劉文超 郭 兵 趙清亮

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱150001）

CVD金剛石涂層磨削工具是一種利用化學(xué)氣相沉積在碳化硅或碳化鎢基體上獲得多晶金剛石涂層，并利用涂層表面的金剛石晶粒尖峰來(lái)實(shí)現(xiàn)磨削加工的新型磨削工具[1-2]。與傳統(tǒng)磨削工具相比，CVD金剛石涂層磨削工具不含結(jié)合劑，表面具有極高的“磨?！泵芏群涂煽氐摹澳チ！背叽纾?.5～10μm），具有卓越的耐磨性[3-4]。但其容屑空間小，排屑困難，容易堵塞，從而限制了 CVD金剛石涂層磨削工具的實(shí)際應(yīng)用[5]。微結(jié)構(gòu)表面可以有效解決上述問(wèn)題，通過(guò)在 CVD金剛石涂層磨削工具表面制造微米級(jí)的結(jié)構(gòu)陣列能夠在保證其磨削質(zhì)量和耐磨性的前提下，增加其容屑空間并有效降低其磨削力，從而改善其磨削性能[6]。

受 CVD金剛石超硬材料屬性和微結(jié)構(gòu)表面尺寸的限制，激光加工是面向 CVD金剛石涂層磨削工具目前唯一行之有效的加工技術(shù)。激光加工是通過(guò)熱效應(yīng)以及其他作用使材料熔化、汽化，從而實(shí)現(xiàn)材料去除的。在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生熱量使材料汽化并迅速冷卻，往往會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題[7-8]。CVD金剛石涂層加工區(qū)域受到熱效應(yīng)作用會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，熱應(yīng)力集中分布產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致局部涂層發(fā)生脫落。同時(shí)在激光燒蝕過(guò)程中熔化、汽化的基體材料，氧化后又會(huì)重新固結(jié)在燒蝕結(jié)構(gòu)內(nèi)部及周邊，形成后期難以去除的重鑄層[9-10]。這些不規(guī)則生長(zhǎng)的重鑄層降低了激光加工的精度，使得加工的微結(jié)構(gòu)粗糙，從而影響 CVD金剛石涂層磨削工具的使用性能；另外還會(huì)對(duì)后續(xù)激光脈沖起到散射阻擋的作用，使得激光燒蝕效率有所降低[11-12]。為解決上述問(wèn)題，相關(guān)研究學(xué)者提出水輔助激光加工技術(shù)，將射流水膜復(fù)合到現(xiàn)有的激光加工技術(shù)當(dāng)中，在射流水膜的沖刷冷卻下完成材料的燒蝕去除[13-18]。但國(guó)內(nèi)外對(duì)于 CVD金剛石涂層材料的水膜輔助脈沖激光加工研究還未見報(bào)道。

本研究將使用噴霧射流水膜輔助激光加工技術(shù)，利用噴霧射流在CVD金剛石涂層材料表面形成一層薄而快速流動(dòng)的水膜，在水膜輔助下進(jìn)行材料的激光燒蝕去除。利用流動(dòng)水膜的冷卻沖刷作用遏制激光加工的熱效應(yīng)，從而提高激光加工的質(zhì)量以及效率。

1 水膜輔助脈沖激光加工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究使用的是碳化鎢基體 CVD金剛石涂層樣片，直徑為10mm，高度為3mm，涂層厚度為10μm。如圖1所示為SEM成像的CVD金剛石涂層表面形貌，微切削刃明顯，晶粒大小為1～3 μm，金剛石高度較小，磨削時(shí)容屑空間較小，所以需要在其表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)陣列加工，用于改善后續(xù)磨削加工性能。

圖1 CVD金剛石涂層形貌SEM圖

1.2 激光加工實(shí)驗(yàn)裝置

本研究采用皮秒脈沖激光器為法國(guó)Teemphotinics公司的 HNG-50F-100型號(hào)，激光器的平均輸出功率3W，重復(fù)頻率56 kHz，單脈沖能量為 53.8 μJ，激光波長(zhǎng) 532 nm，激光脈寬 652.1 ps。激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直等修形調(diào)整后，為基模高斯分布，即高斯光束TEM00。光路末端聚焦透鏡的焦距約15 cm，激光焦點(diǎn)直徑約30 μm。如圖2所示即為水膜輔助激光加工系統(tǒng)的裝置圖。

圖2 水膜輔助激光加工系統(tǒng)裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文進(jìn)行材料表面溝槽燒蝕實(shí)驗(yàn)，研究采用水膜輔助后激光加工的特點(diǎn)。溝槽的形貌與尺寸受到激光是否采用水膜輔助、水膜輔助下激光的功率、掃描速度等因素的影響。

使用水膜輔助激光在 CVD金剛石涂層材料表面燒蝕溝槽，分別單獨(dú)改變激光燒蝕的功率與掃描速度，研究功率變化以及掃描速度變化對(duì)激光燒蝕溝槽數(shù)量特征的影響。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 激光功率對(duì)加工結(jié)果的影響

