超快激光加工PCD刀具金刚石表面微织构及刀具切削性能研究

超快激光加工PCD刀具金刚石表面微织构及刀具切削性能研究摘要钛合金具有优异的机械及力学性能，被广泛用于航空航天等工业领域。但钛合金的低塑性、加工温度高、加工硬化严重给高速高效加工带来了很大困难。PCD刀具具有硬度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得高加工精度和效率，可用来加工钛合金。目前对钛合金的高速高效加工大多集中在硬质合金刀具及普通PCD刀具上，对微织构PCD刀具研究较少。本文基于PCD刀具加工性能及刀具微织构作用，采用超快激光在PCD刀具表面加工出不同的微织构，并用微织构PCD刀具与普通PCD刀具在不同加工条件下分别对钛合金进行切削实验，对比切削性能，论文主要结论如下：关键词：聚晶金刚石刀具；表面微织构；切削性能

目录1绪论 11.1研究背景 错误!未定义书签。1.2PCD刀具加工特点 错误!未定义书签。1.3刀具微织构制造及应用 31.3.1刀具微织构特点 41.3.2超快激光加工微织构 51.4钛合金性能及切削加工 61.4.1钛合金性能及应用 71.4.2钛合金切削加工研究 81.5本课题研究内容 错误!未定义书签。2、实验设计与研究方法2.1PCD刀具加工实验 2.1.1激光加工PCD刀具表面微织构实验材料 2.1.2机床 2.1.3检测方法 2.1.4实验方案 2.2PCD微织构刀具切削钛合金实验 2.2.1钛合金材料和切削刀具 2.2.3冷风及微量润滑设备 2.2.2机床 2.2.3冷风及微量润滑设备 2.2.4检测方法 3总结 错误!未定义书签。4参考文献 错误!未定义书签。1绪论1.1绪论研究背景钛合金具有优异的机械及力学性能，被广泛用于航空航天等工业领域。但钛合金是一种难加工材料，钛合金塑性小，变形系数小，切削时接触区压力和局部温度高，刀具磨损快；同时钛合金加工时会产生严重的加工硬化【1】。PCD刀具具有硬度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得高加工精度和效率【2】；PCD刀具优异的物理及化学性能使其在钛合金的高速高效加工中有很大的优势。但普通PCD刀具加工钛合金依然存在较为严重的表面磨损情况，制约了钛合金加工质量及刀具寿命。表面微织构，即在摩擦表面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽阵列【3】。表面微织构一般是同尺寸均匀分布的整列，当前研究的微织构主要有：凹坑、凹槽、凸包、鳞片等。现有研究表明合适形状的微织构可以降低刀具表面的粘附性，减少刀具磨损。超快激光加工可以满足表面微织构的尺寸小、结构精密等特点，适合加工刀具表面微织构。微织构PCD刀具加工钛合金目前研究较少，微织构的形貌设计及加工质量、加工参数和辅助润滑方式都会影响加工其加工效果，因此有必要进行研究。PCD刀具加工特点聚晶金刚石简称PCD,是由晶粒微米尺寸的人造金刚石微粉与少量黏结剂在高温（1400℃）高压（6GPa6000MPa）条件下烧结而成的一种超硬材料，其硬度高达10000HV左右，是目前世界上人造物质中最硬的材料；PCD具有接近天然金刚石的硬度、高耐磨性以及良好的热导率,化学性能稳定,在精密切削等领域应用十分广泛【4】，聚晶金刚石与硬质合金性能对比参数见表1。随着刀具制造技术的进步，PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。加工范围也从传统的铝、钛合金等金属材料的切削扩展到了石材、木材、石墨、塑料、工程陶瓷、工业玻璃、金属基复合材料等【5】。表1聚晶金刚石刀具与硬质合金刀具性能参数对比表硬度导热系数摩擦系数热膨胀系数聚晶金刚石刀具8000HV700~1000W/mK0.1~0.30.9*106~1.18*106硬质合金刀具700~1000HV100~400W/mK0.4~14.5*106~6*106刀具微织构制造及应用刀具微织构特点表面微织构，即在摩擦表面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽阵列【3】，表面微织构一般是同尺寸均匀分布的整列，当前研究的微织构主要有：凹坑、凹槽、凸包、鳞片等，如图1所示。切削刀具的快速磨损是难加工材料高速切削加工的关键问题之一。