陳俊云 李召陽 王海東

(燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，河北秦皇島066004)

單晶金剛石(SCD，single crystal diamond)因具有較高的硬度、優(yōu)異的抗磨損性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是超精密切削領(lǐng)域的理想刀具材料[1]。但是各向異性、高溫穩(wěn)定性差和易解理等特征使SCD刀具無法滿足光學(xué)玻璃、陶瓷、碳化鎢等硬脆材料切削加工的要求[2]。為了解決SCD刀具在硬脆材料超精密加工領(lǐng)域存在的問題，日本學(xué)者曾在2003年研制出納米多晶金剛石塊材，它具有各向同性、無解理特征且略高于SCD的最高硬度[3]。研究表明，納米多晶金剛石刀具在硫化鋅和碳化鎢模具切削中表現(xiàn)出比SCD刀具更高的抗磨損性能，但是刀具磨損仍然嚴(yán)重，切削精度達(dá)不到納米級(jí)。

2014年，超硬納米孿晶金剛石塊材(ntD，nanotwinned diamond)在燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制成功[4-5]。ntD為致密的多晶結(jié)構(gòu)，每個(gè)納米晶粒內(nèi)部具有平均厚度約5 nm的孿晶組織，其維氏硬度達(dá)到了200 GPa，ntD材料的硬度是SCD硬度的兩倍。ntD材料具有各向同性、無解理特征、韌性好等優(yōu)勢。高溫穩(wěn)定性是衡量刀具材料抗磨損性能的關(guān)鍵指標(biāo)。ntD在空氣中的起始氧化溫度約1 000℃，比SCD高200℃[6]。因此，ntD有望成為在硬脆材料的超精密加工領(lǐng)域的理想刀具材料。然而超高的硬度和高溫穩(wěn)定性為ntD材料的應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。前期研究表明將ntD材料研磨至鏡面的周期約為SCD的15～20倍，加工效率太低[7]。為了滿足超精密切削刀具制造需求，目前急需探索一種針對(duì)ntD材料的高效率成形加工技術(shù)。

超短脈沖激光能夠高效率、無損傷地創(chuàng)成復(fù)雜幾何形狀，近年來在超硬刀具制造領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和深入研究[8]。飛秒激光加工以多光子電離和碰撞電離的形式去除材料，無熱損傷，加工精度相對(duì)較高[9-10]。因此，本文擬采用飛秒激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)ntD材料的成形加工，通過實(shí)驗(yàn)研究ntD材料與飛秒激光束的相互作用過程、激光加工輪廓的仿真預(yù)測、高效率成形加工工藝等內(nèi)容，從而解決ntD材料刀具制造中的高效率成形問題。

1 飛秒激光加工ntD的實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與樣品

本文中飛秒激光微加工系統(tǒng)由飛秒激光器、光路系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、三維工作臺(tái)等組成。飛秒激光器為美國Coherent公司的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，激光模式是TEM11厄米-高斯光束。輸出激光中心波長為800 nm，脈沖寬度為33 fs，重復(fù)頻率為1 kHz，最大脈沖能量7 mJ。實(shí)驗(yàn)樣品為直徑2 mm的ntD塊材，激光加工之前表面研磨至表面粗糙度Ra＜20 nm。

1.2 建立等效脈沖模型

飛秒激光對(duì)材料的燒蝕閾值與激光光斑有效輻射半徑內(nèi)的脈沖數(shù)有關(guān)，而光斑內(nèi)脈沖數(shù)可用等效脈沖數(shù)來描述[11]。在直線掃描路徑上，相鄰激光脈沖光斑之間的距離由掃描速度和脈沖的重復(fù)頻率確定，相鄰脈沖間距x0由式(1)表示:

式中:v為直線掃描速度。由于激光分布并非理想的圓形，所以燒蝕區(qū)域呈橢圓形，為簡化計(jì)算，將燒蝕區(qū)域簡化為圓形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明燒蝕半徑ω＝25μm。脈沖激光直線掃描模型如圖1所示，以原點(diǎn)(0，0)為起始點(diǎn)，沿著x軸正半軸分布NL個(gè)點(diǎn)，y軸正半軸同樣分布NL個(gè)點(diǎn)。光斑重復(fù)率φ由式(2)表示:

假設(shè)在路徑上的任一圓形區(qū)域內(nèi)的等效脈沖數(shù)為Neq，所掃描的直線路徑中激光光斑總個(gè)數(shù)為2 NL，首尾兩點(diǎn)之間的距離為XNL＝x0.2 NL。激光掃描過的直線上局部光斑密度和整體光斑密度一致，可由公式(3)表述:

結(jié)合式(1)，等效脈沖數(shù)Neq滿足公式(4):