表2 掃描速度對(duì)加工結(jié)果的影響

1.4 結(jié)果檢測(cè)

利用900倍CCD獲得水膜輔助激光燒蝕溝槽正面與截面的清晰圖像，根據(jù)比例尺以及輔助軟件即可測(cè)量獲得溝槽寬度與深度。利用 MATLAB處理得到激光燒蝕溝槽寬深度隨激光功率以及掃描速度的變化規(guī)律，與激光加工理論模型求解結(jié)果比對(duì)，得出結(jié)論。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 水膜輔助脈沖激光加工理論分析

激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直等修形調(diào)整后，為基模高斯分布，并且激光束為脈沖激光，則該激光束在焦點(diǎn)附近的能量密度分布可以用推導(dǎo)公式來(lái)描述：

公式(1)描述的是中心點(diǎn)處的能量密度I0通過(guò)功率計(jì)測(cè)得的平均功率p、脈沖激光的重復(fù)頻率f與激光的焦點(diǎn)半徑ω0來(lái)獲得；公式（2）為瑞利長(zhǎng)度zR的表達(dá)式，公式（3）描述激光束截面半徑ω(z)隨z向（激光束傳播方向）變化規(guī)律，隨z向距離變化而逐漸增大，并與瑞利長(zhǎng)度有關(guān)；公式（4）描述的是激光束在焦點(diǎn)附近的單脈沖能量密度分布I(r,z)。

在完成激光光斑能量密度分布的定量表達(dá)之后，溝槽材料的去除是通過(guò)比較材料燒蝕閾值與激光能量密度的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即能量密度大于等于材料燒蝕閾值的部分材料去除。上述模擬過(guò)程可以通過(guò)公式（5）來(lái)描述[19-20]：

其中，h為燒蝕溝槽深度，N為脈沖激光的等效脈沖數(shù)，I表示激光作用在該點(diǎn)的能量密度，Ith代表相對(duì)于激光波長(zhǎng)的材料的燒蝕閾值，k表示與材料表面與激光作用相關(guān)的系數(shù)。

通過(guò)公式可以直接獲得水膜輔助激光燒蝕溝槽的深度，而深度為零處坐標(biāo)的差值，即為直徑方向上能量密度與材料燒蝕閾值相等的坐標(biāo)的差值，可以作為溝槽燒蝕的寬度。

2.2 激光功率對(duì)加工結(jié)果的影響

圖3(b)與圖3(c)是采用相同激光參數(shù)分別采用水膜輔助激光以及單純激光加工出的溝槽，圖3(d)、(e)、(f)分別為圖3(a)、(b)、(c)溝槽對(duì)應(yīng)的截面圖。單純激光燒蝕所獲得的溝槽如圖3(c)所示，可以明顯在溝槽周圍發(fā)現(xiàn)重鑄物質(zhì)，并且燒蝕溝槽的深度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水膜輔助激光燒蝕獲得的溝槽，如圖3(e)、(f)所示。保持其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，單獨(dú)改變激光的燒蝕功率，利用水膜輔助激光燒蝕CVD金剛石涂層材料，獲得的表面以及截面的溝槽形貌如圖3(a)、圖3(b)所示。從加工形貌圖中可以看出在水膜輔助條件下激光加工表面的沒(méi)有觀察到重鑄物質(zhì)，溝槽干凈清晰。在獲得的形貌圖中測(cè)量燒蝕溝槽的寬度與深度，并繪制溝槽寬度與深度隨激光功率的變化規(guī)律曲線，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)燒蝕溝槽的寬度與深度均隨激光功率的增加而增大，并且燒蝕溝槽的寬度在 20～40 μm 之間，深度在30～140 μm之間。并且燒蝕溝槽寬度與深度隨激光功率變化的規(guī)律與純激光加工的理論計(jì)算結(jié)果相同。這說(shuō)明水膜輔助去除重鑄層后，重鑄層對(duì)激光燒蝕的阻礙作用消失，激光燒蝕的效率恢復(fù)到了理論公式預(yù)測(cè)的數(shù)值。

圖3 不同功率水膜輔助激光燒蝕溝槽形貌圖

圖4 功率單因素溝槽寬度與深度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比圖

2.3 掃描速度對(duì)加工結(jié)果的影響

同樣，將激光燒蝕的功率分別設(shè)定為低功率值400mW以及高功率值1400mW，在這兩種情況下，改變激光加工溝槽的掃描速度，利用水膜輔助激光燒蝕 CVD金剛石涂層材料，獲得的表面以及截面的溝槽形貌如圖5所示?？梢杂^察到無(wú)論高功率還是低功率，同功率組內(nèi)溝槽寬度相差不大，CCD圖逐漸“變淺”，表示溝槽深度逐漸變淺；不同功率組之間溝槽寬度不同。并且同樣在溝槽兩側(cè)邊緣較為干凈，沒(méi)有觀察到重鑄現(xiàn)象。

