飛秒激光對(duì)單晶金剛石刀具表面的加工

　隨著科技的不斷進(jìn)步，激光技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了巨大的發(fā)展，誕生多個(gè)分支并逐步形成前言科學(xué)。飛秒激光具備較高的峰值功率，且脈沖時(shí)間較短，成為普遍關(guān)注的課題之一[1]。通常情況下，飛秒激光脈沖寬度為10～15s量級(jí)，相比于長脈沖及連續(xù)激光，峰值功率要更高。自20世紀(jì)80年代起，飛秒激光在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，特別是在特殊材料加工領(lǐng)域內(nèi)受到了格外重視，飛秒激光微納加工技術(shù)也處于不斷地進(jìn)步之中。

　　1   飛秒激光燒蝕單晶金剛石材料的閾值

　　在當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，金剛石的應(yīng)用最為廣泛，是一種高強(qiáng)度高硬度的工業(yè)材料。金剛石由碳原子構(gòu)成，是原子晶體結(jié)構(gòu)，每一個(gè)碳原子都處于正四面體中心，四面體4個(gè)頂點(diǎn)上有碳原子存在，構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固且具有連續(xù)性[2]。對(duì)于這種堅(jiān)硬的材料進(jìn)行微納加工，需要對(duì)其特性展開研究。當(dāng)激光和金剛石相互作用時(shí)，產(chǎn)生單層去除時(shí)最小的能量密度即為燒蝕閾值。當(dāng)飛秒激光的功率密度比燒蝕閾值高時(shí)才會(huì)出現(xiàn)有效材料去除現(xiàn)象，一旦比燒蝕閾值低則不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)。針對(duì)單晶金剛石運(yùn)用飛秒激光進(jìn)行加工時(shí)，需要準(zhǔn)備計(jì)算燒蝕閾值，將其作為制備單晶金剛石刀具表面微納結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)，準(zhǔn)確把控脈沖能量，獲得精確的微納結(jié)構(gòu)。

　　通過燒蝕實(shí)驗(yàn)可以獲得燒蝕閾值，運(yùn)用等離子體輻射或推算法都可以進(jìn)行測(cè)量[3]。在等離子體輻射下，需要對(duì)等離子體進(jìn)行收集，針對(duì)這些等離子體運(yùn)用質(zhì)譜儀展開分析，明確材料的燒蝕閾值，在這種方法下對(duì)操作儀器有較高的要求，需要付出較高的實(shí)驗(yàn)成本。在推算法之下，針對(duì)不同加工功率及燒蝕面積關(guān)系對(duì)0燒蝕面積時(shí)激光的功率密度進(jìn)行推算，這種方法誤差非常小，且易于操作，得到了廣泛普及。

　　就單晶金剛石而言，（110）晶面在原子密度上要遠(yuǎn)高于（100）面，且電子密度較高。飛秒激光和材料相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電離及多光子吸收現(xiàn)象[4]。在這一過程中，（110）晶面由于原子密度及電子密度較高，吸收的激光能量就更多，從而產(chǎn)生單層去除反應(yīng)。相比于（100）晶面，（110）晶面的燒蝕閾值要更高。

　　2   飛秒激光下單晶金剛石的溝槽加工

　　飛秒激光進(jìn)行微納加工存在顯著閾值效應(yīng)，假如激光功率較小，激光能量密度小于加工材料燒蝕閾值，就不會(huì)出現(xiàn)材料去除反應(yīng)。提高飛秒激光的功率，使得能量密度比燒蝕閾值高，能夠?qū)喜鄢叽绠a(chǎn)生影響，產(chǎn)生寬度及深度各異的微結(jié)構(gòu)，同時(shí)會(huì)影響微結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量。0.5MW功率的飛秒激光，能量密度交單晶金剛石燒蝕閾值略高，通過微納加工能夠得到非常小寬度及深度的溝槽，實(shí)現(xiàn)了非熱熔性的去除，顯著的周期性條紋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于溝槽內(nèi)部。飛秒激光波長及材料同空氣界面折射率會(huì)對(duì)周期性條紋結(jié)構(gòu)的周期產(chǎn)生影響。不斷提高飛秒激光功率，產(chǎn)生較高的能量密度，實(shí)現(xiàn)熱熔性材料去除，由于能量的分布不均難以有效影響材料去除，所以此類周期性的微納結(jié)構(gòu)僅僅出現(xiàn)于溝槽兩側(cè)飛秒激光較低能量密度處[5]。