研究发现，刀具表面纹理对降低摩擦力，减少刀具与工件之间的材料的粘附【6】，提高接触表面之间的有效润滑，减小切削温度【7】等有很大影响。图1四种基本表面微织构形貌近年来，国内外开展了大量表面微结构的制备研究，为高速切削加工中的刀工减摩的研究提供了新的研究思路和理论依据。Lei【8】等人在硬质合金刀具上加工出微坑织构，实验表明微坑润滑比普通润滑平均切削力减少了１０％～３０％。邓建新等人【9-10】从2009年开始对刀具微织构进行了长期深入的研究，将微织构与自润滑技术相结合，设计出各种结构的微池自润滑切削刀具，微织构自润滑刀具就是在微织构中填充固体润滑剂，如图6所示，在切削过程中，会在刀具表面形成润滑膜，从而显著降低切削力，减少前刀面磨损，延长了刀具寿命。苏永生【11】等人研究高速切削钛合金过程中表面织构对PCD刀具切削性能的影响，并对比了在干切、常规润滑和低温辅助润滑条件下的切削力，、摩擦系数、切削粘结的变化，结果表明，织构化PCD刀具在低速下的干切削性能明显优于常规刀具，且优于低温润滑条件时的减摩效果。但本论文只研究了单一槽行织构的影响，实验因素单一不够全面。超快激光加工微织构表面微织构的形状尺寸较小且加工在刀具前刀面上需要精确的定位及高的加工质量要求，目前制造微织构的方法主要包括激光加工，离子刻蚀，光刻技术，电火花加工，其中，激光加工有其独特的优势：无需润滑、无刀具磨损以及灵活的全方位加工能力【12】。而超快激光在相比长脉冲激光具有更高的加工效率，热影响小且加工精度更高，更适合加工刀具表面微织构上。【13】利用飞秒激光在刀具表面进行了微织构的加工，显著的提高了刀具的润滑、抗磨损、抗粘附能力。基于目前研究现状，不同形貌微织构PCD刀具加工钛合金的切削性能研究不足且微织构形貌设计缺乏理论支撑，因此有必要系统展开PCD刀具微织构的设计及超快激光加工研究。钛合金性能及切削加工钛合金性能及应用钛合金是一种轻质材料，主要性能钛合金密度相对较小约是铁铜的1/2、钛合金强度高,屈服强度可达到1000MP、钛合金低温性能好，在低温和超低温下仍能保持本身的力学特性，有部分钛合金在低温条件下强度更高、钛合金具有较强的抗腐蚀能力，对点蚀、应力腐蚀、酸蚀的抵抗力很强对碱和氯化物的抗腐蚀能力很好、钛合金的导热性能差，导热性能低于不锈钢、钛合金弹性模量较小【14】。钛和钛合金因具有优异的耐腐蚀性及综合的力学性能而广泛应用于各个行业。钛合金是航空航天的重要结构材料，是飞行器发动机和飞行器机体重要结构材料【15】。【16】钛合金制作的的汽车底盘、连杆和支座，排气系统运用于汽车摩托车方面，钛合金在军事装备上车辆的防弹构建大型军事装备，钛合金在医疗器械中也有很大的作为，钛合金也可在运动和生活中有这很多的运用，如新型高尔夫球杆，照相机，炊具，通讯电子等运用到钛合金的产品。钛合金切削加工研究以45号钢的可切削性为100%，呢么钛合金的可切削性在20%~40%，其切削性比高温合金稍好，比不锈钢差。一般情况下，加入的合金越多，硬度越高，可切削性越差，在加工钛合金的过程中，硬度高于HB370时，加工及其困难，硬度低于HB300时，会出现粘刀现象，所以最好设定硬度为HB300~HB370，钛合金切削过程中，空气中的各种气体会对钛合金的可切削性产生很大的影响，钛的化学性质活泼，在600°以下钛不会发生作用，在650度以上，随着温度越高，化合作用越剧烈，钛合金的物理性质也增加了钛合金的切削难度，钛合金的收缩系数小，超精密切削塑性金属材料过程中，主切削刃和前刀面完成金属去除。切削层在前刀面的挤压作用下发生剪切滑移以及塑性变形，形成切屑，并沿前刀面流出，如图3所示，切削时切屑一经主刀面切离后，向上翻卷，使刀具与切屑的接触面积小，因此作用于刀具接触面积的温度和压力会增高，钛合金的强度极限很高，因此，刀具接触面积的温度和压力会更高，而钛合金的热导率很低，极大的限制刀尖的冷却条件【17】，切削钛合金的过程中，后角是所有因素中最为敏感的，因为切削层下加工硬度和金属弹性恢复大，所以选用大后角，这样可减少后刀面的磨损，易于切入金属层，而后角过大，刀具容易崩碎，所以一般选用15°钛合金切削前刀面的接触面积小，钛合金的塑性高，所以一般选用小的前脚，研究表明，前脚在28°和30°之间，刀具的耐用性最高，为了保持合适的切削温度，所以钛合金切削的取走刀量0.11~0.35mm/r，切削速度v=40~60m/min。