加工材料去除。在本发明中，预热是通过加载的激光热负荷实现，后续的切削方式采用铣削加工，也可采用车削、磨削等机械加工方式，激光是通过一定角度入射，也可以改变激光入射角。
如图1所示，激光辅助铣削工艺中，需要确定的工艺参数有：刀具的直径、刀具转速、工件进给速度、切削深度和激光功率、激光扫描速度、频率、脉宽等，在本发明中，刀具和激光光斑越接近，其能量的有效性越高，去除效果也更好。在本案例中，因为激光聚焦光斑的尺寸是聚焦透镜决定的，因此，只需要确定刀具的尺寸。刀具的尺寸取决于热影响层的最大宽度，为了完全去除热影响层，所以刀具的直径要大于或等于单激光扫描实验影响层的最大宽度，因此选用直径为300 μm的刀具。实验参数见表3。
其中激光功率选择为4 W是通过步骤S1中单激光扫描实验4 W激光下处于95W-3.5Ni-1.5Fe合金的激光软化阶段，切削深度选择为8、10、12 μm是因为4 W激光辅助下，95W-3.5Ni-1.5Fe合金激光影响层厚度为12 μm。工件进给速度取决于激光能量密度，主轴转速根据待加工材料和工况决定。
图1为激光辅助微细铣削原理示意图：（a）三维示意图；（b）二维示意图；（c）加工表面截面微观组织结构表征（EBSD）结果。
表3 激光辅助微细铣削微观组织调控实验参数
步骤S3：通过在软化阶段内调节切削深度和激光影响层厚度来调控表面微观结构，当切削深度小于热软化层时，生成具有硬度高，强度大，并且表面层晶粒梯度细化的高完整性金属待加工材料表面。
通过以上步骤获得加工表面，其高完整性具体表现为表面粗糙度数值低，表面缺陷少。图3为不同加工参数加工表面粗糙度数值对比，可以看出，在激光辅助铣削激光功率为4 W和切削深度为8μm和10μm时表面粗糙度最低。
图4为常规铣削加工表面SEM图，表面形貌SEM图像分为四个不同的部分：图a是整体表面形貌；图b展示了局部放大表面特征；图c展示了表面损伤特征，图d展示了切屑形貌。可以看出，加工表面存在明显的铣削痕迹和碎屑、裂纹、微空腔等缺陷。
图5为激光辅助铣削并且切削深度小于激光软化层厚度的表面形貌SEM图片。其中，图a为激光辅助铣削加工表面SEM图的整体表面形貌；图b为激光辅助铣削加工表面SEM图的局部放大图；图c为激光辅助铣削加工表面SEM图的表面损伤特征图；图d为激光辅助铣削加工表面SEM图的切屑形貌图；可以看出，铣削痕迹和表面缺陷得到明显改善。
图5中激光辅助铣削并且切削深度（10μm）小于激光影响层厚度（12μm）。
图6为常规铣削和激光辅助铣削下亚表面损伤特征示意图，可以看出，激光辅助铣削工艺下亚表面损伤最小，表面残余应力水平更低。
图6中：图a常规铣削，图b激光辅助铣削。
结合图3、4、5和6可以得到，本发明中激光辅助铣削工艺可以提高表面完整性，得到高完整性表面。
本发明中所提及的晶粒尺寸梯度细化分布特征可通过其表面晶粒形态特征确认，通过EBSD表征技术可以获取其表面晶粒细化层厚度、晶粒尺寸特征。加工表面横截面的代表性SEM和EBSD图像如图7所示。并且相应地给出了图7中区域Ⅰ的局部放大图。图7为常规铣削加工表面晶粒形态图，可以看出，表面晶粒细化程度小，并且伴随着晶粒破碎的现象。晶粒细化层厚度小，分布不均匀。
图7为常规铣削加工表面晶粒形态图，图1为激光辅助铣削加工表面晶粒形态特征图，此时激光功率为4 W，切削深度为10μm，小于激光影响层（12μm），可以看出，表面晶粒细化程度增强，并且分布有序，厚度增加，表面激光辅助铣削工艺在切削深度小于其激光软化层厚度下可以有效促进晶粒细化程度和改善晶粒细化不均匀的现象。
图1c中：激光功率4 W，切削深度10μm。
进一步的，继续减小切削深度至8 μm，如图9所示，晶粒细化程度进一步提升，晶粒尺寸更小，晶粒细化层厚度更大，进一步说明了本发明中的所提供的方法的正确性。
图8为激光辅助铣削加工表面晶粒形态EBSD图：激光功率4 W，切削深度8 μm。
图9借助EBSD分析软件OIM8.0对图7区域Ⅰ晶粒尺寸数据进行补充说明，为以上分析提供理论依据，其中图a为常规铣削、切削深度为10μm的晶粒尺寸统计图；图b为激光辅助铣削功率4W、切削深度为10μm的晶粒尺寸统计图；图c为激光辅助铣削功率为4W、切削深度为8μm的晶粒尺寸统计图。可以看出，功率为4 W的激光，切削深度为8μm下激光辅助铣削平均晶粒尺寸最小。
如图1、7和8所示，本发明提出的激光辅助铣削工艺优化方法即当切削深度小于激光软化层时可以取到晶粒细化程度大、晶粒尺寸小并且连续、有序的晶粒细化层。
最后对加工表面进行微纳力学检测，通过纳米压痕实验得到如图10。结果表明，当切削深度小于激光影响层厚度时，激光辅助铣削加工表面的力学性能更高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，通过进行单激光扫描实验来获得激光与待加工材料的激光影响层厚度的关联关系，具体为：通过对待加工材料进行单激光扫描，获取待加工材料的激光影响层，对生成的激光影响层进行表征，得到随着激光能量密度的增大，激光与待加工材料的作用阶段以及对应的激光影响层厚度，作用阶段包括热软化阶段、热损伤阶段和热烧蚀阶段，激光影响层包括为热软化层、热损伤层和热烧蚀层；
步骤S2，通过步骤S1中确定的激光参数，获得待加工材料的热软化层，再确定切削工艺中的切削深度，切削深度根据热软化层厚度确定；
步骤S3，通过步骤S2中获取到的激光参数以及铣削参数，对待加工材料表面进行激光辅助切削加工；通过调节切削深度和热软化层厚度来调控待加工材料加工表面的微观结构和表面质量，生成具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构。
2.根据权利要求1所述的一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，其特征在于：步骤S1中，单激光扫描实验具体为：通过激光辐照待加工表面，随着激光辐照能量的增加，形成不同阶段和厚度的激光影响层；通过单激光扫描试验获得激光能量密度与激光影响层厚度的关联关系。
