飛秒激光對單晶金剛石刀具表面的加工

胡和平 丁朝俊

摘? 要：刀具切削是典型的力熱耦合摩擦過程，易產(chǎn)生大量的熱量，同時切削屑也會對刀具表面產(chǎn)生一定的損傷。運用飛秒激光對單晶金剛石刀具表面進行加工，表面微納結構可以存儲一定的切削液，增大刀具表面同切削面的接觸面，減小摩擦力，提高散熱能力，有效延長金剛石刀具的壽命。同時飛秒激光加工技術具有較高的加工效率，操作簡便，因此能夠在單晶金剛石刀具的工具中得到廣泛應用。該文在這一基礎上，就飛秒激光對單晶金剛石刀具表面加工展開簡要的論述與探討。

關鍵詞：飛秒激光? 單晶金剛石? 刀具加工

中圖分類號：TG665 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）03（c）-0038-02

隨著科技的不斷進步，激光技術也實現(xiàn)了巨大的發(fā)展，誕生多個分支并逐步形成前言科學。飛秒激光具備較高的峰值功率，且脈沖時間較短，成為普遍關注的課題之一[1]。通常情況下，飛秒激光脈沖寬度為10～15s量級，相比于長脈沖及連續(xù)激光，峰值功率要更高。自20世紀80年代起，飛秒激光在多個領域內(nèi)都實現(xiàn)了廣泛應用，特別是在特殊材料加工領域內(nèi)受到了格外重視，飛秒激光微納加工技術也處于不斷地進步之中。

1? 飛秒激光燒蝕單晶金剛石材料的閾值

在當前工業(yè)領域內(nèi)，金剛石的應用最為廣泛，是一種高強度高硬度的工業(yè)材料。金剛石由碳原子構成，是原子晶體結構，每一個碳原子都處于正四面體中心，四面體4個頂點上有碳原子存在，構成的骨架結構非常堅固且具有連續(xù)性[2]。對于這種堅硬的材料進行微納加工，需要對其特性展開研究。當激光和金剛石相互作用時，產(chǎn)生單層去除時最小的能量密度即為燒蝕閾值。當飛秒激光的功率密度比燒蝕閾值高時才會出現(xiàn)有效材料去除現(xiàn)象，一旦比燒蝕閾值低則不會產(chǎn)生反應。針對單晶金剛石運用飛秒激光進行加工時，需要準備計算燒蝕閾值，將其作為制備單晶金剛石刀具表面微納結構的重要依據(jù)，準確把控脈沖能量，獲得精確的微納結構。

通過燒蝕實驗可以獲得燒蝕閾值，運用等離子體輻射或推算法都可以進行測量[3]。在等離子體輻射下，需要對等離子體進行收集，針對這些等離子體運用質譜儀展開分析，明確材料的燒蝕閾值，在這種方法下對操作儀器有較高的要求，需要付出較高的實驗成本。在推算法之下，針對不同加工功率及燒蝕面積關系對0燒蝕面積時激光的功率密度進行推算，這種方法誤差非常小，且易于操作，得到了廣泛普及。

就單晶金剛石而言，（110）晶面在原子密度上要遠高于（100）面，且電子密度較高。飛秒激光和材料相互作用時，會產(chǎn)生電離及多光子吸收現(xiàn)象[4]。在這一過程中，（110）晶面由于原子密度及電子密度較高，吸收的激光能量就更多，從而產(chǎn)生單層去除反應。相比于（100）晶面，（110）晶面的燒蝕閾值要更高。

