CN107739814B - 一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，是采用脉冲激光束依次通过扩束透镜组、衰减片和聚焦透镜辐照数控刀具的刃口，辐照时间为1sec～10sec，辐照面积为1mm2～5mm2，用于产生脉冲激光束的激光器的功率为0.1W～2W，频率为1/sec～2000/sec，波长为600nm～900nm，所述脉冲激光束中单脉冲的脉宽为10‑9sec～10‑15sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10mJ/mm2，脉冲激光束总能量密度为0.1J/mm2～5J/mm2。本发明可明显地提高数控刀具刃口的耐用寿命，也就可节省更换数控刀具的工时，从而提高加工质量、提高工作效率和具有很高的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高刀具耐用寿命的方法。特别是涉及一种利用强脉冲激光束来辐照刀具刃口，对刀具刃口材料及其涂层与基体的界面进行改性的有效提高数控刀具耐用寿命的方法。
背景技术
数控刀具由切削部分与夹持部分组成。切削部分也称刃口，夹持部分又称刀杆。数控刀具材料是指切削部分的材料。用数控刀具切削金属时，直接承担切割工作的是数控刀具刃口的材料、数控刀具的几何参数及数控刀具结构的合理设计。
工件材料的发展，出现了很多新型不锈钢、耐热钢、高温合金、耐腐合金及航空航天工业中难加工材料，要求在数控加工中提高切削性能更好的数控刀具。
硬质合金数控刀具有着较好的耐热性、耐磨性以及抗氧化性。再在其基体上涂覆TiAIN等耐磨性高的高熔点金属或化合物，可使数控刀具耐用寿命增加，它在数控刀具中得到广泛应用。
这种带有涂层的数控刀具有一个普遍存在的缺点，就是在其涂层与基体的界面上，由于涂层材料与基体材料物理性质不同，所以它们的热学性质(包括热膨胀系数)与力学性质(包括杨氏模量)有很大差异，导致界面上发生突变，因而数控刀具在使用过程中，会在界面上发生应力集中而使涂层与基体发生部分开裂，甚至脱落，减少涂层的使用寿命。专利号：ZL201010149585.5.的发明专利[1]及相关研究[2，3]中解决了这个难题。它就是利用具有足够高的能量密度的强脉冲粒子束辐照涂层材料与基体材料，使它们在其界面上发生瞬时互熔，使界面上形成涂层材料元素与基体材料元素连续分布的过渡层。这样就消除了在界面上涂层材料与基体材料性质的突变,而只发生缓慢的渐变，其涂层与基体就会结合得很牢固而不会开裂而脱落。本发明主要利用这个原理来有效提高数控刀具的耐用寿命。
所有强脉冲粒子束，包括激光束、离子束、电子束，当脉冲宽度远远窄于1μs(10-6秒)，能量密度达0.1J/S至5J/S时，都宜用来对材料改性[4-9]。其中S为粒子束与材料的作用面积。离子束与电子束作用面积大，S为cm2,激光束与材料作用面积小，S为mm2。由于离子束与电子束带电，所以与材料作用深度只达μm数量级，而激光束不带电，所以与材料作用深度较深，可达mm数量级。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用强脉冲激光束来辐照数控刀具刃口，对数控刀具刃口材料及其涂层与基体的界面进行改性的有效提高数控刀具耐用寿命的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，是采用脉冲激光束依次通过扩束透镜组、衰减片和聚焦透镜辐照数控刀具的刃口，辐照时间为1sec～10sec，辐照面积为1mm2～5mm2，用于产生脉冲激光束的激光器的功率为0.1W～2W，频率为1/sec～2000/sec，波长为600nm～900nm，所述脉冲激光束中单脉冲的脉宽为10-9sec～10- 15sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10mJ/mm2，脉冲激光束总能量密度为0.1J/mm2～5J/mm2。
所述单脉冲能量密度d由下式得到：
d＝P/(f×S)
式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为激光束聚焦面积，单位mm2。
所述脉冲激光束总能量密度D由下式得到：
D＝d×f×t
式中，D为脉冲激光束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
在脉冲激光束总能量密度D一定时，所述的辐照面积与所述的辐照时间成正比。
本发明的一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，具有如下优点：
1、由于本发明的方法可明显地提高数控刀具刃口的耐用寿命，所以具有很高的经济效益。例如根据中航工业四川成发航空科技有限公司告知，该公司每年购买的进口数控刀具的费用，在严格控制下，仍要大大超过6000万元，所以经辐照处理后，仅仅是这一个公司每年约可节约进口数控刀具费用3000万元以上。
