涂層刀具圓孔與直槽混合微織構激光制備工藝研究*

王棟梁,易湘斌,張繼林

(1.蘭州工業學院 綠色切削加工技術及應用甘肅省高校重點實驗室,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州工業學院 甘肅省精密加工技術及裝備工程研究中心,甘肅 蘭州 730050 )

0 引 言

刀具微織構不僅能夠存儲潤滑液,而且能儲藏磨屑和磨損的刀具材料顆粒,起到減少前刀面磨損和提供二次潤滑的作用[1-2]。混合型織構是一種集多種幾何形貌于一體的表面形態[3]。激光制備微織構可以瞬間將刀具表面材料熔化、氣化,從而形成刀具的表面幾何形貌[4]。經激光加工后,微織構邊緣附近的顯微硬度要高于其他表面,但激光制備的微織構深度、直徑與微織構質量的關系還需要進一步研究[5-6]。目前對涂層刀具混合微織構激光制備過程的詳細研究報道較少。

鑒于此,筆者在上述文獻成果的基礎上,深入研究涂層刀具圓孔與直槽混合微織構激光制備工藝,以期為涂層刀具混合微織構的激光制備提供技術參考。

1 實 驗

1.1 實驗設備

實驗中微織構制備采用的是F50-50W型光纖式激光平臺,如圖1所示。采用德國Smartzoom 5型超景深顯微鏡,用以觀察刀具微織構的幾何特征,如圖2所示,激光相關參數如表1所列。

表1 激光器參數

圖1 光纖式激光平臺

采用美國InspectF50型場發射掃描電子顯微鏡系統,用以觀察刀具微織構的表面形貌,如圖3所示。

圖3 電子顯微鏡系統

1.2 實驗方法

實驗中使用的刀具型號為CNMA120404 RC8215。新刀具及織構刀具的實物照片如圖4所示。刀具的物理性能和幾何參數如表2所列。

表2 刀具的物理性能和幾何參數

基于圓孔與直槽混合的微織構刀具在激光器平臺上制備完成之后,采用3 000目的普通砂紙進行表面拋光和去氧化層處理;使用金相砂紙進行研磨處理;拋光后采用KQ-500DE型數控超聲波清洗機進行清洗處理,依次在無水乙醇、清水中各清洗10 min;對清洗后的樣品表面進行氮氣吹干;將樣品置于烘干臺上烘干。

2 結果和討論

2.1 加工次數對混合微織構形貌及尺寸的影響

實驗中激光加工次數分別為2次、4次、6次和8次。掃描速度為10 mm/s,激光功率為20 W,激光頻率為20 kHz。

圖5為加工次數對混合微織構表面形貌的影響圖。由圖5可以看出,加工次數為4次時,圓孔底部重鑄層不平整,直槽底部相對較平整。加工次數為6次和8次時,圓孔和直槽的底部都比較平整。

圖6為加工次數與混合微織構幾何尺寸的關系圖。預期制備混合織構中直槽的寬度和圓孔的直徑均為90 μm。由圖6可見,隨著加工次數的增加,微織構的深度也在增加;圓孔和直槽的寬度均在90 μm左右,圓孔的直徑尺寸波動較小,更符合預期值。

2.2 掃描速度對混合微織構形貌及尺寸的影響

將掃描速度分別設計為10 mm/s、20 mm/s 、30 mm/s 和40 mm/s,激光加工次數為6次,激光功率、激光頻率和實驗2.1相同。

圖7為掃描速度對混合微織構表面形貌的影響圖。由圖7可知,兩種形狀的織構底部和側邊總體比較規整,特別是圓孔的幾何形狀非常完整,兩種織構邊緣均無堆積層。

隨著掃描速度的增加,兩種織構的深度都在減小,結果如圖8所示。

圖8 掃描速度與微織構幾何尺寸的關系

2.3 激光功率對混合微織構形貌及尺寸的影響

設置激光功率分別為10 W、20 W、30 W和40 W,掃描速度為10 mm/s,激光加工次數與激光頻率同實驗2.2。

圖9為激光功率對微織構表面形貌的影響。由圖9可知,隨著激光功率的增加,兩種織構底部和側壁的重鑄層的厚度都在增加。當激光功率為20 W時兩種織構都出現了微小的氣孔、裂紋和凸尖,并且這些缺陷隨著功率的增加變得越來越明顯,織構底部和側壁越來越不平整。

圖9 激光功率對微織構表面形貌的影響

圖10為激光功率與微織構幾何尺寸的關系圖。由圖10可知,在激光功率為5 W時,微織構深度非常淺,幾乎為零。隨著激光功率的增加,兩種織構的深度增加趨勢都很明顯。直槽織構的寬度在80 μm左右,而圓孔織構直徑在100 μm左右。

圖10 激光功率與微織構幾何尺寸的關系

2.4 激光頻率對混合微織構形貌及尺寸的影響

將激光的頻率分別設計為40、80、120和160 kHz,激光功率為20 W,其余參數同實驗2.3。結果如圖11所示。由圖11可知,當激光頻率為40 kHz時,兩種織構都有凸尖,而且織構的底部燒蝕區和側壁均不平整;激光頻率從80 kHz開始,兩種織構的底部和側壁較平整,無裂紋、氣孔以及凸尖缺陷。

圖11 激光頻率對微織構表面形貌的影響

激光頻率與微織構幾何尺寸的關系如圖12所示。由圖12可知,隨著激光頻率的增加,兩種織構的深度逐漸減小;兩種織構的寬度也是隨著激光頻率的增加而逐漸減小。

圖12 激光頻率與微織構幾何尺寸的關系

2.5 微織構表面EDS結果分析

在微織構槽的底端、上邊沿以及織構以外正常刀具表面分別選取如圖13所示的3個點,對相應點處的表面成分進行分析,結果如圖14所示。由圖14可知,在織構底部點1處和織構上邊沿點2處W元素含量遠高于其他元素含量;而在織構以外正常刀具表面的點3處未發現W元素和Co元素,說明涂層表面并未受到激光燒蝕的影響,保存完好。點1處和點2處織構表面形貌以氧化物為主;點3處O元素含量較高的原因主要是涂層中存在Al2O3成分所致。

圖13 微織構表面的能譜分析測試點

圖14 微織構表面主要要素的質量百分比

3 結 論

(1) 根據混合織構表面形貌分析結果得到:激光功率小于5 W,不會在涂層刀具上制備出表面微織構;激光功率大于20 W時,涂層刀具織構的底部和側壁會變得不平整,甚至會出現氣孔、裂紋和凸尖等缺陷;因此,對于涂層刀具的表面微織構,合理的激光參數應為:加工次數N=6,掃描速度v=10 mm/s,激光功率P=20 W,激光頻率f=120 kHz。

(2) 根據混合織構幾何尺寸分析結果得到:在其他實驗參數相同的條件下,直槽織構的深度大約是圓孔織構深度的1.5～2倍;激光頻率對涂層刀具織構寬度的影響最大。

(3) 根據EDS分析結果得到:涂層刀具織構底部和側壁的結構以氧化物為主;在合理選擇激光參數的情況下,刀具表面織構以外的涂層并未被破壞。