飞秒激光对单晶金刚石刀具表面的加工

胡和平 丁朝俊

摘  要：刀具切削是典型的力热耦合摩擦过程，易产生大量的热量，同时切削屑也会对刀具表面产生一定的损伤。运用飞秒激光对单晶金刚石刀具表面进行加工，表面微纳结构可以存储一定的切削液，增大刀具表面同切削面的接触面，减小摩擦力，提高散热能力，有效延长金刚石刀具的寿命。同时飞秒激光加工技術具有较高的加工效率，操作简便，因此能够在单晶金刚石刀具的工具中得到广泛应用。该文在这一基础上，就飞秒激光对单晶金刚石刀具表面加工展开简要的论述与探讨。

关键词：飞秒激光  单晶金刚石  刀具加工

中图分类号：TG665    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）03（c）-0038-02

随着科技的不断进步，激光技术也实现了巨大的发展，诞生多个分支并逐步形成前言科学。飞秒激光具备较高的峰值功率，且脉冲时间较短，成为普遍关注的课题之一[1]。通常情况下，飞秒激光脉冲宽度为10～15s量级，相比于长脉冲及连续激光，峰值功率要更高。自20世纪80年代起，飞秒激光在多个领域内都实现了广泛应用，特别是在特殊材料加工领域内受到了格外重视，飞秒激光微纳加工技术也处于不断地进步之中。

1  飞秒激光烧蚀单晶金刚石材料的阈值

在当前工业领域内，金刚石的应用最为广泛，是一种高强度高硬度的工业材料。金刚石由碳原子构成，是原子晶体结构，每一个碳原子都处于正四面体中心，四面体4个顶点上有碳原子存在，构成的骨架结构非常坚固且具有连续性[2]。对于这种坚硬的材料进行微纳加工，需要对其特性展开研究。当激光和金刚石相互作用时，产生单层去除时最小的能量密度即为烧蚀阈值。当飞秒激光的功率密度比烧蚀阈值高时才会出现有效材料去除现象，一旦比烧蚀阈值低则不会产生反应。针对单晶金刚石运用飞秒激光进行加工时，需要准备计算烧蚀阈值，将其作为制备单晶金刚石刀具表面微纳结构的重要依据，准确把控脉冲能量，获得精确的微纳结构。

通过烧蚀实验可以获得烧蚀阈值，运用等离子体辐射或推算法都可以进行测量[3]。在等离子体辐射下，需要对等离子体进行收集，针对这些等离子体运用质谱仪展开分析，明确材料的烧蚀阈值，在这种方法下对操作仪器有较高的要求，需要付出较高的实验成本。在推算法之下，针对不同加工功率及烧蚀面积关系对0烧蚀面积时激光的功率密度进行推算，这种方法误差非常小，且易于操作，得到了广泛普及。

就单晶金刚石而言，（110）晶面在原子密度上要远高于（100）面，且电子密度较高。飞秒激光和材料相互作用时，会产生电离及多光子吸收现象[4]。在这一过程中，（110）晶面由于原子密度及电子密度较高，吸收的激光能量就更多，从而产生单层去除反应。相比于（100）晶面，（110）晶面的烧蚀阈值要更高。

2  飞秒激光下单晶金刚石的沟槽加工

飞秒激光进行微纳加工存在显著阈值效应，假如激光功率较小，激光能量密度小于加工材料烧蚀阈值，就不会出现材料去除反应。提高飞秒激光的功率，使得能量密度比烧蚀阈值高，能够对沟槽尺寸产生影响，产生宽度及深度各异的微结构，同时会影响微结构的表面质量。0.5MW功率的飞秒激光，能量密度交单晶金刚石烧蚀阈值略高，通过微纳加工能够得到非常小宽度及深度的沟槽，实现了非热熔性的去除，显著的周期性条纹结构出现于沟槽内部。飞秒激光波长及材料同空气界面折射率会对周期性条纹结构的周期产生影响。不断提高飞秒激光功率，产生较高的能量密度，实现热熔性材料去除，由于能量的分布不均难以有效影响材料去除，所以此类周期性的微纳结构仅仅出现于沟槽两侧飞秒激光较低能量密度处[5]。

3  飞秒激光下单晶金刚石刀具表面加工

在飞秒激光加工微纳结构过程中，需要同切削刃保持一定距离，以保持刀尖的完整性。通过飞秒激光进行微纳结构的加工，可以将金刚石刀具的磨损区域进行覆盖，因此可以在刀尖圆弧的多个位置进行微纳结构加工。

在一定的加工功率之下，材料表面的质量及平整度都会对加工效果产生影响。在加工金刚石刀具的过程中，表面存在波纹度的误差现象，放置工件也会出现平面度的误差，因此飞秒激光加工垂直切削刃沟槽结构及圆环结构过程中存在不连续情况。此外，飞秒激光加工网状结构及圆环序列时，有重复交叉扫描情况存在，扫描速度慢，这些位置出现能量累积，易造成刀具表面出现微破损及微裂纹。这些状况并不多见，对刀具切削影响不大[6]。

通过扫描电镜对切削后的刀具表面进行观测，微纳结构切削刃并未出现显著崩刃及破损的情况，整个切削过程保持稳定的切削力，所产生的切削表面也具有较高质量[7]。刀具切削面不存在显著的黏结磨损，通过飞秒激光加工微纳结构不会对金刚石内部的抗黏结性产生影响，确保刀具表面的稳定性，不会产生积削瘤和磨损的情况。在微纳结构的内部，能够将少量切削碎屑进行收集，有效降低碎屑所产生的磨损[8]。

飞秒激光对金刚石刀具进行加工后，微纳结构使得刀具和切削间摩擦有效减小。在传统加工模式下，尽管在摩擦表面使用了切削液，但是无法形成有效的润滑油墨，难以有效保护刀具表面。而通过飞秒激光对金刚石刀具进行加工后，所产生的微纳结构能够保存切削液，形成了润滑油墨，有效降低了刀具表面同切削的接触面，降低了摩擦系数，避免较大摩擦对刀具表面造成损伤[9]。在刀具的沟槽及沟槽结构中存在周期性的纳米结构，使得刀具表面同切削有更大的接触面，微纳结构中有大量切削液，随着切削液的挥发，将切削热量带走，降低了刀具与切削面的温度，将损伤降至最低。

4  结语

单晶金刚石在工业领域内有广泛的应用，其具有较高的硬度，能够通过加工得到较高切割力的切削刃，在车削中得到广泛应用。由于单晶金刚石极高的硬度，使得其生产出的车刀价格较高，刃磨的工业也极为复杂，需要付出较高的成本及较长的周期。飞秒激光峰值能量较高，在加工过程中不会产生较高的热量，因此，在特殊材料表面加工中具有显著的优势。通过飞秒激光对金刚石刀具进行加工，所产生的微纳结构可以有效保护刀具表面，降低对金刚石刀具表面的损伤，有效保护刀尖及切削刃。

参考文献

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[9] 颜认，马改，陈小丹，等.单晶金刚石刀具机械刃磨技术进展[J].工具技术，2016（9）：8-11.