圖5 掃描速度單因素?zé)g溝槽CCD圖

對(duì)兩組不同功率的變掃描速度激光燒蝕溝槽寬度值整理，獲得燒蝕溝槽寬度隨掃描速度變化曲線，如圖6所示。發(fā)現(xiàn)溝槽寬度基本不受掃描速度變化的影響。根據(jù)激光加工的能量分布理論，掃描速度只改變激光作用的等效脈沖數(shù)，而對(duì)激光的能量密度分布幾乎無(wú)影響，所以燒蝕溝槽的寬度值基本保持不變。

圖6 高低功率掃描速度對(duì)燒蝕溝槽寬度影響曲線圖(紅線激光參數(shù)為低功率 400mW,藍(lán)線激光參數(shù)為高功率1400mW)

而對(duì)于燒蝕溝槽的深度，所得截面如圖7所示，整理數(shù)據(jù)得溝槽深度隨掃描速度變化的變化曲線。由截面圖可以看出，溝槽開口寬度基本相等，而深度卻隨掃描速度的增加而明顯變淺；掃描速度較大時(shí)，燒蝕溝槽的“倒錐狀”更加明顯；掃描速度較小時(shí)，溝槽底部存在的裂紋延伸更明顯。

圖7 低功率變掃描速度水膜輔助激光燒蝕溝槽截面圖

利用截面法獲得燒蝕溝槽深度數(shù)據(jù)，整理后得到高功率（1400mW）以及低功率（400mW）溝槽深度隨掃描速度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律曲線；求解水膜輔助激光燒蝕模型可得到同等水膜輔助激光參數(shù)下的溝槽深度計(jì)算規(guī)律曲線。如圖8所示，兩種功率條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線與計(jì)算曲線基本吻合：燒蝕溝槽的深度隨掃描速度的增加逐漸變小，并且減小趨勢(shì)漸緩。

圖8 不同功率變掃描速度水膜輔助激光燒蝕溝槽深度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比圖

2.4 激光燒蝕溝槽截面形貌分析

水膜輔助激光燒蝕的功率實(shí)驗(yàn)與掃描速度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都與建立的激光加工的理論計(jì)算結(jié)果一致，這表明水膜輔助確實(shí)能在抑制重鑄現(xiàn)象后使激光燒蝕效率得到了恢復(fù)，但卻沒(méi)有找到明顯的證據(jù)表明，水膜輔助可以額外提升激光的燒蝕效率，即溝槽特征的實(shí)驗(yàn)值沒(méi)有大于理論值。同時(shí)二者相互吻合也進(jìn)一步證明了水膜輔助激光燒蝕溝槽模型的準(zhǔn)確性，即可以在一定程度上利用該模型預(yù)測(cè)水膜輔助激光燒蝕溝槽的數(shù)量特征，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)水膜輔助激光定量燒蝕微結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備了條件。

另外，在驗(yàn)證水膜輔助激光燒蝕溝槽模型準(zhǔn)確性后，可以利用該模型模擬燒蝕溝槽的截面形狀，并且可以與實(shí)際截面法獲得的截面進(jìn)行比對(duì)，如圖9所示。無(wú)論是溝槽的深度還是溝槽的截面，計(jì)算仿真出的截面都與燒蝕實(shí)驗(yàn)后測(cè)得的截面高度相似。理論上水膜輔助激光燒蝕獲得的截面應(yīng)該是成高斯分布，如圖9(c)，但由于實(shí)際燒蝕材料去除形成的槽壁不會(huì)那么光滑，在掃描速度比較低、溝槽深度比較大時(shí)，就近似形成了倒錐狀的截面。

圖9 水膜輔助激光燒蝕溝槽截面對(duì)比圖(P=1W,v=0.15mm/s)

3 結(jié)語(yǔ)

采用水膜輔助方法之后，激光加工熱效應(yīng)所帶來(lái)的重鑄問(wèn)題得到了很好的解決；通過(guò)對(duì)水膜輔助激光燒蝕溝槽的一系列單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以明確，水膜輔助激光燒蝕溝槽的數(shù)量特征與同等參數(shù)單純激光理論計(jì)算的結(jié)果吻合性較好，這說(shuō)明水膜輔助去除重鑄層后，不再存在重鑄物質(zhì)阻擋后續(xù)的加工激光，使得激光燒蝕的效率得到提高。水膜輔助的形式既能有效去除單純激光加工引入的重鑄物質(zhì)，又可以提高激光的燒蝕效率，并且使得激光加工的結(jié)構(gòu)數(shù)量特征可計(jì)算可預(yù)測(cè)，為激光的定量潔凈加工提供一定的借鑒意義，這也說(shuō)明水輔助激光加工技術(shù)確實(shí)是值得深入研究的。