1.3 激光加工實(shí)驗(yàn)中的能流密度分析

由于飛秒激光對(duì)材料的燒蝕閾值是關(guān)于脈沖數(shù)的函數(shù)，等效脈沖數(shù)公式可用于計(jì)算激光直線掃描時(shí)對(duì)材料的燒蝕閾值。在本實(shí)驗(yàn)常用的激光功率范圍內(nèi)，燒蝕半徑可近似為一定值；實(shí)驗(yàn)中的激光重復(fù)頻率也是定值，根據(jù)式(4)，等效脈沖數(shù)僅與激光掃描速度呈反比關(guān)系。飛秒脈沖激光直線掃描ntD時(shí)產(chǎn)生燒蝕的閾值能流密度φth(N)如公式(5)所示:

本實(shí)驗(yàn)中飛秒激光的實(shí)際能流密度φ由式(6)表示:

上述式中:P為激光功率；f為激光重復(fù)頻率；N為等效脈沖數(shù)；S為累積系數(shù)；ω0為激光束腰半徑；ω為光斑半徑。飛秒激光直線加工實(shí)驗(yàn)中，激光功率能夠影響激光照射到材料表面的能流密度，而掃描速度可以改變閾值能流密度的大小。如果閾值能流密度大于實(shí)際能流密度，則材料不會(huì)產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，因此通過改變激光功率和掃描速度兩個(gè)重要參數(shù)，可以控制材料的燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生并且改變材料的去除速率。實(shí)驗(yàn)中所用掃描速度和功率下對(duì)應(yīng)的實(shí)際能流密度與燒蝕閾值曲線如圖2所示。

可以看出，激光加工的實(shí)際能流密度與掃描速度無關(guān)，與激光功率呈正比；飛秒激光對(duì)ntD材料產(chǎn)生燒蝕的閾值能流密度與激光功率無關(guān)，與掃描速度呈正相關(guān)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)選用的工藝參數(shù)與有限元仿真參數(shù)相同。從圖2可以看出，最小的實(shí)際能流密度均大于閾值能流密度的最大值。根據(jù)本文建立的等效脈沖模型以及閾值能流密度、實(shí)際能流密度的計(jì)算公式，可以從理論上計(jì)算實(shí)際與閾值能流密度之間的差值，進(jìn)而估算激光加工的材料去除效率。

1.4 直線微槽加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

飛秒脈沖激光直線掃描加工后，用掃描電子顯微鏡檢測微槽形貌，如圖3所示。

在相同的激光入射功率下，隨著掃描速度的增加微槽的深度逐漸減小，寬度變化不大，深寬比逐漸減小，形貌特征越來越不明顯，因此等效脈沖數(shù)是影響材料燒蝕的主要因素。當(dāng)使用0.01 mm/s的掃描速度時(shí)，激光對(duì)材料的燒蝕現(xiàn)象最明顯，微槽邊緣重鑄現(xiàn)象嚴(yán)重，重鑄顆粒直徑約5μm，加工質(zhì)量最差 ，但是加工效率最高，微槽深寬比最大。掃描速度0.1 mm/s時(shí)，槽內(nèi)粗糙度值較大，微槽邊緣無明顯重鑄現(xiàn)象，但邊緣不平整質(zhì)量稍差，出現(xiàn)明顯的波浪狀結(jié)構(gòu)。掃描速度1 mm/s時(shí)，加工質(zhì)量最好，燒蝕區(qū)域與樣本未加工區(qū)域形貌基本相同，兩區(qū)域無明顯界限，粗糙度無明顯差異，微槽深寬比最小，材料去除量小，加工效率最低。

掃描速度為0.05 mm/s，不同激光功率下加工微槽形貌如圖4所示。由圖可知，隨著激光功率的增加，激光掃描寬度基本不變，微槽的寬度、深度均增加，深寬比增大。在此速度下，激光功率在10 mW至50 mW變化時(shí)，微槽邊緣都沒有明顯的重鑄現(xiàn)象，掃描質(zhì)量都比較理想，其中激光功率為50 mW時(shí)，材料去除率最高。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用激光共聚焦顯微鏡(Olympus，S-3000)對(duì)微槽深度和寬度進(jìn)行測量。通過對(duì)不同激光功率和掃描速度下槽的寬度和深度數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在激光加工微槽中，微槽深度、寬度的變化隨掃描速度的變化更加明顯，其中微槽深度隨掃描速度變化更加顯著。通過對(duì)激光直線微槽加工實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析可知，與激光功率相比，掃描速度為主要影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

通過圖中曲線對(duì)比，掃描速度為0.01 mm/s、0.05 mm/s、0.1 mm/s時(shí)，微槽寬度、深度受掃描速度影響較大，特別是當(dāng)激光功率大于40 mW時(shí)微槽深度受激光功率影響較大，槽深隨功率的增加而快速增大，如圖5a、b所示；此外，當(dāng)掃描速度為0.5 mm/s時(shí)，微槽寬度受激光功率影響較大，深度所受影響較小，如圖6a、b所示；最后，當(dāng)掃描速度為1 mm/s時(shí)，微槽很淺，寬度受激光功率影響較小，且深度基本不受激光功率影響。

