石廣豐，朱可可，張?jiān)骑w，史國權(quán)

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 103322）

天然金剛石的水射流引導(dǎo)激光切割及檢測分析

石廣豐，朱可可，張?jiān)骑w，史國權(quán)

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 103322）

金剛石工具行業(yè)的快速發(fā)展，需要對大量的天然金剛原石顆粒進(jìn)行精密切割和細(xì)分，從而方便通過后續(xù)的研磨拋光來實(shí)現(xiàn)高精度的金剛石工具制備。相對于傳統(tǒng)的手工劈切和激光切割方法，采用水射流引導(dǎo)激光（Laser Micro Jet，簡稱LMJ）切割方法對天然金剛石原石進(jìn)行了精密、高效切割分離，并采用光學(xué)顯微鏡和X射線衍射儀（XRD）等檢測手段對切割后的金剛石表面（110）晶面進(jìn)行了物相成分和殘余應(yīng)力的檢測分析，通過和激光切割后的樣品結(jié)果對比獲得了LMJ切割天然金剛石的有益效果。這對于完善金剛石原石的LMJ切割工藝具有重要意義。

天然金剛石；LMJ；X射線；物相；殘余應(yīng)力

0 引言

天然金剛石是目前地球上發(fā)現(xiàn)的自然存在物質(zhì)中最堅(jiān)硬的一種單晶體材料，它不僅可以制作成觀賞寶石（鉆石、珠寶等），而且還可以用于工業(yè)用途，如金剛石工具等。無論天然金剛石作何用途都要首先對其進(jìn)行開料、粗磨、微細(xì)切割和精磨拋光。由于天然單晶金剛石具有極高硬度和強(qiáng)度、超高耐磨性、極好導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，對天然金剛石晶體的加工具有效率低、損耗大、分割質(zhì)量不穩(wěn)定以及加工成本高等各種加工難題，因此限制了天然金剛石原石材料的利用率[1]。

相對于人工劈割和鋸切的天然金剛石傳統(tǒng)開料方法來說，激光切割的方法普遍采用[2]。由于天然金剛石存在大自然中多為不規(guī)則形式，使用具有高亮度、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、空間控制和時(shí)間控制性好等優(yōu)越性能的激光切割，容易獲得超短脈沖和小尺寸光斑，能夠產(chǎn)生極高的能量密度和功率密度，足以加工世界上任何金屬和非金屬物質(zhì)，特別適用于自動(dòng)化加工,而且對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大[3,4]。但是激光切割天然金剛石表面會(huì)產(chǎn)生明顯的裂紋和斷層，并且使切割后的天然金剛石表面產(chǎn)生不同的燒蝕現(xiàn)象，因此尋求天然金剛石的新型切割方法來具有重要意義和價(jià)值。

水射流引導(dǎo)激光（Laser Micro Jet，簡稱LMJ）復(fù)合加工技術(shù)的出現(xiàn)[5]，成為天然金剛石加工的新嘗試。雖然國外相關(guān)技術(shù)相對成熟[6]，已有商品化機(jī)床，但是國內(nèi)尚處于理論和工藝研究階段[7～9]，實(shí)質(zhì)性應(yīng)用鮮有報(bào)道,可見開展LMJ切割天然金剛石技術(shù)的研究十分必要。本課題研究用X射線衍射儀（XRD）對激光切割和水射流切割天然金剛石表面進(jìn)行物相分析，同時(shí)測試了兩種加工工藝的天然金剛石表面殘余應(yīng)力的情況。通過對比激光切割與水射流切割天然金剛石表面物相變化和殘余應(yīng)力變化做出機(jī)理分析為天然金剛石加工提供重要的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)價(jià)值。

1 LMJ切割方法及原理

LMJ的工作原理（如圖1所示）是通過高速水射流形成內(nèi)通的全反射激光束，既具有激光加工的內(nèi)在熱效應(yīng)，又具有水射流加工的冷卻、拋光效應(yīng)，因此對超硬材料的加工效率、加工精度和質(zhì)量都有很大提高。

圖1 LMJ加工原理示意圖[5]

LMJ切割過程中，首先將天然金剛石原石（八面體白色透明顆粒）通過粘膠固定到夾具座上，一端部分固定，預(yù)留出中間位置便于LMJ從中間的（110）晶面部位進(jìn)行切割，如圖2、圖3所示。當(dāng)LMJ水射流的初設(shè)速度、激光輸出功率等工藝參數(shù)調(diào)整后，就可以通過出射點(diǎn)相對于金剛石切割位置的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割，最終將一個(gè)八面體天然金剛石顆粒切割成兩個(gè)形狀、大小相似的三棱錐體。當(dāng)然也可根據(jù)制作工具體積大小和晶體結(jié)構(gòu)的需要，在避開顆粒內(nèi)部雜質(zhì)、缺陷的前提下，進(jìn)行任意路徑的選擇性切割，從而實(shí)現(xiàn)天然金剛石原石的毛坯取料。

圖2 LMJ切割天然金剛石工藝

圖3 八面體天然金剛石切割晶面及切割后樣品

2 檢測分析

在尼康TMZ745光學(xué)體式顯微鏡下觀察金剛石的切割面呈黑色，初步判斷為表面覆蓋了一薄層因加工所引起的反應(yīng)物質(zhì)，所以采用工業(yè)酒精對LMJ切割表面進(jìn)行清洗，清洗后繼續(xù)觀察。結(jié)果依然為黑色，但天然金剛石切割表面的切割紋理變得清晰可見。通過兩個(gè)對應(yīng)表面LMJ切割紋理的顯微觀察，可以更好地分析切割工藝的影響因素和相關(guān)規(guī)律。

圖4中左上部切割紋理還基本成豎直向下方向，表明LMJ的初始切割順利；但是左下部切割紋理普遍右傾（對應(yīng)圖5中的左下部稍微右傾），表明水射流在切割到金剛石材料較深厚度時(shí)受到一定阻力而使切割方向發(fā)生變化（紋理偏向與切割進(jìn)給方向相反），但并不影響切割效果。在切割面的中間位置處可以明顯觀察到斷層現(xiàn)象，深入分析表明這與切割樣品時(shí)切割工藝的采用有很大關(guān)系。隨著切割進(jìn)給的繼續(xù)，在金剛石顆粒切割面的中間位置處，LMJ切割阻力增大，影響水射流的持續(xù)深入并影響到了切割效果，于是將金剛石顆粒調(diào)轉(zhuǎn)180°反向繼續(xù)切割，最終在兩個(gè)方向切割的交接處形成切斷應(yīng)力進(jìn)而完成金剛石分離。為了避免因切割能量不足所采用的LMJ換向切割時(shí)的切割紋理變化和斷層現(xiàn)象，適當(dāng)增加LMJ激光的功率（由50W增加到100W）可保證金剛石顆粒沿切割表面的一次性順利分離。

圖4 金剛石切割后表面

圖5 金剛石切割表面（圖3）的對面

采用荷蘭帕納科Empyrean型X射線衍射測試儀對LMJ切割后的金剛石表面進(jìn)行物相分析。經(jīng)X光管發(fā)出X射線打在天然金剛石切割表面發(fā)生衍射現(xiàn)象其能量點(diǎn)數(shù)被探測器接收，獲得水射流切割金剛石表面的衍射圖譜。如圖6所示，LMJ切割天然金剛石表面物相分析中最強(qiáng)衍射峰（即第二個(gè)衍射峰，第一個(gè)衍射峰為Kβ不作分析）是天然金剛石的衍射峰，峰強(qiáng)較高說明主要成分是天然金剛石，之后的兩個(gè)小衍射峰是碳的衍射峰，說明在水射流切割天然金剛石時(shí)由于能量過高表面產(chǎn)生變化從天然金剛石到碳的同速異形體的轉(zhuǎn)變，顯微鏡觀察的較黑現(xiàn)象即是碳物質(zhì)存在的結(jié)果，但卻不是石墨。這也說明了LMJ切割過程中的冷卻效果。通過LMJ切割表面的多點(diǎn)殘余應(yīng)力檢測可知（晶格參數(shù)檢測結(jié)果如表1所示），切割表面為拉應(yīng)力10MPa，表明存在較小的殘余應(yīng)力。

圖6 水射流切割天然金剛石表面的物相分析

表1 水射流切割天然金剛石表面微觀晶面參數(shù)變化

在對同類金剛石顆粒進(jìn)行傳統(tǒng)激光切割表面的檢測結(jié)果分析可知，激光切割金剛石表面（（110）晶面）會(huì)呈現(xiàn)黃黑色，X射線檢測物相結(jié)果表明此物質(zhì)為石墨，分析可知是由于高能量激光加工所產(chǎn)生的高溫所致。而表面殘余拉應(yīng)力應(yīng)力檢測結(jié)果為142.89MPa，明顯高于LMJ的加工結(jié)果。這也說明LMJ對金剛石的切割技術(shù)相比于傳統(tǒng)的激光切割來說具有一定的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

1）LMJ切割能量的不足會(huì)對金剛石切割表面的質(zhì)量產(chǎn)生紋理、斷裂和斷層的影響。根據(jù)金剛石的切割工藝要求，可適當(dāng)增加LMJ激光的輸出功率來實(shí)現(xiàn)金剛石的高效和高質(zhì)量切割。

2）激光切割天然金剛石表面由于切割表面可達(dá)到很高的溫度使天然金剛石轉(zhuǎn)變成石墨，而LMJ切割天然金剛石表面只形成碳的同素異形體，薄薄的一層均勻覆蓋在金剛石表面。

3）激光切割和水射流切割天然金剛石表面都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并且都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但LMJ切割天然金剛石表面所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相對于激光切割表面的殘余應(yīng)力小很多，其對加工表面亞表面損傷層和表面質(zhì)量的影響關(guān)系仍需深入研究。

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Cutting and test analysis of natural diamond by laser micro jet

SHI Guang-feng, ZHU Ke-ke, ZHANG Yun-fei, SHI Guo-quan

TG71

：A

1009-0134(2017)06-0074-03

2017-04-23

吉林省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目（20150204059GX，No.20170101124JC）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405031，51575057）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，主要從事超精密加工技術(shù)相關(guān)方面研究。