激光辅助高温车削中SiC陶瓷材料塑性去除行为的多尺度机理与预测模型研究

为解决SiC陶瓷等硬脆材料加工效率低、表面质量差的问题，研究人员通过建立热力耦合有限元模型，系统研究了激光辅助高温车削过程中材料塑性去除机制。研究发现高温软化可使SiC实现从脆性断裂到塑性变形的转变，构建的去除率预测模型误差仅2.06%-6.92%，为硬脆材料高效精密加工提供了新方案。

　　

在航空航天和国防领域，碳化硅(SiC)陶瓷因其卓越的耐磨性和高温机械性能成为关键结构材料。然而这类硬脆材料在传统加工中面临巨大挑战——超高硬度和低断裂韧性导致加工效率低下，表面易产生微裂纹等缺陷。尽管学者们尝试通过优化磨削工艺、采用金刚石工具等方法改善加工质量，但本质上仍属于脆性去除，无法从根本上解决问题。

山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室的研究团队另辟蹊径，创新性地将激光辅助加工(LAM)技术应用于SiC陶瓷车削。这项发表在《Optics》的研究通过建立微米级热力耦合有限元模型，首次揭示了激光高温软化诱导的塑性去除机制，并构建了精准的去除率预测模型。

研究采用多学科交叉方法：通过有限元模拟(FEM)量化温度场对材料性能的影响；设计四因素（切削深度、进给量、转速、激光功率）交互实验；运用方差分析和三维响应面法解析参数敏感性；基于Johnson-Cook材料模型建立塑性状态去除率方程。

【Analysis of removal behavior of SiC】章节显示，当激光功率210W时，材料表面温度可达2500℃，此时屈服强度低于断裂强度，实现脆塑转变。微观观察证实去除机制从脆性断裂转变为塑性流动，表面粗糙度显著降低。

【Conclusions】部分指出，切削深度和进给量对去除率(MRR)影响最大，交互作用尤为显著。建立的预测模型在塑性/近塑性状态下误差仅2.06%-6.92%，最优参数组合（大切削深度、高进给量、高激光功率配合低转速）可同时实现高效率和高质量加工。

该研究突破性地解决了硬脆材料塑性加工的理论预测难题，提出的热力耦合模型为其他难加工材料提供了方法论借鉴。工程应用方面，精准的去除率控制模型可直接指导航空发动机陶瓷部件等精密加工，推动高端装备制造技术进步。研究团队特别指出，该方法可拓展至氮化硅(Si₃N₄)等工程陶瓷加工领域，具有广阔产业化前景。