CN111299869A - 一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法 - Google Patents
一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，该方法将未处理的Al2O3陶瓷片样品在无水乙醇溶液中超声清洗吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片；将Al2O3陶瓷片均等份依次划分成若干个微凹坑阵列区域单元，通过激光扫描在每个凹坑阵列区域单元中加工出呈阵列分布的微凹坑，将激光处理完后的Al2O3陶瓷片超声清洗，将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄。本发明制备得到梯度亲切削液Al2O3陶瓷刀具对提高刀具材料的切削性能，增强刀具散热性，减小摩擦，延长刀具的使用寿命以及保持表面化学性质稳定。
Description
技术领域
本发明涉及金属陶瓷刀具技术领域，具体而言，涉及一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法。
背景技术
目前，微纳加工梯度功能陶瓷刀具的方法主要有：溶胶—凝胶法、刻蚀法、层层自组装法和电纺丝技术。其中，溶胶—凝胶法存在成本高、生产流程复杂、生产过程慢、精度较低及污染环境等问题；层层自组装法虽然是根据聚合物分子的极性不同，通过静电交互作用和氢键键合，在物质表面形成化学结构可控、厚度为分子量级的薄膜，但是层层自组装法所用的时间较长且稳定性较差；电纺丝技术目前存在生产效率低、所制的纳米纤维强力偏低等问题。
激光刻蚀的方法是一种非接触式的数字化加工方式，它具有如下优势：制备过程中激光扫描头与基底不接触，避免了激光头的损坏，对基底表面不产生压力，提高了制备稳定性和精度；加工过程简单、可加工材料广泛、可加工复杂结构的微纳表面，因此是一种极为灵活的加工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，使Al2O3陶瓷刀具通过简单、快捷、加工效率高、对环境无污染的方式来获得梯度亲切削液表面并且表面化学性质保持不变，同时所制得的表面对提高刀具材料的切削性能、刀具散热性好、增加刀具表面的润湿性和减小摩擦具有重要作用，并且可以提高刀具的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，包括如下步骤：
步骤S1.将未处理的Al2O3陶瓷片样品在无水乙醇溶液中超声清洗，再用清水清洗表面使其表面无污染杂质，然后吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片；
步骤S2.将清洁后的Al2O3陶瓷片均等份依次划分成若干个微凹坑阵列区域单元，利用飞秒激光加工技术，将样品放入加工平台；
步骤S3.通过激光扫描在每个凹坑阵列区域单元中加工出呈阵列分布的微凹坑，微凹坑阵列区域单元中的微凹坑分布密度逐渐增大；
步骤S4.将激光处理完后的Al2O3陶瓷片样品放入无水乙醇溶液中超声清洗，然后吹风机吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片样品；
步骤S5.将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄。
进一步，在上述步骤S3中，每个微凹坑阵列区域单元中的呈阵列分布的微凹坑行间距与列间距相同。
进一步，所述微凹坑行间距与列间距为250～500μm。
进一步，所述微凹坑为直径为30μm的圆形凹坑。
进一步，所述步骤S3中激光平均功率的变化范围约为1～15W，脉冲频率变化范围为10～200kHz，单脉冲能量的变化范围10～75μJ，激光的扫描速度在1～1000mm/s。
进一步，所述步骤S3中激光扫描的具体方法是所述飞秒激光通过双轴振镜系统和平场透镜，扫描次数为一次，振镜扫描速度以680mm/s的速度逐行逐列刻蚀所述Al2O3陶瓷片样品表面，所述的超快激光器平均功率约为13.25W，脉冲频率为200kHz，单脉冲能量为66μJ。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
1.本发明使用的材料为Al2O3陶瓷，具有硬度和耐磨性高、高温性能好、抗粘结性能和较高的抗蠕变能力、摩擦系数低的优良性质，可以将其用于梯度亲切削液陶瓷刀具的制备。
2.本发明的制备方法工艺简单，加工效率高，绿色环保，不采用任何化学试剂涂层，对环境无污染易于实现工业应用。
3.本发明制备得到梯度亲切削液Al2O3陶瓷刀具对提高刀具材料的切削性能，增强刀具散热性，减小摩擦，延长刀具的使用寿命以及保持表面化学性质稳定。
附图说明
图1为本发明实施例中陶瓷刀具表面加工示意图；
图2为本发明微凹坑阵列区域单元划分示意图；
图3为本发明实施例中陶瓷刀具原始接触角角度示意图；
图4为本发明实施例1中不同区域的接触角角度示意图；。
图5为本发明实施例1中不同时间的陶瓷刀具表面液滴的运动状态；
图6为本发明实施例2中不同时间的陶瓷刀具表面液滴的运动状态；