2? 飛秒激光下單晶金剛石的溝槽加工

飛秒激光進行微納加工存在顯著閾值效應，假如激光功率較小，激光能量密度小于加工材料燒蝕閾值，就不會出現(xiàn)材料去除反應。提高飛秒激光的功率，使得能量密度比燒蝕閾值高，能夠對溝槽尺寸產(chǎn)生影響，產(chǎn)生寬度及深度各異的微結構，同時會影響微結構的表面質量。0.5MW功率的飛秒激光，能量密度交單晶金剛石燒蝕閾值略高，通過微納加工能夠得到非常小寬度及深度的溝槽，實現(xiàn)了非熱熔性的去除，顯著的周期性條紋結構出現(xiàn)于溝槽內(nèi)部。飛秒激光波長及材料同空氣界面折射率會對周期性條紋結構的周期產(chǎn)生影響。不斷提高飛秒激光功率，產(chǎn)生較高的能量密度，實現(xiàn)熱熔性材料去除，由于能量的分布不均難以有效影響材料去除，所以此類周期性的微納結構僅僅出現(xiàn)于溝槽兩側飛秒激光較低能量密度處[5]。

3? 飛秒激光下單晶金剛石刀具表面加工

在飛秒激光加工微納結構過程中，需要同切削刃保持一定距離，以保持刀尖的完整性。通過飛秒激光進行微納結構的加工，可以將金剛石刀具的磨損區(qū)域進行覆蓋，因此可以在刀尖圓弧的多個位置進行微納結構加工。

在一定的加工功率之下，材料表面的質量及平整度都會對加工效果產(chǎn)生影響。在加工金剛石刀具的過程中，表面存在波紋度的誤差現(xiàn)象，放置工件也會出現(xiàn)平面度的誤差，因此飛秒激光加工垂直切削刃溝槽結構及圓環(huán)結構過程中存在不連續(xù)情況。此外，飛秒激光加工網(wǎng)狀結構及圓環(huán)序列時，有重復交叉掃描情況存在，掃描速度慢，這些位置出現(xiàn)能量累積，易造成刀具表面出現(xiàn)微破損及微裂紋。這些狀況并不多見，對刀具切削影響不大[6]。

通過掃描電鏡對切削后的刀具表面進行觀測，微納結構切削刃并未出現(xiàn)顯著崩刃及破損的情況，整個切削過程保持穩(wěn)定的切削力，所產(chǎn)生的切削表面也具有較高質量[7]。刀具切削面不存在顯著的黏結磨損，通過飛秒激光加工微納結構不會對金剛石內(nèi)部的抗黏結性產(chǎn)生影響，確保刀具表面的穩(wěn)定性，不會產(chǎn)生積削瘤和磨損的情況。在微納結構的內(nèi)部，能夠將少量切削碎屑進行收集，有效降低碎屑所產(chǎn)生的磨損[8]。

飛秒激光對金剛石刀具進行加工后，微納結構使得刀具和切削間摩擦有效減小。在傳統(tǒng)加工模式下，盡管在摩擦表面使用了切削液，但是無法形成有效的潤滑油墨，難以有效保護刀具表面。而通過飛秒激光對金剛石刀具進行加工后，所產(chǎn)生的微納結構能夠保存切削液，形成了潤滑油墨，有效降低了刀具表面同切削的接觸面，降低了摩擦系數(shù)，避免較大摩擦對刀具表面造成損傷[9]。在刀具的溝槽及溝槽結構中存在周期性的納米結構，使得刀具表面同切削有更大的接觸面，微納結構中有大量切削液，隨著切削液的揮發(fā)，將切削熱量帶走，降低了刀具與切削面的溫度，將損傷降至最低。

4? 結語

單晶金剛石在工業(yè)領域內(nèi)有廣泛的應用，其具有較高的硬度，能夠通過加工得到較高切割力的切削刃，在車削中得到廣泛應用。由于單晶金剛石極高的硬度，使得其生產(chǎn)出的車刀價格較高，刃磨的工業(yè)也極為復雜，需要付出較高的成本及較長的周期。飛秒激光峰值能量較高，在加工過程中不會產(chǎn)生較高的熱量，因此，在特殊材料表面加工中具有顯著的優(yōu)勢。通過飛秒激光對金剛石刀具進行加工，所產(chǎn)生的微納結構可以有效保護刀具表面，降低對金剛石刀具表面的損傷，有效保護刀尖及切削刃。

參考文獻

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