超快激光加工PCD刀具金剛石表面微織構(gòu)及刀具切削性能研究摘要鈦合金具有優(yōu)異的機(jī)械及力學(xué)性能，被廣泛用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。但鈦合金的低塑性、加工溫度高、加工硬化嚴(yán)重給高速高效加工帶來了很大困難。PCD刀具具有硬度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得高加工精度和效率，可用來加工鈦合金。目前對鈦合金的高速高效加工大多集中在硬質(zhì)合金刀具及普通PCD刀具上，對微織構(gòu)PCD刀具研究較少。本文基于PCD刀具加工性能及刀具微織構(gòu)作用，采用超快激光在PCD刀具表面加工出不同的微織構(gòu)，并用微織構(gòu)PCD刀具與普通PCD刀具在不同加工條件下分別對鈦合金進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，對比切削性能，論文主要結(jié)論如下：關(guān)鍵詞：聚晶金剛石刀具；表面微織構(gòu)；切削性能

目錄1緒論 11.1研究背景 錯誤!未定義書簽。1.2PCD刀具加工特點(diǎn) 錯誤!未定義書簽。1.3刀具微織構(gòu)制造及應(yīng)用 31.3.1刀具微織構(gòu)特點(diǎn) 41.3.2超快激光加工微織構(gòu) 51.4鈦合金性能及切削加工 61.4.1鈦合金性能及應(yīng)用 71.4.2鈦合金切削加工研究 81.5本課題研究內(nèi)容 錯誤!未定義書簽。2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法2.1PCD刀具加工實(shí)驗(yàn) 2.1.1激光加工PCD刀具表面微織構(gòu)實(shí)驗(yàn)材料 2.1.2機(jī)床 2.1.3檢測方法 2.1.4實(shí)驗(yàn)方案 2.2PCD微織構(gòu)刀具切削鈦合金實(shí)驗(yàn) 2.2.1鈦合金材料和切削刀具 2.2.3冷風(fēng)及微量潤滑設(shè)備 2.2.2機(jī)床 2.2.3冷風(fēng)及微量潤滑設(shè)備 2.2.4檢測方法 3總結(jié) 錯誤!未定義書簽。4參考文獻(xiàn) 錯誤!未定義書簽。1緒論1.1緒論研究背景鈦合金具有優(yōu)異的機(jī)械及力學(xué)性能，被廣泛用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。但鈦合金是一種難加工材料，鈦合金塑性小，變形系數(shù)小，切削時接觸區(qū)壓力和局部溫度高，刀具磨損快；同時鈦合金加工時會產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化【1】。PCD刀具具有硬度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得高加工精度和效率【2】；PCD刀具優(yōu)異的物理及化學(xué)性能使其在鈦合金的高速高效加工中有很大的優(yōu)勢。但普通PCD刀具加工鈦合金依然存在較為嚴(yán)重的表面磨損情況，制約了鈦合金加工質(zhì)量及刀具壽命。表面微織構(gòu)，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溝槽陣列【3】。表面微織構(gòu)一般是同尺寸均勻分布的整列，當(dāng)前研究的微織構(gòu)主要有：凹坑、凹槽、凸包、鱗片等?，F(xiàn)有研究表明合適形狀的微織構(gòu)可以降低刀具表面的粘附性，減少刀具磨損。超快激光加工可以滿足表面微織構(gòu)的尺寸小、結(jié)構(gòu)精密等特點(diǎn)，適合加工刀具表面微織構(gòu)。微織構(gòu)PCD刀具加工鈦合金目前研究較少，微織構(gòu)的形貌設(shè)計(jì)及加工質(zhì)量、加工參數(shù)和輔助潤滑方式都會影響加工其加工效果，因此有必要進(jìn)行研究。PCD刀具加工特點(diǎn)聚晶金剛石簡稱PCD,是由晶粒微米尺寸的人造金剛石微粉與少量黏結(jié)劑在高溫（1400℃）高壓（6GPa6000MPa）條件下燒結(jié)而成的一種超硬材料，其硬度高達(dá)10000HV左右，是目前世界上人造物質(zhì)中最硬的材料；PCD具有接近天然金剛石的硬度、高耐磨性以及良好的熱導(dǎo)率,化學(xué)性能穩(wěn)定,在精密切削等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛【4】，聚晶金剛石與硬質(zhì)合金性能對比參數(shù)見表1。隨著刀具制造技術(shù)的進(jìn)步，PCD刀具的應(yīng)用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴(kuò)展。加工范圍也從傳統(tǒng)的鋁、鈦合金等金屬材料的切削擴(kuò)展到了石材、木材、石墨、塑料、工程陶瓷、工業(yè)玻璃、金屬基復(fù)合材料等【5】。表1聚晶金剛石刀具與硬質(zhì)合金刀具性能參數(shù)對比表硬度導(dǎo)熱系數(shù)摩擦系數(shù)熱膨脹系數(shù)聚晶金剛石刀具8000HV700~1000W/mK0.1~0.30.9*106~1.18*106硬質(zhì)合金刀具700~1000HV100~400W/mK0.4~14.5*106~6*106刀具微織構(gòu)制造及應(yīng)用刀具微織構(gòu)特點(diǎn)表面微織構(gòu)，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溝槽陣列【3】，表面微織構(gòu)一般是同尺寸均勻分布的整列，當(dāng)前研究的微織構(gòu)主要有：凹坑、凹槽、凸包、鱗片等，如圖1所示。切削刀具的快速磨損是難加工材料高速切削加工的關(guān)鍵問題之一。研究發(fā)現(xiàn)，刀具表面紋理對降低摩擦力，減少刀具與工件之間的材料的粘附【6】，提高接觸表面之間的有效潤滑，減小切削溫度【7】等有很大影響。圖1四種基本表面微織構(gòu)形貌近年來，國內(nèi)外開展了大量表面微結(jié)構(gòu)的制備研究，為高速切削加工中的刀工減摩的研究提供了新的研究思路和理論依據(jù)。Lei【8】等人在硬質(zhì)合金刀具上加工出微坑織構(gòu)，實(shí)驗(yàn)表明微坑潤滑比普通潤滑平均切削力減少了１０％～３０％。鄧建新等人【9-10】從2009年開始對刀具微織構(gòu)進(jìn)行了長期深入的研究，將微織構(gòu)與自潤滑技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)的微池自潤滑切削刀具，微織構(gòu)自潤滑刀具就是在微織構(gòu)中填充固體潤滑劑，如圖6所示，在切削過程中，會在刀具表面形成潤滑膜，從而顯著降低切削力，減少前刀面磨損，延長了刀具壽命。蘇永生【11】等人研究高速切削鈦合金過程中表面織構(gòu)對PCD刀具切削性能的影響，并對比了在干切、常規(guī)潤滑和低溫輔助潤滑條件下的切削力，、摩擦系數(shù)、切削粘結(jié)的變化，結(jié)果表明，織構(gòu)化PCD刀具在低速下的干切削性能明顯優(yōu)于常規(guī)刀具，且優(yōu)于低溫潤滑條件時的減摩效果。但本論文只研究了單一槽行織構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)因素單一不夠全面。超快激光加工微織構(gòu)表面微織構(gòu)的形狀尺寸較小且加工在刀具前刀面上需要精確的定位及高的加工質(zhì)量要求，目前制造微織構(gòu)的方法主要包括激光加工，離子刻蝕，光刻技術(shù)，電火花加工，其中，激光加工有其獨(dú)特的優(yōu)勢：無需潤滑、無刀具磨損以及靈活的全方位加工能力【12】。而超快激光在相比長脈沖激光具有更高的加工效率，熱影響小且加工精度更高，更適合加工刀具表面微織構(gòu)上?！?3】利用飛秒激光在刀具表面進(jìn)行了微織構(gòu)的加工，顯著的提高了刀具的潤滑、抗磨損、抗粘附能力?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀，不同形貌微織構(gòu)PCD刀具加工鈦合金的切削性能研究不足且微織構(gòu)形貌設(shè)計(jì)缺乏理論支撐，因此有必要系統(tǒng)展開PCD刀具微織構(gòu)的設(shè)計(jì)及超快激光加工研究。鈦合金性能及切削加工鈦合金性能及應(yīng)用鈦合金是一種輕質(zhì)材料，主要性能鈦合金密度相對較小約是鐵銅的1/2、鈦合金強(qiáng)度高,屈服強(qiáng)度可達(dá)到1000MP、鈦合金低溫性能好，在低溫和超低溫下仍能保持本身的力學(xué)特性，有部分鈦合金在低溫條件下強(qiáng)度更高、鈦合金具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，對點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、酸蝕的抵抗力很強(qiáng)對堿和氯化物的抗腐蝕能力很好、鈦合金的導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)熱性能低于不銹鋼、鈦合金彈性模量較小【14】。鈦和鈦合金因具有優(yōu)異的耐腐蝕性及綜合的力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。鈦合金是航空航天的重要結(jié)構(gòu)材料，是飛行器發(fā)動機(jī)和飛行器機(jī)體重要結(jié)構(gòu)材料【15】?！?6】鈦合金制作的的汽車底盤、連桿和支座，排氣系統(tǒng)運(yùn)用于汽車摩托車方面，鈦合金在軍事裝備上車輛的防彈構(gòu)建大型軍事裝備，鈦合金在醫(yī)療器械中也有很大的作為，鈦合金也可在運(yùn)動和生活中有這很多的運(yùn)用，如新型高爾夫球桿，照相機(jī)，炊具，通訊電子等運(yùn)用到鈦合金的產(chǎn)品。鈦合金切削加工研究以45號鋼的可切削性為100%，呢么鈦合金的可切削性在20%~40%，其切削性比高溫合金稍好，比不銹鋼差。一般情況下，加入的合金越多，硬度越高，可切削性越差，在加工鈦合金的過程中，硬度高于HB370時，加工及其困難，硬度低于HB300時，會出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，所以最好設(shè)定硬度為HB300~HB370，鈦合金切削過程中，空氣中的各種氣體會對鈦合金的可切削性產(chǎn)生很大的影響，鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，在600°以下鈦不會發(fā)生作用，在650度以上，隨著溫度越高，化合作用越劇烈，鈦合金的物理性質(zhì)也增加了鈦合金的切削難度，鈦合金的收縮系數(shù)小，超精密切削塑性金屬材料過程中，主切削刃和前刀面完成金屬去除。切削層在前刀面的擠壓作用下發(fā)生剪切滑移以及塑性變形，形成切屑，并沿前刀面流出，如圖3所示，切削時切屑一經(jīng)主刀面切離后，向上翻卷，使刀具與切屑的接觸面積小，因此作用于刀具接觸面積的溫度和壓力會增高，鈦合金的強(qiáng)度極限很高，因此，刀具接觸面積的溫度和壓力會更高，而鈦合金的熱導(dǎo)率很低，極大的限制刀尖的冷卻條件【17】，切削鈦合金的過程中，后角是所有因素中最為敏感的，因?yàn)榍邢鲗酉录庸び捕群徒饘購椥曰謴?fù)大，所以選用大后角，這樣可減少后刀面的磨損，易于切入金屬層，而后角過大，刀具容易崩碎，所以一般選用15°鈦合金切削前刀面的接觸面積小，鈦合金的塑性高，所以一般選用小的前腳，研究表明，前腳在28°和30°之間，刀具的耐用性最高，為了保持合適的切削溫度，所以鈦合金切削的取走刀量0.11~0.35mm/r，切削速度v=40~60m/min。切削用量會對鈦合金表面粗糙度產(chǎn)生很大的影響，有凹痕和刮痕會嚴(yán)重降低鈦合金的疲勞極限，如圖1.1切削用量對表面粗糙度的影響圖所示圖1.1切削用量對表面粗糙度影響圖研究內(nèi)容本文主要研究內(nèi)容如下：基于仿生學(xué)及摩擦磨損學(xué)設(shè)計(jì)包括不同寬度、深度、形貌的刀具表面微織構(gòu)，研究不同微織構(gòu)對刀具切削性能的影響?；诔旒す饧庸C(jī)理，使用飛秒激光在PCD刀具表面加工不同形貌的微織構(gòu)，研究激光參數(shù)對微織構(gòu)形貌的影響?；诟咚偾邢骼碚?，使用微織構(gòu)PCD刀具與普通PCD刀具在不同加工冷卻潤滑條件下（干切/低溫輔助切削）及不同加工參數(shù)下對鈦合金進(jìn)行切削研究。用SEM、XRD等檢測方式，分析不同織構(gòu)形狀、切削參數(shù)和冷卻潤滑方式下，PCD刀具加工鈦合金的刀具表面磨損情況。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法2.1激光加工PCD刀具表面微織構(gòu)實(shí)驗(yàn)2.1.1激光加工PCD刀具表面微織構(gòu)實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)材料為PCD車刀片，，尺寸為60mm×20mm×2mm，工件材料如圖2-1(a)所示，其外形尺寸如圖2-1(b)所示。工件裝夾方式如圖2-2所示。(a)(b)圖2-1(a)材料實(shí)物圖(b)材料外形尺寸圖2-2工件裝夾2.1.2機(jī)床本文激光加工PCD刀具實(shí)驗(yàn)均在Win-Top公司MC500型飛秒激光機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)床，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。如圖2-4所示。圖2-4WinTop-MC500高速銑削加工數(shù)控機(jī)床2.1.3檢測方法通過OLYPUS-SZ61型高倍連續(xù)變倍攝影體視顯微鏡(圖2-10(a))觀察PCD刀具表面微織構(gòu)的加工情況。