3.根据权利要求1所述的一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，其特征在于：步骤S2中，激光辅助铣削中的工艺参数具体确定方法为：通过步骤S1中单激光扫描实验获得指定激光影响层对应的激光功率、激光扫描速度、脉冲宽度和重复频率；并确定激光影响层的最大宽度，确定刀具的直径；使得刀具的直径大于或等于单激光扫描实验中得到的激光影响层的最大宽度。
4.根据权利要求1所述的一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法，其特征在于：步骤S3中，生成高完整性、高质量的加工表面以及具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化结构具体为：通过步骤S1中单激光扫描实验获得激光影响层，并确定激光影响层处于热软化阶段，通过控制切削深度小于热软化层，生成高完整性、高质量的加工表面以及具有梯度分布特征的晶粒尺寸细化微观结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311029650.4A CN116728001B (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311029650.4A CN116728001B (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116728001A true CN116728001A (zh) | 2023-09-12 |
| CN116728001B CN116728001B (zh) | 2023-11-03 |
Family
ID=87906533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311029650.4A Active CN116728001B (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116728001B (zh) |
Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10128536A1 (de) * | 2001-06-13 | 2003-01-02 | Daimler Chrysler Ag | Fräsmaschine und Fräsverfahren |
| CN1672867A (zh) * | 2004-03-25 | 2005-09-28 | 气体产品与化学公司 | 一种在材料形成和成形过程中改善加工表面的设备和方法 |
| US20150027999A1 (en) * | 2012-03-28 | 2015-01-29 | Komatsu Industries Corporation | Combined machining method and combined machining device |
| KR20170048954A (ko) * | 2015-10-27 | 2017-05-10 | 에스아이에스 주식회사 | 레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법 |
| CN107234402A (zh) * | 2016-03-28 | 2017-10-10 | 南京理工大学 | 一种降低梯度结构金属板表面粗糙度的方法 |
| CN107520535A (zh) * | 2016-06-20 | 2017-12-29 | 南京魔迪多维数码科技有限公司 | 生成脆性材料基板加工工艺的方法以及装置 |
| CN109454326A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-12 | 南京航空航天大学 | 一种透明材料激光辅助切削加工方法 |
| CN109551335A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-04-02 | 南京航空航天大学 | 一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺 |
| CN112760594A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-05-07 | 西南交通大学 | 一种金属材料表面晶粒超细化的方法 |
| CN112978237A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-18 | 江苏佳粮机械有限公司 | 一种防谷物破碎的花轮及其制作方法 |
| CN113275897A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-08-20 | 广东中科德弗激光科技有限公司 | 一种激光和摩擦复合增减材加工装置及方法 |
| CN113305505A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-27 | 宝武装备智能科技有限公司 | 冷轧硬面工艺辊的制作方法 |
| CN113878238A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-04 | 天津大学 | 一种利用激光辅助改性提升软质金属表面加工质量的方法 |
| CN114952635A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-30 | 西南交通大学 | 超声空化辅助淹没脉动气射流抛光系统 |
| CN115041996A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-09-13 | 广东工业大学 | 一种形成梯度纳米结构平面表层的加工装置及加工方法 |