　　3   飛秒激光下單晶金剛石刀具表面加工

　　在飛秒激光加工微納結(jié)構(gòu)過程中，需要同切削刃保持一定距離，以保持刀尖的完整性。通過飛秒激光進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)的加工，可以將金剛石刀具的磨損區(qū)域進(jìn)行覆蓋，因此可以在刀尖圓弧的多個(gè)位置進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)加工。

　　在一定的加工功率之下，材料表面的質(zhì)量及平整度都會(huì)對(duì)加工效果產(chǎn)生影響。在加工金剛石刀具的過程中，表面存在波紋度的誤差現(xiàn)象，放置工件也會(huì)出現(xiàn)平面度的誤差，因此飛秒激光加工垂直切削刃溝槽結(jié)構(gòu)及圓環(huán)結(jié)構(gòu)過程中存在不連續(xù)情況。此外，飛秒激光加工網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及圓環(huán)序列時(shí)，有重復(fù)交叉掃描情況存在，掃描速度慢，這些位置出現(xiàn)能量累積，易造成刀具表面出現(xiàn)微破損及微裂紋。這些狀況并不多見，對(duì)刀具切削影響不大[6]。

　　通過掃描電鏡對(duì)切削后的刀具表面進(jìn)行觀測(cè)，微納結(jié)構(gòu)切削刃并未出現(xiàn)顯著崩刃及破損的情況，整個(gè)切削過程保持穩(wěn)定的切削力，所產(chǎn)生的切削表面也具有較高質(zhì)量[7]。刀具切削面不存在顯著的黏結(jié)磨損，通過飛秒激光加工微納結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)金剛石內(nèi)部的抗黏結(jié)性產(chǎn)生影響，確保刀具表面的穩(wěn)定性，不會(huì)產(chǎn)生積削瘤和磨損的情況。在微納結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，能夠?qū)⑸倭壳邢魉樾歼M(jìn)行收集，有效降低碎屑所產(chǎn)生的磨損[8]。

　　飛秒激光對(duì)金剛石刀具進(jìn)行加工后，微納結(jié)構(gòu)使得刀具和切削間摩擦有效減小。在傳統(tǒng)加工模式下，盡管在摩擦表面使用了切削液，但是無法形成有效的潤滑油墨，難以有效保護(hù)刀具表面。而通過飛秒激光對(duì)金剛石刀具進(jìn)行加工后，所產(chǎn)生的微納結(jié)構(gòu)能夠保存切削液，形成了潤滑油墨，有效降低了刀具表面同切削的接觸面，降低了摩擦系數(shù)，避免較大摩擦對(duì)刀具表面造成損傷[9]。在刀具的溝槽及溝槽結(jié)構(gòu)中存在周期性的納米結(jié)構(gòu)，使得刀具表面同切削有更大的接觸面，微納結(jié)構(gòu)中有大量切削液，隨著切削液的揮發(fā)，將切削熱量帶走，降低了刀具與切削面的溫度，將損傷降至最低。

　　4   結(jié)語

　　單晶金剛石在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用，其具有較高的硬度，能夠通過加工得到較高切割力的切削刃，在車削中得到廣泛應(yīng)用。由于單晶金剛石極高的硬度，使得其生產(chǎn)出的車刀價(jià)格較高，刃磨的工業(yè)也極為復(fù)雜，需要付出較高的成本及較長的周期。飛秒激光峰值能量較高，在加工過程中不會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，因此，在特殊材料表面加工中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。通過飛秒激光對(duì)金剛石刀具進(jìn)行加工，所產(chǎn)生的微納結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)刀具表面，降低對(duì)金剛石刀具表面的損傷，有效保護(hù)刀尖及切削刃。