CN104999182B - 高速钢切削刀具表面微造型的加工装置及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置及其加工方法，该装置包括工作台、纳秒激光器和反光镜，工作台上设有高速钢切削刀具，高速钢切削刀具通过夹具固定在可移动的工作台上，纳米激光发出的激光束经过反光镜变向后经过聚焦透镜照射在约束层上，加工好的刀具包含前刀面、副后刀面和主后刀面，前刀面与副后刀面相交处为副切削刃，前刀面与主后刀面相交处为主切屑刃，在前刀面与副后刀面靠近副切削刃设有阵列分布的凹坑，在前刀面与主后刀面靠近主切屑刃设有阵列分布的凹坑。本发明的微凹坑造型具有捕捉切屑的能力，而且可以储存润滑介质，能有效的减少摩擦，减缓刀具磨损，延长刀具使用寿命。

Description

高速钢切削刀具表面微造型的加工装置及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种刀具表面处理的加工方法，具体涉及一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置及其加工方法。
背景技术
随着制造业的发展，切削加工向着高速、智能、环保的方向拓展，而刀具的性能对切削加工的效率、精度和表面质量又有着决定性的影响。金属切削刀具的切削性与其几何参数有非常重要的关系,但能够决定刀具材料切削性能的是其本身的强度和韧性、硬度和耐磨性、耐热性等。但是前、后刀面的磨损是其最主要的失效形式。作为机械加工中常用的关键基础件，高速钢刀具要有良好的减摩性能，减小切削过程中粘附力，保证切削力的稳定与加工件的表面质量；又要有良好的耐磨性能，保证工件的尺寸精度和刀具的使用寿命。
目前，有关提高刀具耐磨性能和延长使用寿命的方法有很多。涂层技术可以提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，随着对刀具切削性能要求的不断提高，要求涂层材料的硬度高，耐磨性好，化学稳定性好，但制备符合要求的涂层存在工艺复杂，对设备要求高，周期较长，生产成本高等缺点。中国专利“申请号：202010446252.8”报道了一种刀具表面复合造型处理方法及其装置，通过激光热效应制造三种微织构形貌改善刀具的表面性能，延长了刀具寿命。中国专利“申请号：201410700926.1”报道了一种双光束激光熔覆刀具的加工方法，利用激光热效应进行加工，会对材料有微观汽化和烧蚀作用，破坏了材料表面的完整性。中国专利“申请号：20101010124734.2”报道了微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，只是针对铝合金材料切削加工难的问题，在刀具表面进行微/纳复合织构制备。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置及其加工方法，激光微冲击后刀具表面带来微观组织强化、表面硬度的提高以及有益的残余压应力分布，可以显著改善刀具表面的抗磨损性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的高速钢切削刀具表面微造型的加工装置，包括工作台、纳秒激光器和反光镜，所述工作台上设有待加工的高速钢切削刀具，高速钢切削刀具通过夹具固定在可移动的工作台上，纳米激光发出的激光束经过反光镜变向后经过聚焦透镜照射在约束层上，约束层和待加工的高速钢切削刀具之间设有吸收层；加工好的高速钢切削刀具包含前刀面、副后刀面和主后刀面，前刀面与副后刀面相交处为副切削刃，前刀面与主后刀面相交处为主切屑刃，在前刀面与副后刀面靠近副切削刃设有阵列分布的凹坑，在前刀面与主后刀面靠近主切屑刃设有阵列分布的凹坑，相邻的凹坑之间相距0.5mm-1.5mm，凹坑阵列分布在距离主切削刃和副切削刃5mm宽的带状区域内，单个凹坑形状为小半球形，凹坑直径在100-300μm，凹坑深度1-30μm，凹坑间距0.5mm-1.5mm。
作为优选，所述约束层为4mm的K9玻璃，所述吸收层为0.08mm的铝箔。
一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置的加工方法，包括以下步骤：
1)首先，将高速钢切削刀具的前刀面、副后刀面和主后刀面抛光至镜面，然后用酒精清洗干净并干燥，前刀面、副后刀面和主后刀面上覆盖厚度为0.08mm的铝箔作为吸收层，约束层为4mm的K9玻璃；
2)其次，将高速钢切削刀具和K9玻璃安装在夹具上，设置纳秒激光器参数，激光波长532nm，单脉冲能量80～2000mJ，脉冲宽度8ns，重复频率1～10Hz，光斑直径0～1mm；
3)然后，通过数控控制移动工作平台，利用纳秒激光器在高速钢切削刀具表面加工出带状的微凹坑阵列。
本发明利用激光冲击技术冷加工的优势在高速钢刀具易发生磨损的区域，如靠近切削刃附近的前、后刀面上，加工出一些微凹坑阵列。激光微冲击后，刀具表面的硬度、微观组织性能得到了加强，而且微凹坑阵列可以捕捉切屑，储存润滑介质，从而降低了刀具切削过程中的磨损，提高刀具的使用寿命。
有益效果：本发明的高速钢切削刀具，通过在刀面上设有阵列分布的凹坑，微凹坑造型具有捕捉切屑的能力，而且可以储存润滑介质，能有效的减少摩擦，减缓刀具磨损，延长刀具使用寿命；一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置的加工方法，利用高能量、短脉冲的强激光作用于高速钢切削刀具，覆盖在表面上的吸收层吸收激光能量而汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量形成等离子而发生爆炸，并产生动量脉冲，在约束层的作用下向材料内部传播强冲击波，利用冲击波的冲击力作为材料的塑性变形力，实现材料表面的塑性变形，可以在工件表面产生规则的微凹坑造型，利用激光与材料的相互作用诱导冲击波压力进行金属材料表面改性，而且激光冲击同时具备冲击变形效应和冲击强化效应。