| CN115533464A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-30 | 北京理工大学 | 一种激光双重改性辅助微细切削加工工艺 |
| CN115647940A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-01-31 | 大连理工大学 | 一种激光同步辅助超声侧面磨削硬脆材料的方法 |
| CN115971788A (zh) * | 2023-01-06 | 2023-04-18 | 中国科学院金属研究所 | 一种在金属材料回转件端面制备梯度纳米结构的方法 |
| CN116175083A (zh) * | 2023-01-30 | 2023-05-30 | 电子科技大学 | 一种基于激光辅助滚压调控的超精密加工方法 |
| CN116214359A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-06-06 | 上海工程技术大学 | 一种光电催化增强固结磨料抛光单晶碳化硅的方法 |
-
2023
- 2023-08-16 CN CN202311029650.4A patent/CN116728001B/zh active Active
Patent Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10128536A1 (de) * | 2001-06-13 | 2003-01-02 | Daimler Chrysler Ag | Fräsmaschine und Fräsverfahren |
| CN1672867A (zh) * | 2004-03-25 | 2005-09-28 | 气体产品与化学公司 | 一种在材料形成和成形过程中改善加工表面的设备和方法 |
| US20150027999A1 (en) * | 2012-03-28 | 2015-01-29 | Komatsu Industries Corporation | Combined machining method and combined machining device |
| KR20170048954A (ko) * | 2015-10-27 | 2017-05-10 | 에스아이에스 주식회사 | 레이저 클래딩 시스템 및 이를 이용한 레이저 클래딩 방법 |
| CN107234402A (zh) * | 2016-03-28 | 2017-10-10 | 南京理工大学 | 一种降低梯度结构金属板表面粗糙度的方法 |
| CN107520535A (zh) * | 2016-06-20 | 2017-12-29 | 南京魔迪多维数码科技有限公司 | 生成脆性材料基板加工工艺的方法以及装置 |
| CN109454326A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-12 | 南京航空航天大学 | 一种透明材料激光辅助切削加工方法 |
| CN109551335A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-04-02 | 南京航空航天大学 | 一种激光辅助精密磨削透明材料的工艺 |
| CN112760594A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-05-07 | 西南交通大学 | 一种金属材料表面晶粒超细化的方法 |
| CN112978237A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-18 | 江苏佳粮机械有限公司 | 一种防谷物破碎的花轮及其制作方法 |
| CN113305505A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-27 | 宝武装备智能科技有限公司 | 冷轧硬面工艺辊的制作方法 |
| CN113275897A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-08-20 | 广东中科德弗激光科技有限公司 | 一种激光和摩擦复合增减材加工装置及方法 |
| CN113878238A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-04 | 天津大学 | 一种利用激光辅助改性提升软质金属表面加工质量的方法 |
| CN114952635A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-30 | 西南交通大学 | 超声空化辅助淹没脉动气射流抛光系统 |
| CN115041996A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-09-13 | 广东工业大学 | 一种形成梯度纳米结构平面表层的加工装置及加工方法 |
| CN115533464A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-30 | 北京理工大学 | 一种激光双重改性辅助微细切削加工工艺 |
| CN115647940A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-01-31 | 大连理工大学 | 一种激光同步辅助超声侧面磨削硬脆材料的方法 |
| CN116214359A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-06-06 | 上海工程技术大学 | 一种光电催化增强固结磨料抛光单晶碳化硅的方法 |
| CN115971788A (zh) * | 2023-01-06 | 2023-04-18 | 中国科学院金属研究所 | 一种在金属材料回转件端面制备梯度纳米结构的方法 |