2、由于明显地延长了数控刀具的耐用寿命，就可节省更换数控刀具的工时，从而提高工作效率。
3、特别在精加工时，频繁更换数控刀具，会降低加工质量。
4、本发明容易实现产业化。
附图说明
图1是本发明有效提高数控刀具耐用寿命的方法的光路示意图。
图中
1：脉冲激光器 2：开关
3：扩束透镜组 4：衰减片
5：聚焦透镜 6：数控刀具
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法做出详细说明。
本发明的一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，具体是采用脉冲激光束依次通过扩束透镜组3、衰减片4和聚焦透镜5辐照数控刀具6的刃口，辐照时间为1sec～10sec，辐照面积为1mm2～5mm2，用于产生脉冲激光束的激光器的功率为0.1W～2W，频率为1/sec～2000/sec，波长为600nm～900nm，所述脉冲激光束中单脉冲的脉宽为10-9sec～10-15sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10mJ/mm2，脉冲激光束总能量密度为0.1J/mm2～5J/mm2。其中，
所述单脉冲能量密度d由下式得到：
d＝P/(f×S)
式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为激光束聚焦面积，单位mm2。
所述脉冲激光束总能量密度D由下式得到：
D＝d×f×t
式中，D为脉冲激光束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
在脉冲激光束总能量密度D一定时，所述的辐照面积与所述的辐照时间成正比。
本发明的一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，是从三方面来提高刀具刃口的耐用寿命的：
(1)在强脉冲激光束作用下，被辐照的数控刀具刃口上的涂层表面的晶粒被细化与纳米化，这样就提高了涂层的光洁度，减少了摩擦，降低了涂层磨损，从而增加涂层的耐用寿命[5-7]。
(2)在强脉冲激光束作用下，由于被辐照材料涂层表面晶粒的细化与纳米化，可提高材料的细微硬度，增加了数控刀具刃口材料的耐磨性，从而提高数控刀具的耐用寿命[7-9]。
(3)在强脉冲激光束作用下，使被辐照的数控刀具刃口的涂层材料与其基体材料的界面上发生瞬时互熔，使其在涂层与基体的界面上产生连续过渡层，这样就可以克服不同材料在其界面上局部开裂而脱落的缺陷，从而可提高涂层的耐用性，增加数控刀具刃口的耐用寿命[1-3]。
下面通过给出三个采用本发明方法辐照后的数控刀具的应用实例：
本发明具体实例中用来辐照数控刀具刃口的是北京中国科学院理化技术研究所飞秒激光加工实验室的飞秒激光器(Maitai HP Spitfire Ace)所产生的强脉冲飞秒激光束，飞秒激光器的参数为波长800nm，功率1W，单脉冲宽度120飞秒(1.2×10-13秒)，频率选1000Hz，聚焦面积选1mm2。对三个数控刀具刃口分别辐照1sec，2sec，3sec，辐照面积分别为1mm2，2mm2，3mm2，因此对三个数控刀具的每个刃口的多脉冲辐照的总能量密度均为1J/mm2。
强脉冲飞秒激光束辐照刀具样品的示意图如图1所示，脉冲激光器采用的是飞秒激光器，辐照波长是800nm，光束经开关之后进入扩束透镜组系统进行扩束，利用衰减片控制所需激光功率，扩束后的激光光束经透镜聚焦到样品台上。同时，采用一个半透半反镜将扩束后的光束进行分光，利用功率计同步测量所采用的功率。
本发明实例中使用的是进口的带涂层的硬质合金数控刀具，由中航工业四川成发航空科技有限公司机匣分厂提供。该数控刀具用来加工大型航空发动机燃烧室的外机匣，使用的车床为进口的数控立车斗山1600，工件材料为罗罗发动机公司的镍基高温合金。
采用单脉冲能量密度为1mJ/mm2，总能量密度为1J/mm2，辐照面积1mm2，对第一个数控刀具刃口进行辐照1sec。使用辐照后的该数控刀具加工机匣时，吃刀深度为2mm(粗加工)，转速为8转/min，给进速度为0.18mm/转。这时该数控刀具刃口的切削耐用寿命为78分钟，而在同一刀具上的未经辐照的刃口，在上述相同加工参数下，它的切削耐用寿命只有37分钟，所以经辐照处理的刃口的耐用寿命增加了1.1倍。
采用单脉冲能量密度为1mJ/mm2，总能量密度仍为1J/mm2，辐照面积为2mm2，对第二个数控刀具刃口进行辐照2sec。使用辐照后的该数控刀具加工机匣时，吃刀深度为0.5mm(精加工)，转速为8转/min，给进速度为0.18mm/转。这时该数控刀具刃口的切削耐用寿命为106分钟，而在同一刀具上的未经辐照的刃口，在相同加工参数下，它的切削耐用寿命只有55分钟，所以经辐照处理的刃口的耐用寿命增加了0.93倍。
