激光功率與掃描速度對(duì)微織構(gòu)形貌影響試驗(yàn)研究

鄭凱瑞，楊發(fā)展，姜芙林，張娜

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島 266250)

0 前言

硬質(zhì)合金由于具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)而被廣泛用作刀具材料[1]。隨著綠色制造技術(shù)、高速切削技術(shù)的快速發(fā)展，人們的綠色生產(chǎn)意識(shí)逐漸增強(qiáng)，制造業(yè)的飛速發(fā)展使得人們對(duì)產(chǎn)品的需求量和期望值越來(lái)越高。傳統(tǒng)加工刀具已難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，尤其是加工中刀具與工件之間劇烈的摩擦行為使得刀具的使用壽命大幅降低。探索如何降低刀具-工件接觸摩擦界面間的劇烈程度成為一些學(xué)者研究的熱點(diǎn)。在進(jìn)行摩擦學(xué)特性研究時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)在鯊魚、海豚、蟑螂、穿山甲等生物體身上存在的非光滑結(jié)構(gòu)，可以幫助它們減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力[2-3]。受這一自然界生物自身結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，人們開(kāi)始探索非光滑表面的減摩降磨結(jié)構(gòu)和性能。隨著仿生學(xué)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，“表面微織構(gòu)”這一概念率先在摩擦學(xué)領(lǐng)域被提出并逐漸走向成熟，目前微織構(gòu)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[4]，其中刀具表面微織構(gòu)技術(shù)就是其中的典型代表。

研究發(fā)現(xiàn)：在刀具的表面加工出具有一定排列方式的微織構(gòu)圖案，能夠有效減緩刀具在切削過(guò)程中的磨損現(xiàn)象，從而有效提高刀具的切削性能。溫永美等[5]通過(guò)建立微織構(gòu)刀具三維仿真模型模擬微織構(gòu)刀具切削鋁合金實(shí)驗(yàn)，證明了合理的微織構(gòu)形態(tài)能夠在很大程度上降低主切削力。ZHANG等[6]在刀具的前刀面加工出了不同直徑、深度和面積占有率的微凹坑織構(gòu)，并對(duì)處于微潤(rùn)滑狀態(tài)下微織構(gòu)刀具的磨損行為進(jìn)行了深入分析和研究，結(jié)果顯示：當(dāng)織構(gòu)直徑為170 μm、深度為7 μm、面積占有率為20%時(shí)，可以得到最佳的平均摩擦因數(shù)。GAJRANI等[7]在高速鋼刀具的表面加工出微織構(gòu)，制成了自潤(rùn)滑刀具，通過(guò)與傳統(tǒng)的刀具進(jìn)行干切削實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，證明了微織構(gòu)刀具在改善刀具切削性能方面具有較為突出的優(yōu)勢(shì)。

目前，生產(chǎn)中常用的微織構(gòu)加工方式有電沉積技術(shù)、電火花加工技術(shù)、激光加工技術(shù)、光刻加工技術(shù)、微磨削、化學(xué)腐蝕等方式[8-9]。其中，激光加工因具有清潔高效、低成本、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在微織構(gòu)加工方面[10]。激光加工過(guò)程中，將事先設(shè)計(jì)好的織構(gòu)形狀導(dǎo)入控制激光器的計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制面板來(lái)改變激光加工過(guò)程中的不同參數(shù)?？棙?gòu)形狀決定了激光的掃描路徑，激光沿著預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行加工，就可得到不同類型的微織構(gòu)。然而，在加工過(guò)程中，被加工材料、激光功率和掃描速度等參數(shù)都會(huì)對(duì)織構(gòu)的尺寸和形貌產(chǎn)生重要影響[11]。因此，若采用激光加工方式制備微織構(gòu)工件，合理選擇激光參數(shù)至關(guān)重要?；谏鲜龇治?，本文作者采用納秒激光在硬質(zhì)合金刀具表面加工出溝槽織構(gòu)，研究激光參數(shù)對(duì)微織構(gòu)形貌和尺寸的影響，探究激光參數(shù)對(duì)微織構(gòu)尺寸和形貌的影響規(guī)律并揭示其影響機(jī)制。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 激光加工微織構(gòu)原理