OLYPUS-SZ61型高倍連續(xù)變倍攝影體視顯微鏡鏡體為雙目顯微鏡，觀察筒傾角為45度，調(diào)節(jié)范圍為52mm至76mm，放大倍數(shù)為0.67至4.5，變焦倍率為6.7，有效工作距離為110mm。NovaNanoSEM430型掃描電子顯微鏡的分辨率為1nm，放大倍數(shù)為30倍-30萬倍，并配置有能譜儀，使用掃描電子顯微鏡中配置的能譜儀可以測量材料的化學(xué)成分。2.1.4實(shí)驗(yàn)方案本實(shí)驗(yàn)利用激光加工PCD刀具，在其表面形成不同的微織構(gòu)，微織構(gòu)形貌參數(shù)表編號表面形貌深度（mm）寬度（mm）間距（mm）離刀尖距離10.50.10.10.05m20.50.10.10.05mm30.50.10.10.05mm40.50.10.10.05mm50.50.10.10.05mm60.5（直徑）0.10.10.05mm70.5（直徑）0.10.10.05mm80.5（直徑）0.10.10.05mm90.5（直徑）0.10.10.05mm100.5（直徑）0.10.10.05mm

2.2微織構(gòu)刀具切削鈦合金實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備2.2.1鈦合金材料和切削刀具實(shí)驗(yàn)材料為鈦合金。。。。。。。。。刀具為上實(shí)驗(yàn)加工的微織構(gòu)PCD刀具(a)(b)圖2-1(a)材料實(shí)物圖(b)材料外形尺寸圖2-2工件裝夾表2-1鈦合金材料的化學(xué)成分成分ZrCuAlNi硬度(HV)鋯銅鈦鎳質(zhì)量百分比（wt%)64.4020.253.483.344682.2.2機(jī)床本文高速銑削加工實(shí)驗(yàn)均在Win-Top公司MC500型高速數(shù)控銑床上進(jìn)行。該機(jī)床主軸的電機(jī)功率為15KW，最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，工作臺尺寸為600mm×400m，工作臺X/Y/Z方向行程為500/400/360mm，最大進(jìn)給速度可達(dá)48m/min，機(jī)床系統(tǒng)采用的是日本三菱數(shù)控FANCU系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高精度輪廓加工。WinTop-MC500機(jī)床如圖2-4所示。圖2-4WinTop-MC500高速銑削加工數(shù)控機(jī)床2.2.3冷風(fēng)及微量潤滑設(shè)備鋯基非晶合金高速銑削加工實(shí)驗(yàn)中使用的冷風(fēng)及冷卻潤滑設(shè)備如圖2-5所示。改設(shè)備涵蓋冷風(fēng)發(fā)生裝置、外冷復(fù)合噴霧以及內(nèi)冷復(fù)合噴霧冷卻潤滑裝置，可分別實(shí)現(xiàn)純冷風(fēng)切削、冷風(fēng)+外冷復(fù)合噴霧（EOoW)以及冷風(fēng)+內(nèi)冷復(fù)合噴霧（IOow）切削。本實(shí)驗(yàn)采用了純冷風(fēng)切削、冷風(fēng)+外冷復(fù)合噴霧（EOoW)，其冷卻潤滑示意圖及噴射裝置布置圖如圖2-6所示。冷風(fēng)切削及冷風(fēng)+油膜附水滴切削技術(shù)是一種有效的綠色制造技術(shù)，通過使用超低溫冷風(fēng)以及利用壓縮空氣將油氣化成油霧對切削部位進(jìn)行冷卻、潤滑和排屑，充分提高冷卻潤滑效果，降低刀具磨損和提高加工表面質(zhì)量并大大降低冷卻液成本。圖2-5微量潤滑裝置（a）（b）圖2-6（a）冷卻潤滑示意圖，（b）冷風(fēng)裝置布置圖2.2.4檢測方法切削力實(shí)驗(yàn)使用瑞士齊樂石公司的Kistler9129A壓電式三向測力系統(tǒng)，系統(tǒng)組成及連接如圖2-7所示。傳感器靈敏度X、Y、Z方向?yàn)閯e為±8.0pC/N、±8.0pC/N、±4.1pC/N，傳感器量程為X、Y、Z方向分別為±5kN、±8kN、±5kN，三向測力儀測量的是銑削加工過程中三個相互垂直方向的切削力。經(jīng)過計(jì)算機(jī)的采集、記錄和分析，評價(jià)切削材料和切削參數(shù)對銑銷力的影響。安裝好工件、測力系統(tǒng)。首次使用時需要先對測力儀進(jìn)行標(biāo)定。采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對測力儀X、Y、Z三個方向分別進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)定，標(biāo)定的準(zhǔn)確與否將直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性。