3 ntD刀具的飛秒激光輪廓加工

根據(jù)ntD材料的機(jī)械物理性能，面向硬脆材料的超精密切削刀具為其主要應(yīng)用領(lǐng)域。為了驗(yàn)證飛秒激光加工在ntD刀具高效率輪廓成形中的有效性，本文將ntD塊材用飛秒激光加工成刀尖圓弧半徑650 μm，前角為0°，后角為7°的圓弧刃切削刀具。根據(jù)激光加工的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，選取0.05 mm/s的掃描速度和50 mW的激光功率對(duì)后刀面進(jìn)行切割。前刀面對(duì)粗糙度要求高于后刀面，因此采用1 mm/s的切削速度和10 mW的激光功率，蛇形掃描加工前刀面，如圖7所示。

飛秒激光加工后的ntD微刀具全貌如圖8所示，前后刀面及刃口形貌如圖9所示，整個(gè)加工過程僅用16 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械研磨的效率。采用激光共聚焦顯微鏡(LSCM)測量刀面的表面粗糙度和刃口鈍圓半徑，對(duì)20個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行測量，平均粗糙度Ra＝0.23 μm。切削刃鈍圓的半徑值為1.9μm。綜上，本文利用光斑束腰半徑為5.8μm的飛秒激光制備出了平均切削刃鈍圓半徑為1.9μm的ntD微切削刀具，且刃口形貌比較規(guī)則，切削刃鈍圓區(qū)域平滑完整，能夠滿足ntD刀具高效率輪廓加工的要求。

4 結(jié)語

針對(duì)維氏硬度遠(yuǎn)高于單晶金剛石硬度的新型納米孿晶金剛石(ntD)材料，本文研究ntD材料在飛秒激光束下的蝕除過程、激光加工輪廓、高效率成形加工工藝等內(nèi)容，得出了如下結(jié)論:

(1)根據(jù)直線微槽加工特點(diǎn)，本文建立了等效脈沖數(shù)模型，可以從理論上計(jì)算不同工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的閾值能流密度和實(shí)際能流密度，通過比較實(shí)際與閾值能流密度之間的差值估算激光加工的材料去除效率。

(2)微槽深度和寬度均會(huì)隨著激光功率的增大、掃描速度的降低而增大；在相同掃描速度條件下激光功率對(duì)槽的寬度影響較小，并且深度基本不受激光功率影響；掃描速度為微槽表面質(zhì)量和表面輪廓的主要影響因素。

(3)ntD刀具的輪廓加工結(jié)果，驗(yàn)證了飛秒激光在ntD塊材的高效率成形加工中的可行性和有效性，但是針對(duì)ntD刀具的飛秒激光掃描策略及工藝參數(shù)仍需進(jìn)一步研究。

.知識(shí)窗.

全熔透焊接(full penetration weld)整個(gè)接頭斷面上，從表面到背面焊縫金屬熔為體的焊縫設(shè)計(jì)稱之。為此，當(dāng)單面或雙面焊接時(shí)不能保證透熔時(shí)，則必須借助各種坡口型式來得到保證。

全啟式安全閥(full opening type safetyvalve)指開啟高度等于或大于閥座喉徑的1/4的閥門。做成急開式(閥瓣在開啟的某瞬間突然跳起，達(dá)到全開高度)，主要用于氣體或蒸汽介質(zhì)的場合。

全面生產(chǎn)維修(total productive maintenance)以使總的設(shè)備效率達(dá)到最高水平為目標(biāo)，樹立以設(shè)備一生為對(duì)象的生產(chǎn)維修的全面體制。它是全員參加一不僅設(shè)備的計(jì)劃部門、使用部門、維修部門等所有部門，而且上自企業(yè)最高領(lǐng)導(dǎo)下至第一線作業(yè)人員悉數(shù)全面參加，并通過小組自主的活動(dòng)來推行的生產(chǎn)維修。

全盤自動(dòng)化系統(tǒng)(fully-automatic system；un-manned system)從顧客的訂貨分析到產(chǎn)品發(fā)送出廠，整個(gè)工廠的全部生產(chǎn)活動(dòng)包括設(shè)計(jì)管理，加工裝配、檢測、物料搬運(yùn)以及存庫等各項(xiàng)工作，都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，由相應(yīng)的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)及機(jī)器執(zhí)行。這種生產(chǎn)系統(tǒng)稱為全盤自動(dòng)化系統(tǒng)。又稱無人化工廠。

自動(dòng)焊機(jī)頭(automatie welding head)簡稱機(jī)頭，是指自動(dòng)電弧焊機(jī)的操作組件中，將焊絲從焊絲盤中引出、直到熔化端的各種機(jī)構(gòu)的組合總稱。通常包括送絲、矯直、位置與角度的調(diào)整、導(dǎo)電、輸送焊劑或保護(hù)氣體，冷卻等機(jī)構(gòu)。