采用单脉冲能量密度为1mJ/mm2，辐照的总能量密度仍为1J/mm2，辐照面积为3mm2，对第三个数控刀具刃口进行辐照3sec。使用辐照后的该数控刀具加工机匣时，加工参数与第二个刀具相同，这时辐照过的刃口的切削耐用寿命为102分钟，而在同一刀具上的未经辐照的刃口，在相同加工参数下，它的切削耐用寿命只有61分钟，所以经辐照处理的刃口的耐用寿命增加了0.67倍。
可见在不同条件下，用强脉冲激光束辐照数控刀具刃口之后，无论把它用于深加工或精加工，均可明显地提高其耐用寿命。
[1]梁家昌等，一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的涂层的方法，发明专利，专利号：ZL201010149585.5.
[2]J.C.Liang,et al.Preparation of Gradated Nano-Transient Layer atInterface between Deposited Film and Substrate by High-Intensity Pulsed IonBeam Irradiation,Surface Rev.&Lett.,2010,17:463-468.
[3]J.C.Liang,et al.Studies on Distribution of Element Contents inTransient Layer at Interface between Boron-Doped Diamond Film Electrode andTantalum Substrate,Appl.Surface Sci.,2011,257:6063-6067.
[4]V.A.Shulov,et al,Modification of the Properties of Aircraft EngineCompressor Blades by Intense Pulsed Ion Beams,Surface&Coating Tech,1997,96:39-44.
[5]Y.Hashimato,et al,Study on Smoothing of Titanium Surface by IPIBIrradiation,Vacuum,2000,59:313-320.
[6]X.X.Mei,et al,Microstructure and Wear Resistance of High-speedTool Steel Treated with IPIB,Nucl.Instr.and Meth.in Phys.Res.B,2005,239:152-158.
[7]A.J.Kurnetsov,et al.Nanostructure of Thin Gold Film by FemtosecondLasers,Appl.Phys.A Mater.Sci.Process,2009,2:221-230.
[8]W.T.Chen,et al.Fabrication of Three-Dimensional Plasmonic Cavityby Femtosecond Laser-Induced Forward Transfer,Opt.Expree,2013,21:618-625.
[9]钟昊玟等，强脉冲离子束辐照GH202镍基高温合金表面改性，中国表面工程，即将发表.
Claims (4)
1.一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，其特征在于，是采用脉冲激光束依次通过扩束透镜组(3)、衰减片(4)和聚焦透镜(5)辐照数控刀具(6)的刃口的涂层与基体的界面，辐照时间为1sec～10sec，辐照面积为1mm2～5mm2，用于产生脉冲激光束的激光器(1)的功率为0.1W～2W，频率为1/sec～2000/sec，波长为600nm～900nm，所述脉冲激光束中单脉冲的脉宽为10-9sec～10-15sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2～10mJ/mm2，脉冲激光束总能量密度为0.1J/mm2～5J/mm2。
2.根据权利要求1所述的一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，其特征在于，所述单脉冲能量密度d由下式得到：
d＝P/(f×S)
式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为激光束聚焦面积，单位mm2。
3.根据权利要求1所述的一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，其特征在于，所述脉冲激光束总能量密度D由下式得到：
D＝d×f×t
式中，D为脉冲激光束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
4.根据权利要求1所述的一种有效提高数控刀具耐用寿命的方法，其特征在于，在脉冲激光束总能量密度D一定时，所述的辐照面积与所述的辐照时间成正比。
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