| CN116175083A (zh) * | 2023-01-30 | 2023-05-30 | 电子科技大学 | 一种基于激光辅助滚压调控的超精密加工方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHIWEI XU ETC: "Processability improvement of laser-assisted micro-machining 95W-3.5Ni-1.5Fe alloy based on surface and subsurface characteristics", 《MATERIALS & DESIGN》, pages 1 - 16 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116728001B (zh) | 2023-11-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4356376A (en) | Pulse laser pretreated machining | |
| Song et al. | Experimental investigation of machinability in laser-assisted machining of fused silica | |
| Shin | Laser assisted machining: Its potential and future | |
| Nagimova et al. | A review on laser machining of hard to cut materials | |
| Shams et al. | Thermal-assisted machining of titanium alloys | |
| WO2022095652A1 (zh) | 一种超声激光机械复合加工方法、超声波振动夹具、机床及激光器 | |
| CN116728001B (zh) | 一种晶粒梯度细化的高完整性金属材料表面加工方法 | |
| Zhang et al. | Tool wear in laser ultrasonically combined turning of tungsten carbide with PCD tools | |
| JP6980320B2 (ja) | ワークのレーザ加工方法及び切削工具の製造方法 | |
| Tsai et al. | The laser shaping of ceramic by a fracture machining technique | |
| CN112719376A (zh) | 一种硅铝合金tr组件封装壳体切削方法 | |
| Isa et al. | Experimental investigation of cutting parameters effect on surface roughness during wet and dry turning of low carbon steel material | |
| CN115365639A (zh) | 一种基于超声振动辅助飞秒激光加工C/SiC复合材料的方法 | |
| Modest | Minimization of elastic thermal stresses during laser machining of ceramics using a dual-beam arrangement | |
| CN115319297A (zh) | 一种基于气氛调控的金属构件表面激光铣削方法 | |
| Uma Maheshwer Rao | Laser‐Assisted Grinding and Milling | |
| Mohid et al. | Tool wear propagation in Ti6Al4V laser assisted micro milling using micro ball end mill | |
| RU2764449C1 (ru) | Способ механической обработки стальной заготовки с дроблением стружки | |
| Godara et al. | Experimental analysis on the effect of build directions during microdrilling of SLM fabricated maraging steel (18-Ni-300) | |
| Zhai et al. | The Study on Surface Integrity on Laser-assisted Turning of SiCp/2024Al | |
| CN111331259B (zh) | 利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法及装置 | |
| Venkatesan | Estimation of Optimal Laser Parameters On Inconel 718 By Taguchi Methodology | |
| Hsue et al. | Multi-pass EDM process planning for the surface treatment of powder-bed-fusion AM CORRAX mold steel | |
| El-Wardany et al. | An investigation into the effect of Co2 laser cutting variables on cutting edge quality of stainless steel 316 sheets | |
| Petare et al. | Advances in Textured Cutting Tools for Machining |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |