王棟梁,易湘斌,張繼林

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用甘肅省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州工業(yè)學(xué)院 甘肅省精密加工技術(shù)及裝備工程研究中心,甘肅 蘭州 730050 )

0 引 言

刀具微織構(gòu)不僅能夠存儲(chǔ)潤(rùn)滑液,而且能儲(chǔ)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(rùn)滑的作用[1-2]?；旌闲涂棙?gòu)是一種集多種幾何形貌于一體的表面形態(tài)[3]。激光制備微織構(gòu)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(jīng)激光加工后,微織構(gòu)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(gòu)深度、直徑與微織構(gòu)質(zhì)量的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究[5-6]。目前對(duì)涂層刀具混合微織構(gòu)激光制備過(guò)程的詳細(xì)研究報(bào)道較少。

鑒于此,筆者在上述文獻(xiàn)成果的基礎(chǔ)上,深入研究涂層刀具圓孔與直槽混合微織構(gòu)激光制備工藝,以期為涂層刀具混合微織構(gòu)的激光制備提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中微織構(gòu)制備采用的是F50-50W型光纖式激光平臺(tái),如圖1所示。采用德國(guó)Smartzoom 5型超景深顯微鏡,用以觀察刀具微織構(gòu)的幾何特征,如圖2所示,激光相關(guān)參數(shù)如表1所列。

表1 激光器參數(shù)

圖1 光纖式激光平臺(tái)

采用美國(guó)InspectF50型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡系統(tǒng),用以觀察刀具微織構(gòu)的表面形貌,如圖3所示。

圖3 電子顯微鏡系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中使用的刀具型號(hào)為CNMA120404 RC8215。新刀具及織構(gòu)刀具的實(shí)物照片如圖4所示。刀具的物理性能和幾何參數(shù)如表2所列。

表2 刀具的物理性能和幾何參數(shù)

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

2 結(jié)果和討論

2.1 加工次數(shù)對(duì)混合微織構(gòu)形貌及尺寸的影響

實(shí)驗(yàn)中激光加工次數(shù)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(shù)對(duì)混合微織構(gòu)表面形貌的影響圖。由圖5可以看出,加工次數(shù)為4次時(shí),圓孔底部重鑄層不平整,直槽底部相對(duì)較平整。加工次數(shù)為6次和8次時(shí),圓孔和直槽的底部都比較平整。

圖6為加工次數(shù)與混合微織構(gòu)幾何尺寸的關(guān)系圖。預(yù)期制備混合織構(gòu)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(shù)的增加,微織構(gòu)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(dòng)較小,更符合預(yù)期值。

2.2 掃描速度對(duì)混合微織構(gòu)形貌及尺寸的影響

將掃描速度分別設(shè)計(jì)為10 mm/s、20 mm/s 、30 mm/s 和40 mm/s,激光加工次數(shù)為6次,激光功率、激光頻率和實(shí)驗(yàn)2.1相同。

圖7為掃描速度對(duì)混合微織構(gòu)表面形貌的影響圖。由圖7可知,兩種形狀的織構(gòu)底部和側(cè)邊總體比較規(guī)整,特別是圓孔的幾何形狀非常完整,兩種織構(gòu)邊緣均無(wú)堆積層。

隨著掃描速度的增加,兩種織構(gòu)的深度都在減小,結(jié)果如圖8所示。

圖8 掃描速度與微織構(gòu)幾何尺寸的關(guān)系

2.3 激光功率對(duì)混合微織構(gòu)形貌及尺寸的影響

設(shè)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(shù)與激光頻率同實(shí)驗(yàn)2.2。

圖9為激光功率對(duì)微織構(gòu)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(gòu)底部和側(cè)壁的重鑄層的厚度都在增加。當(dāng)激光功率為20 W時(shí)兩種織構(gòu)都出現(xiàn)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(lái)越明顯,織構(gòu)底部和側(cè)壁越來(lái)越不平整。

圖9 激光功率對(duì)微織構(gòu)表面形貌的影響

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

圖10 激光功率與微織構(gòu)幾何尺寸的關(guān)系

2.4 激光頻率對(duì)混合微織構(gòu)形貌及尺寸的影響

將激光的頻率分別設(shè)計(jì)為40、80、120和160 kHz,激光功率為20 W,其余參數(shù)同實(shí)驗(yàn)2.3。結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,當(dāng)激光頻率為40 kHz時(shí),兩種織構(gòu)都有凸尖,而且織構(gòu)的底部燒蝕區(qū)和側(cè)壁均不平整;激光頻率從80 kHz開始,兩種織構(gòu)的底部和側(cè)壁較平整,無(wú)裂紋、氣孔以及凸尖缺陷。

圖11 激光頻率對(duì)微織構(gòu)表面形貌的影響

激光頻率與微織構(gòu)幾何尺寸的關(guān)系如圖12所示。由圖12可知,隨著激光頻率的增加,兩種織構(gòu)的深度逐漸減小;兩種織構(gòu)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(gòu)幾何尺寸的關(guān)系

2.5 微織構(gòu)表面EDS結(jié)果分析

在微織構(gòu)槽的底端、上邊沿以及織構(gòu)以外正常刀具表面分別選取如圖13所示的3個(gè)點(diǎn),對(duì)相應(yīng)點(diǎn)處的表面成分進(jìn)行分析,結(jié)果如圖14所示。由圖14可知,在織構(gòu)底部點(diǎn)1處和織構(gòu)上邊沿點(diǎn)2處W元素含量遠(yuǎn)高于其他元素含量;而在織構(gòu)以外正常刀具表面的點(diǎn)3處未發(fā)現(xiàn)W元素和Co元素,說(shuō)明涂層表面并未受到激光燒蝕的影響,保存完好。點(diǎn)1處和點(diǎn)2處織構(gòu)表面形貌以氧化物為主;點(diǎn)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(gòu)表面的能譜分析測(cè)試點(diǎn)

圖14 微織構(gòu)表面主要要素的質(zhì)量百分比

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)混合織構(gòu)表面形貌分析結(jié)果得到:激光功率小于5 W,不會(huì)在涂層刀具上制備出表面微織構(gòu);激光功率大于20 W時(shí),涂層刀具織構(gòu)的底部和側(cè)壁會(huì)變得不平整,甚至?xí)霈F(xiàn)氣孔、裂紋和凸尖等缺陷;因此,對(duì)于涂層刀具的表面微織構(gòu),合理的激光參數(shù)應(yīng)為:加工次數(shù)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(jù)混合織構(gòu)幾何尺寸分析結(jié)果得到:在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同的條件下,直槽織構(gòu)的深度大約是圓孔織構(gòu)深度的1.5～2倍;激光頻率對(duì)涂層刀具織構(gòu)寬度的影響最大。

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