壓電系統(tǒng)在靜態(tài)標(biāo)定后得到的靈敏度事實(shí)上是測力儀歸一化靈敏度，所謂歸一化靈敏度，就是通過電路調(diào)節(jié)，使顯示值與載荷值兩者間的有效數(shù)字達(dá)到一致。靜態(tài)標(biāo)定的目的是為了獲得靜態(tài)標(biāo)定曲線，以便求得各向靈敏度、線性誤差、滯后、相問干擾等系數(shù)。本文主要研究刀具的高速切削性能，不考慮工件幾何形狀及走刀路徑對切削力的影響，因此將走刀路線設(shè)為直線。將機(jī)床進(jìn)行對刀后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)順序設(shè)置機(jī)床的切削參數(shù)，如圖2-8所示，銑削力在X、Y和Z方向的平均切削分力分別為：進(jìn)給分力Fx(沿進(jìn)給方向)、徑向分力Fy(垂直于進(jìn)給方向)、軸向分力Fz(沿銑刀軸線方向)。進(jìn)行切削力測試試驗(yàn)，分別得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的三向切削力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z。根據(jù)依次計(jì)算各個切削條件下切削合力Fr。圖2-7三向測力系統(tǒng)圖2-8切削力分解圖2.2.5切削溫度實(shí)驗(yàn)使用日本NEC公司生產(chǎn)的型號為TVS-500EX的非接觸式高精度在線檢測紅外熱像儀，測量鋯基非晶合金（Zr-basedBMG）材料高速銑削加工區(qū)域的溫度場變化，溫度分辨率為0.05℃，測量精度為±0.02℃，最小焦距為30cm，測量范圍為在-40℃-2000℃，使用ThermoCollector軟件，測量銑削加工過程中，不同時刻溫度場中各點(diǎn)或區(qū)域的溫度，繪制等溫曲線。紅外測溫儀如圖2-9所示。圖2-9紅外測溫儀2.2.3PCD刀具表面磨損分析通過OLYPUS-SZ61型高倍連續(xù)變倍攝影體視顯微鏡(圖2-10(a))和荷蘭FEI公司的NovaNanoSEM430型掃描電子顯微鏡(圖2-10(b))觀察刀具的磨損面積。OLYPUS-SZ61型高倍連續(xù)變倍攝影體視顯微鏡鏡體為雙目顯微鏡，觀察筒傾角為45度，調(diào)節(jié)范圍為52mm至76mm，放大倍數(shù)為0.67至4.5，變焦倍率為6.7，有效工作距離為110mm。NovaNanoSEM430型掃描電子顯微鏡的分辨率為1nm，放大倍數(shù)為30倍-30萬倍，并配置有能譜儀，使用掃描電子顯微鏡中配置的能譜儀可以測量材料的化學(xué)成分。（a）（b）圖2-10(a)高倍連續(xù)變倍攝影體視顯微鏡(b)掃描電子顯微鏡2.3實(shí)驗(yàn)方案本實(shí)驗(yàn)采用加工過微織構(gòu)的PCD車刀對鈦合金（材料編號）材料進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)。通過改變表面微織構(gòu)種類研究在PCD刀具上加工不同形狀的微織構(gòu)對刀具切削磨損的影響，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2-4所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2-11所示。表2-4切削實(shí)驗(yàn)參數(shù)刀具編號轉(zhuǎn)速進(jìn)給量進(jìn)給速度被吃刀量輔助工藝18000.1200.1干切低溫輔助圖2-11高速銑削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖參考文獻(xiàn)【1】張磊.鈦合金加工技術(shù)進(jìn)展研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品(10).【2】何云,楊泊莘,高陽華,etal.聚晶金剛石刀具的制造及應(yīng)用[J].工具技術(shù),2018,52(11):68-73.【3】楊文愷，陳永潔，李寧.基于Advantedge仿真的具有表面功能結(jié)構(gòu)的刀具設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014（5）:14-17【4】劉濤,許立福,周麗,黃樹濤.聚晶金剛石加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，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