皮秒激光精密加工金刚石等硬脆性材料是当前最佳工程解决方案与技术前沿热点。常规采用脉冲宽度≤20 ps激光光源, 可以实现切割面崩边＜5 μm, 表面粗糙度Ra1.6的切割质量。我们采用脉冲宽度200 ps的低成本皮秒光纤激光器, 对激光功率与切割速度等工艺参数进行优化, 通过外光路整形系统对光束进行整形, 以及聚焦透镜的优化设计等关键技术进行研发, 实现了切缝的最大崩边宽度≤6 μm、表面粗糙度Ra1.6的加工质量, 其加工效率与20 ps激光精密加工工艺一致, 生产成本显著降低, 满足了生产金刚石刀具精密切割需求, 可解决拉丝模、刀具刃口加工的后续抛光问题。

为了研究典型功能脆性材料钽酸锂和硅片的磨削特性, 建立了端面磨削模型来计算晶片的比磨削能及其表面的磨削力的分布, 并通过实验分析脆性材料的磨削特性。以进给速度作为变量, 选取砂轮端主轴磨削过程中功率增加率作为评价磨削特性的指标进行磨削实验, 同时采集砂轮端主轴的功率值信号, 滤波后计算晶片比磨削能和磨削力的分布。通过端面磨削模型计算可得：钽酸锂的比磨削能是147.46 J/mm3, 比硅的大44%, 表明磨削去除相同体积的钽酸锂需要更多的能量, 钽酸锂晶片表面分布的磨削力比硅片大。磨削过程的主轴功率增加率是预测钽酸锂加工结果的重要指标, 在本实验中一旦增加率大于临界值0.6 W/s, 钽酸锂表面就会产生裂纹。而在相同加工条件下, 无论进给速度如何变化, 硅片的磨削主轴的功率增加率始终保持稳定, 而钽酸锂的主轴磨削过程的功率增加率则与进给速度呈现线性增加关系, 这一现象与钽酸锂的机械性质无关, 而与物理性质有关系。

针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题，本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群，利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法，建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型，数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性，得到了工件表面气泡溃灭的分布规律，并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明，通入微尺度气泡群后，平均速度从12.50~13.50 m/s提升至15.00~17.00 m/s，最高平均速度可达20.00 m/s以上。对比加工实验显示，经8 h加工后，粗糙度从0.50 μm降低到0.05 μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。

随着激光加工技术的发展, 硬脆性材料的激光加工成为国内外研究的热点。建立了硬脆性材料3D有限元模型, 采用扫掠法对模型进行了网格划分, 选择高斯分布的激光光源为热源模型, 实现了硬质合金和碳化硅脉冲激光打标过程的数值模拟, 得到了这两种材料的温度场分布。

基于压痕断裂力学理论, 建立了工件表面粗糙度与亚表层损伤深度的理论关系模型, 用于预测磨削加工脆性光学材料引起的亚表层损伤深度。利用磁流变角度抛光技术检测了不同磨削加工工艺条件下亚表层的损伤深度, 验证了理论模型的正确性。分析了加工工艺参数对工件表面粗糙度及亚表层损伤深度的影响规律, 提出了提高材料去除率的磨削加工工艺方案。分析结果表明：脆性材料工件的亚表层损伤深度与工件的表面粗糙度呈非线性单调递增关系。工件亚表层损伤深度及工件表面粗糙度均随着切削深度和进给速度的增加而增加, 随着主轴转速的增加而减小。对比实验结果与理论模型预测结果表明, 提出的模型可以准确、无损伤地的预测磨削加工引起的工件亚表层损伤深度。

采用Nd∶YAG脉冲激光对连杆所用材料C70S6钢和发动机曲轴轴承座常用材料灰铸铁进行了裂解槽加工，并在裂解设备上进行了胀断实验。采用工具显微镜、扫描电子显微镜和显微硬度仪等对比研究了裂解槽的几何形貌、裂解槽附近显微组织和显微硬度变化以及断口形貌，探讨了脉冲激光加工裂解槽的特性，揭示了脉冲激光加工韧/脆性材料裂解槽对胀断工艺的影响机制。结果表明：脉冲激光加工韧/脆性材料裂解槽的几何形貌、缺口效应均明显优于拉削加工和线切割加工，其中灰铸铁的缺口敏感性得到显著增强,在韧/脆性材料裂解槽附近均生成了易碎的马氏体，在槽的根部出现了微裂纹,组织明显细化；韧/脆性材料熔化区显微硬度约为820/850 HV，相变硬化区约为860/550 HV，显微硬度均高于基体，硬化效果显著；在C70S6钢槽根部区域未见韧性撕裂现象,韧/脆性材料断口都表现出脆性断裂特征，满足裂解工艺要求。

脆性材料由于其特殊的性能在工业产品中的应用日益增多, 相对于金属材料的加工技术, 目前对非金属脆性材料的加工工艺研究较少, 至今缺少高效的加工手段。随着激光技术的发展, 激光被公认为是加工脆性材料的一种很有潜力的加工工具。介绍了激光在脆性材料分离、成形、喷丸改性中应用研究的最新成果, 分析了其加工原理和技术特点。讨论了激光弯曲脆性材料过程中影响弯曲角度的几个因素, 提出了在激光喷丸脆性材料中应用位错理论解释激光使脆性材料改性的机理, 最后指出了目前激光加工脆性材料研究中存在的问题, 预测了激光加工脆性材料的发展前景。

通过改变工艺参数,用2.5 kW RS2000SM快轴流CO2激光器的激光束对球墨铸铁板条进行扫描; 并以X-350A型X射线应力测定仪,HVS-1000显微硬度测试仪及扫描电镜(SEM)等为工具,研究了脆性材料激光热应力成形的规律。结果表明,激光束能量较高、扫描速度较低、扫描次数较多和板材厚度较小时都有利于显著增加弯曲变形。成形后的试样在变形区表层有铁素体、渗碳体产生,试样内部表层的石墨团数量减少,试样上表层的最大残余拉应力在250 MPa左右,试样下表层的残余应力值接近零。试样断面硬度在700～200HV之间变化,上表层硬度最高。激光束能量较大时,变形区内部产生了微裂纹。

传统分离脆性材料的技术由于易产生残余应力、显微裂纹与边部碎屑等缺陷，越来越不能满足半导体工业高精度与高清洁度的要求。激光微细加工技术以无污染、无接触及加工精度高、操作柔性好等优势，正成为一种很有潜力的脆性材料精密加工技术。介绍了用于分离脆性材料的几种典型激光微细加工技术，包括激光烧蚀切割技术、激光诱导张应力控制微裂纹扩展技术与激光剥离技术的工艺原理、特点及研究现状，指出了其存在的主要问题并探讨了其改进措施。最后预测了激光分离技术的发展前景。

激光切割脆性材料是一个复杂的光致热过程。在综合考虑材料的热物性参数、初始条件及边界条件的情况下，运用Ansys软件建立了激光切割脆性材料温度场的三维有限元模型。采用APDL语言实现了对热流密度的高斯分布和强制对流换热及移动激光热源的模拟。通过设置不同的激光切割参数，对温度场的变化进行了模拟分析。所建立的温度场模拟系统可以对实际激光切割脆性材料的热过程进行前期预测，并能对激光切割参数的选择进行一定的优化，以减少实际切割的盲目性。