切削用量会对钛合金表面粗糙度产生很大的影响，有凹痕和刮痕会严重降低钛合金的疲劳极限，如图1.1切削用量对表面粗糙度的影响图所示图1.1切削用量对表面粗糙度影响图研究内容本文主要研究内容如下：基于仿生学及摩擦磨损学设计包括不同宽度、深度、形貌的刀具表面微织构，研究不同微织构对刀具切削性能的影响。基于超快激光加工机理，使用飞秒激光在PCD刀具表面加工不同形貌的微织构，研究激光参数对微织构形貌的影响。基于高速切削理论，使用微织构PCD刀具与普通PCD刀具在不同加工冷却润滑条件下（干切/低温辅助切削）及不同加工参数下对钛合金进行切削研究。用SEM、XRD等检测方式，分析不同织构形状、切削参数和冷却润滑方式下，PCD刀具加工钛合金的刀具表面磨损情况。2实验设计与研究方法2.1激光加工PCD刀具表面微织构实验2.1.1激光加工PCD刀具表面微织构实验材料实验材料为PCD车刀片，，尺寸为60mm×20mm×2mm，工件材料如图2-1(a)所示，其外形尺寸如图2-1(b)所示。工件装夹方式如图2-2所示。(a)(b)图2-1(a)材料实物图(b)材料外形尺寸图2-2工件装夹2.1.2机床本文激光加工PCD刀具实验均在Win-Top公司MC500型飞秒激光机上进行。该机床，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。如图2-4所示。图2-4WinTop-MC500高速铣削加工数控机床2.1.3检测方法通过OLYPUS-SZ61型高倍连续变倍摄影体视显微镜(图2-10(a))观察PCD刀具表面微织构的加工情况。OLYPUS-SZ61型高倍连续变倍摄影体视显微镜镜体为双目显微镜，观察筒倾角为45度，调节范围为52mm至76mm，放大倍数为0.67至4.5，变焦倍率为6.7，有效工作距离为110mm。NovaNanoSEM430型扫描电子显微镜的分辨率为1nm，放大倍数为30倍-30万倍，并配置有能谱仪，使用扫描电子显微镜中配置的能谱仪可以测量材料的化学成分。2.1.4实验方案本实验利用激光加工PCD刀具，在其表面形成不同的微织构，微织构形貌参数表编号表面形貌深度（mm）宽度（mm）间距（mm）离刀尖距离10.50.10.10.05m20.50.10.10.05mm30.50.10.10.05mm40.50.10.10.05mm50.50.10.10.05mm60.5（直径）0.10.10.05mm70.5（直径）0.10.10.05mm80.5（直径）0.10.10.05mm90.5（直径）0.10.10.05mm100.5（直径）0.10.10.05mm

2.2微织构刀具切削钛合金实验系统与设备2.2.1钛合金材料和切削刀具实验材料为钛合金。。。。。。。。。刀具为上实验加工的微织构PCD刀具(a)(b)图2-1(a)材料实物图(b)材料外形尺寸图2-2工件装夹表2-1钛合金材料的化学成分成分ZrCuAlNi硬度(HV)锆铜钛镍质量百分比（wt%)64.4020.253.483.344682.2.2机床本文高速铣削加工实验均在Win-Top公司MC500型高速数控铣床上进行。该机床主轴的电机功率为15KW，最高转速为20000r/min，工作台尺寸为600mm×400m，工作台X/Y/Z方向行程为500/400/360mm，最大进给速度可达48m/min，机床系统采用的是日本三菱数控FANCU系统，可实现高精度轮廓加工。WinTop-MC500机床如图2-4所示。图2-4WinTop-MC500高速铣削加工数控机床2.2.3冷风及微量润滑设备锆基非晶合金高速铣削加工实验中使用的冷风及冷却润滑设备如图2-5所示。改设备涵盖冷风发生装置、外冷复合喷雾以及内冷复合喷雾冷却润滑装置，可分别实现纯冷风切削、冷风+外冷复合喷雾（EOoW)以及冷风+内冷复合喷雾（IOow）切削。本实验采用了纯冷风切削、冷风+外冷复合喷雾（EOoW)，其冷却润滑示意图及喷射装置布置图如图2-6所示。冷风切削及冷风+油膜附水滴切削技术是一种有效的绿色制造技术，通过使用超低温冷风以及利用压缩空气将油气化成油雾对切削部位进行冷却、润滑和排屑，充分提高冷却润滑效果，降低刀具磨损和提高加工表面质量并大大降低冷却液成本。