附图说明
图1为本发明的高速钢切削刀具结构示意图；
图2为本发明的激光冲击微造型的原理图；
图3为本发明加工高速钢切削刀具装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种高速钢切削刀具1，包含前刀面3、副后刀面5和主后刀面7，前刀面3与副后刀面5相交处为副切削刃4，前刀面3与主后刀面7相交处为主切屑刃2，主切屑刃2与副切削刃4相交处为刀尖6，在前刀面3与副后刀面5靠近副切削刃4设有阵列分布的凹坑14，在前刀面3与主后刀面7靠近主切屑刃设有阵列分布的凹坑14，相邻的凹坑14之间相距0.5mm-1.5mm，凹坑阵列8分布在距离主切削刃2和副切削刃45mm宽的带状区域内，单个凹坑14形状为小半球形，凹坑14直径在100-300μm，凹坑14深度1-30μm，凹坑14间距0.5mm-1.5mm。
一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置，包括工作台、纳秒激光器16和反光镜18，所述工作台上设有高速钢切削刀具1，高速钢切削刀具1通过夹具20固定在可移动的工作台上，纳秒激光器发出的激光束10经过反光镜18变向后经过聚焦透镜9照射在约束层11上，诱导产生冲击波13压力在高速钢刀具的表面加工出微凹坑造型，约束层11和待加工的高速钢切削刀具之间设有吸收层12，在本实施例中约束层11为4mm的K9玻璃21，所述吸收层12为0.08mm的铝箔22。
一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置的加工方法，刀具的材料为W9Mo3Cr4V高速钢，包括以下步骤：
1)首先，将高速钢切削刀具1的前刀面3、副后刀面5和主后刀面7抛光至镜面，然后用酒精清洗干净并干燥，前刀面3、副后刀面5和主后刀面7上覆盖厚度为0.08mm的铝箔22作为吸收层12，约束层11为4mm的K9玻璃21；
2)其次，将高速钢切削刀具1和K9玻璃21安装在夹具20上，设置纳秒激光器16参数，激光波长532nm，单脉冲能量1800mJ，脉冲宽度8ns，重复频率1～10Hz，光斑直径0～1mm。
3)然后，通过数控控制移动工作平台24，利用纳秒激光器16在高速钢切削刀具1表面加工出带状的微凹坑阵列8，通过数控编程，设计微凹坑阵列8分布情况，每个凹坑14间距0.4mm，凹坑阵列8分布在距离主切削刃2和副切削刃45mm宽的带状区域内；
4)最后，除去表面的铝箔22，用超声波清洗干净刀具表面，利用激光共聚焦显微镜测得微凹坑14直径约270μm，凹坑14深度约11μm。经后续测试发现，激光冲击区域的刀具表面最大产生了-217.5Mpa有益的残余压应力，微造型刀面的平均硬度也比未造型刀面的平均硬度提高了30％；同时在切削(冷却润滑条件下)对比实验中，切削条件相同的情况下，激光冲击后的刀具的主切削力约降低了22％，切削温度降低15％左右。刀具的前、后刀面更加耐磨，切削效率更高，激光冲击工艺后的高速钢刀具的切削性能得到了很大的改善。
本发明利用激光冲击引起的表面形变完全为力效应的优点，在刀具表面进行微造型。激光微冲击后带来的微观组织强化、表面硬度的提高以及有益的残余压应力分布，可以显著改善刀具表面的抗磨损性能。微凹坑造型具有捕捉切屑的能力，而且可以储存润滑介质，能有效的减少摩擦，减缓刀具磨损，延长刀具使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高速钢切削刀具表面微造型的加工装置，其特征在于：包括工作台、纳秒激光器和反光镜，所述工作台上设有待加工的高速钢切削刀具，高速钢切削刀具通过夹具固定在可移动的工作台上，纳米激光发出的激光束经过反光镜变向后经过聚焦透镜照射在约束层上，约束层和待加工的高速钢切削刀具之间设有吸收层；加工好的高速钢切削刀具包含前刀面、副后刀面和主后刀面，前刀面与副后刀面相交处为副切削刃，前刀面与主后刀面相交处为主切屑刃，在前刀面与副后刀面靠近副切削刃设有阵列分布的凹坑，在前刀面与主后刀面靠近主切屑刃设有阵列分布的凹坑，相邻的凹坑之间相距0.5mm-1.5mm，凹坑阵列分布在距离主切削刃和副切削刃5mm宽的带状区域内，单个凹坑形状为小半球形，凹坑直径在100-300μm，凹坑深度1-30μm，凹坑间距0.5mm-1.5mm；所述凹坑通过激光冲击冷加工加工而成。
2.根据权利要求1所述的高速钢切削刀具表面微造型的加工装置，其特征在于：所述约束层为4mm的K9玻璃，所述吸收层为0.08mm的铝箔。
3.一种权利要求1或2所述的高速钢切削刀具表面微造型的加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将高速钢切削刀具的前刀面、副后刀面和主后刀面抛光至镜面，然后用酒精清洗干净并干燥，前刀面、副后刀面和主后刀面上覆盖厚度为0.08mm的铝箔作为吸收层，约束层为4mm的K9玻璃；
2)将高速钢切削刀具和K9玻璃安装在夹具上，设置纳秒激光器参数，激光波长532nm，单脉冲能量80～2000mJ，脉冲宽度8ns，重复频率1～10Hz，光斑直径0～1mm；
3)通过数控控制移动工作平台，利用纳秒激光器在高速钢切削刀具表面加工出带状的微凹坑阵列，即为具有带状的微凹坑阵列的高速钢切削刀具。
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