激光加工屬于非接觸式加工，當(dāng)激光照射到物體表面時(shí)，工件材料表面會(huì)吸收激光能量，然后將光能轉(zhuǎn)化成熱能致使物體表面的溫度迅速升高，當(dāng)能量達(dá)到物體表面的燒蝕閾值時(shí)，工件材料表面隨即會(huì)發(fā)生蒸發(fā)、汽化。由于激光束的能量分布呈現(xiàn)高斯分布的狀態(tài)，激光束中心區(qū)域的能量較高，向外側(cè)能量逐漸發(fā)散遞減，光束中心區(qū)域的壓力非常大。當(dāng)壓力大于物體表面張力時(shí)，會(huì)形成高速的氣流沖擊，使得產(chǎn)生的熔融物飛濺出去，產(chǎn)生液相爆炸，從而達(dá)到了去除材料的目的[12-14]，飛濺出去的材料重新在工件表面凝結(jié)成熔融物。由于激光的能量非常集中，熱影響區(qū)域相對(duì)較小，所以采用激光加工時(shí)工件材料的變形小，對(duì)工件形貌影響較小。納秒激光加工原理如圖1所示。

圖1 納秒激光加工原理[15]

1.2 硬質(zhì)合金刀具表面微織構(gòu)的制備

實(shí)驗(yàn)選用的材料為YG8硬質(zhì)合金刀具(株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn))，尺寸為16 mm×16 mm×4.5 mm,其組成成分及物理特性見(jiàn)表1。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將硬質(zhì)合金刀具放置在超聲波清洗機(jī)清洗10 min，以除去刀具表面的污漬，所用的清洗液為無(wú)水乙醇。此次實(shí)驗(yàn)所采用的激光器為IPG 納秒激光器，其型號(hào)為YLPN-1-100-200-R，激光器的基本性能參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)所采用的激光加工參數(shù)為波長(zhǎng) 1 064 nm、脈沖寬度 100 ns、頻率30 kHz，掃描次數(shù)200次。采用單因素分析法探究激光加工功率分別為20、35、50、65 W，掃描速度在150、200、250、300 mm/s 時(shí)微織構(gòu)的尺寸和形貌。為了獲得較好的觀測(cè)效果，微織構(gòu)加工完成之后，將刀具再次清洗10 min，并放置自然風(fēng)干。實(shí)驗(yàn)儀器如圖2所示。采用激光共聚焦顯微鏡(VK-X1000系列)來(lái)觀察織構(gòu)的形貌，織構(gòu)的形貌和三維圖如圖3所示。

表1 YG8刀具材料特性

表2 激光器基本參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器

圖3 微織構(gòu)形貌及三維圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 掃描速度對(duì)微織構(gòu)尺寸的影響

圖4為不同激光參數(shù)下的織構(gòu)尺寸。由圖4 (a)可以看出：隨著掃描速度的增加，織構(gòu)的深度和寬度均呈現(xiàn)不同程度的降低；當(dāng)掃描速度從150 mm/s增大到300 mm/s時(shí)，織構(gòu)的寬度和深度分別從88.415、22.017 μm 降低為78.534、11.483 μm。從這方面來(lái)看，工件表面材料去除的多少與單位時(shí)間內(nèi)照射的激光能量的多少相關(guān)，激光能量大，材料去除能力就強(qiáng)。而掃描速度可以影響激光能量在工件表面上的作用效果，當(dāng)掃描速度增加時(shí)，激光束停留在工件表面的時(shí)間減少，所提供給工件的能量減少，工件因蒸發(fā)、汽化濺射的材料就會(huì)相應(yīng)減少，進(jìn)而導(dǎo)致材料去除率降低。體現(xiàn)在織構(gòu)尺寸上就是織構(gòu)深度和寬度的減小。

圖4 不同激光參數(shù)下的織構(gòu)尺寸

由圖4(b)可以看出：當(dāng)其他加工參數(shù)一定時(shí)，隨著激光功率的增加，織構(gòu)的深度和寬度都隨之增加。當(dāng)激光功率為20 W時(shí)，織構(gòu)的寬度為69.711 μm、深度為4.947 μm；當(dāng)激光功率增大到65 W時(shí)，織構(gòu)的寬度增長(zhǎng)為78.531 μm，深度增長(zhǎng)為11.483 μm。在激光加工過(guò)程中，存在以下關(guān)系式：激光能量密度等于激光功率除以掃描速度[16], 因此當(dāng)設(shè)置掃描速度不變時(shí)，激光功率增大，激光束所提供的能量就變多，材料的去除能力隨即增強(qiáng)。

2.2 激光參數(shù)對(duì)織構(gòu)形貌的影響

圖5為掃描速度為300 mm/s,激光加工功率分別為20、35、50、65 W時(shí)的織構(gòu)形貌?？梢钥闯觯杭す廨椪者^(guò)后濺射的材料在冷卻后沿著織構(gòu)的輪廓堆積，產(chǎn)生了液相沉積現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)為褶皺狀的微小顆粒。輪廓兩側(cè)堆積物的存在會(huì)影響微織構(gòu)的加工質(zhì)量，堆積物越多，所得到的織構(gòu)的質(zhì)量越差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得工件的表面粗糙度增大；隨著激光功率的增加，在溝槽織構(gòu)內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)球狀熔融物堆積，這是由于材料在發(fā)生蒸發(fā)、汽化之后，部分未被噴濺出的材料在織構(gòu)底部重新出現(xiàn)了凝結(jié)現(xiàn)象；熔融物整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為球狀結(jié)構(gòu)，激光功率不斷增大，溝槽內(nèi)部堆積物的數(shù)量也隨之增長(zhǎng)；激光功率越大，溝槽內(nèi)部的熔融物越明顯，甚至有些熔融物的高度要大于材料表面的高度。圖6所示為激光功率為65 W、掃描速度為300 mm/s時(shí)的織構(gòu)輪廓圖，可以看出：熔融物的高度明顯高于工件表面的高度。堆積物的存在將嚴(yán)重影響織構(gòu)的形貌，進(jìn)而影響工件表面后續(xù)的功能和使用，因此在加工微織構(gòu)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇較小的激光功率。

圖5 不同激光功率下的織構(gòu)形貌(掃描速度300 mm/s)

圖6 織構(gòu)輪廓圖(65 W,300 mm/s)

圖7為激光功率為20 W時(shí)，不同掃描速度下織構(gòu)的形貌圖。可以看出：溝槽底部?jī)H有少量的熔融物，內(nèi)部形貌較好，兩側(cè)輪廓清晰；隨著掃描速度的提高，激光輻照在材料表面的能量減少，溝槽表面燒蝕情況較輕，產(chǎn)生的熔融物也較少；當(dāng)掃描速度為250 mm/s和300 mm/s時(shí)，織構(gòu)的形貌變得更為清晰。圖8所示為激光功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時(shí)的織構(gòu)輪廓圖，可以看出：織構(gòu)輪廓形貌較好，僅在溝槽兩側(cè)存在較少的凸起，凸起處為濺射的材料在織構(gòu)兩側(cè)冷凝后的熔融物。

圖7 不同掃描速度下的織構(gòu)形貌(激光功率20 W)

圖8 織構(gòu)輪廓圖(20 W,300 mm/s)

綜合考慮表面織構(gòu)的質(zhì)量和加工效率，實(shí)驗(yàn)最終選擇功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時(shí)的加工參數(shù)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均值，最終獲得織構(gòu)的寬度約為69.711 μm、深度約為4.947 μm。激光參數(shù)會(huì)對(duì)織構(gòu)的尺寸和三維形貌產(chǎn)生很大的影響，因此在加工微織構(gòu)過(guò)程中，要結(jié)合微織構(gòu)具體的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇合適的激光參數(shù)，從而使微織構(gòu)發(fā)揮出最佳效果。

3 結(jié)論

采用激光加工技術(shù)在YG8刀具的表面加工出溝槽型微織構(gòu)，通過(guò)對(duì)其尺寸和形貌進(jìn)行觀察測(cè)量，得到以下結(jié)論：

(1)織構(gòu)的尺寸和形貌都會(huì)因激光加工參數(shù)的改變而產(chǎn)生較大的變化。激光功率越大，所提供的能量越多，所加工出的織構(gòu)的尺寸越大；掃描速度越快，材料表面吸收的能量越少，織構(gòu)的尺寸越小。

(2)當(dāng)激光功率增大時(shí)，織構(gòu)的底部會(huì)存在大量的熔融物堆積，功率越大，織構(gòu)底部的熔融物越多，熔融物高度甚至?xí)^(guò)工件表面的高度，使得工件表面更加粗糙。且溝槽兩側(cè)沉積物也隨著功率的增大呈現(xiàn)出越來(lái)越多的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響織構(gòu)的形貌和質(zhì)量。

(3)通過(guò)對(duì)不同激光參數(shù)下的織構(gòu)形貌進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時(shí)，織構(gòu)底部?jī)H有較少的熔融物存在，得到的織構(gòu)的形貌較好。在該加工參數(shù)下的織構(gòu)的深度為4.947 μm、寬度為69.711 μm。

(4)不同的激光參數(shù)加工出的織構(gòu)尺寸和三維形貌有很大差別，在實(shí)際加工過(guò)程中，要結(jié)合織構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境來(lái)選擇合適的加工參數(shù)，以使織構(gòu)發(fā)揮出最佳效果。