图2-5微量润滑装置（a）（b）图2-6（a）冷却润滑示意图，（b）冷风装置布置图2.2.4检测方法切削力实验使用瑞士齐乐石公司的Kistler9129A压电式三向测力系统，系统组成及连接如图2-7所示。传感器灵敏度X、Y、Z方向为别为±8.0pC/N、±8.0pC/N、±4.1pC/N，传感器量程为X、Y、Z方向分别为±5kN、±8kN、±5kN，三向测力仪测量的是铣削加工过程中三个相互垂直方向的切削力。经过计算机的采集、记录和分析，评价切削材料和切削参数对铣销力的影响。安装好工件、测力系统。首次使用时需要先对测力仪进行标定。采用标准砝码对测力仪X、Y、Z三个方向分别进行统一标定，标定的准确与否将直接影响测量结果的准确度和可靠性。压电系统在静态标定后得到的灵敏度事实上是测力仪归一化灵敏度，所谓归一化灵敏度，就是通过电路调节，使显示值与载荷值两者间的有效数字达到一致。静态标定的目的是为了获得静态标定曲线，以便求得各向灵敏度、线性误差、滞后、相问干扰等系数。本文主要研究刀具的高速切削性能，不考虑工件几何形状及走刀路径对切削力的影响，因此将走刀路线设为直线。将机床进行对刀后，按照试验设计顺序设置机床的切削参数，如图2-8所示，铣削力在X、Y和Z方向的平均切削分力分别为：进给分力Fx(沿进给方向)、径向分力Fy(垂直于进给方向)、轴向分力Fz(沿铣刀轴线方向)。进行切削力测试试验，分别得到试验数据的三向切削力Fx，Fy，Fz。根据依次计算各个切削条件下切削合力Fr。图2-7三向测力系统图2-8切削力分解图2.2.5切削温度实验使用日本NEC公司生产的型号为TVS-500EX的非接触式高精度在线检测红外热像仪，测量锆基非晶合金（Zr-basedBMG）材料高速铣削加工区域的温度场变化，温度分辨率为0.05℃，测量精度为±0.02℃，最小焦距为30cm，测量范围为在-40℃-2000℃，使用ThermoCollector软件，测量铣削加工过程中，不同时刻温度场中各点或区域的温度，绘制等温曲线。红外测温仪如图2-9所示。图2-9红外测温仪2.2.3PCD刀具表面磨损分析通过OLYPUS-SZ61型高倍连续变倍摄影体视显微镜(图2-10(a))和荷兰FEI公司的NovaNanoSEM430型扫描电子显微镜(图2-10(b))观察刀具的磨损面积。OLYPUS-SZ61型高倍连续变倍摄影体视显微镜镜体为双目显微镜，观察筒倾角为45度，调节范围为52mm至76mm，放大倍数为0.67至4.5，变焦倍率为6.7，有效工作距离为110mm。NovaNanoSEM430型扫描电子显微镜的分辨率为1nm，放大倍数为30倍-30万倍，并配置有能谱仪，使用扫描电子显微镜中配置的能谱仪可以测量材料的化学成分。（a）（b）图2-10(a)高倍连续变倍摄影体视显微镜(b)扫描电子显微镜2.3实验方案本实验采用加工过微织构的PCD车刀对钛合金（材料编号）材料进行车削实验。通过改变表面微织构种类研究在PCD刀具上加工不同形状的微织构对刀具切削磨损的影响，具体实验参数如表2-4所示，实验系统示意图如图2-11所示。表2-4切削实验参数刀具编号转速进给量进给速度被吃刀量辅助工艺18000.1200.1干切低温辅助图2-11高速铣削实验系统示意图参考文献【1】张磊.钛合金加工技术进展研究[J].中国新技术新产品(10).【2】何云,杨泊莘,高阳华,etal.聚晶金刚石刀具的制造及应用[J].工具技术,2018,52(11):68-73.【3】杨文恺，陈永洁，李宁.基于Advantedge仿真的具有表面功能结构的刀具设计[J].机电工程技术，2014（5）:14-17【4】刘涛,许立福,周丽,黄树涛.聚晶金刚石加工技术的研究现状[J].工具技术，2014,45:3-8【5】ChristianBrecher,MichaelEmonts,Jan-PatrickHermani,ThomasStorms.LaserRoughingofPCD.PhysicsProcedia,56(2014)1107-1114【6】ChangW,SunJ,LuoX.Investigationofmicrostructuredmillingtoolfordeferringtool【7】DengJ,WuZ,LianY,etal.Performanceofcarbidetoolswithtexturedrake-facefilledwithsolidlubricantsindrycuttingprocesses[J].I