图7为本发明为凹坑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1-7所示，本申请实施例提供了一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，包括如下步骤：
步骤S1.将未处理的Al2O3陶瓷片样品在无水乙醇溶液中超声清洗，再用清水清洗表面使其表面无污染杂质，然后吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片；
步骤S2.将清洁后的Al2O3陶瓷片均等份依次划分成若干个微凹坑阵列区域单元，利用飞秒激光加工技术，将样品放入加工平台；
步骤S3.通过激光扫描在每个凹坑阵列区域单元中加工出呈阵列分布的微凹坑，微凹坑阵列区域单元中的微凹坑分布密度逐渐增大；
步骤S4.将激光处理完后的Al2O3陶瓷片样品放入无水乙醇溶液中超声清洗，然后吹风机吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片样品；
步骤S5.将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄。
在上述实施例中，进一步优选，步骤S3中每个微凹坑阵列区域单元中的呈阵列分布的微凹坑行间距与列间距相同，且微凹坑行间距与列间距为250～500μm。微凹坑为直径为30μm的圆形凹坑。
再进一步优选的，激光平均功率的变化范围约为1～15W，脉冲频率变化范围为10～200kHz，单脉冲能量的变化范围10～75μJ，激光的扫描速度在1～1000mm/s。步骤S3中激光扫描的具体方法是所述飞秒激光通过双轴振镜系统和平场透镜，扫描次数为一次，振镜扫描速度以680mm/s的速度逐行逐列刻蚀所述Al2O3陶瓷片样品表面，所述的超快激光器平均功率约为13.25W，脉冲频率为200kHz，单脉冲能量为66μJ。
实施例1
本实施例的一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，包括如下步骤：
步骤S1.将未处理的Al2O3陶瓷片样品在无水乙醇溶液中超声清洗，超声频率为35kHz，无水乙醇溶液应将Al2O3陶瓷片样品表面淹没，再用清水清洗表面使其表面无污染杂质，然后吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片；
在上述步骤S1中，选用总长L＝6000μm，宽度为H＝2000μm的Al2O3陶瓷片。
步骤S2.将清洁后的Al2O3陶瓷片均等份依次划分成6个微凹坑阵列区域单元，每个微凹坑阵列区域单元的参数为，长l＝1000μm,宽H＝2000μm，利用飞秒激光加工技术，将样品放入加工平台；
步骤S3.通过激光扫描在每个微凹坑阵列区域单元中加工出呈阵列分布的微凹坑，微凹坑阵列区域单元中的微凹坑分布密度逐渐增大；
在步骤S3中，每个微凹坑阵列区域单元的间距设定为行间距与列间距分别为Dx＝Dy，扫描区域为直径d＝30μm的圆形，逐渐增大微凹坑分布密度，构建表面微结构梯度。，从第一个微凹坑阵列区域单元到第六个微凹坑阵列区域单元陶瓷表面微凹坑间距依次为Dx＝Dy＝500，450，400，350，300，250μm，
所述飞秒激光为高斯分布的光束通过双轴振镜系统和平场透镜，平场透镜焦距为75.51mm，激光光束直径为22μm，扫描次数为一次，振镜扫描速度以680mm/s的速度逐行逐列刻蚀所述Al2O3陶瓷片样品表面。所述的超快激光器波长为1030nm，脉宽为480fs，平均功率约为13.25W，脉冲频率为200kHz，单脉冲能量为66μJ。
步骤S4.将激光处理完后的Al2O3陶瓷片样品放入无水乙醇溶液中超声清洗，然后吹风机吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片样品；
步骤S5.将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄；
在步骤S5中，将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄，利用水平调节台保证样品的水平度，使高速相机和样品保持同一高度，拍摄液滴铺展过程，最后将录像传输到计算机进行分析，切削液体积为8μL,测试温度为23℃，湿度为20％RH。将液滴滴入激光扫描后的Al2O3陶瓷片样品表面，采用接触式滴液的方法。
在上述步骤S1中，如图3所示，测量得到陶瓷刀具原始接触角角度38.5°，经过上述方法处理后，如图4所示，图4(a)-4(f)分别为六个微凹坑阵列区域单元中接触角角度示意图，依次为30°、25.6°、18.3°、16°、10°、0°。
如图5所示，图5(a)为0ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，图5(b)为40ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，图5(c)为200ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，图5(d)为320ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，所测结果，在40ms的时铺展距离相远,随着时间的推移，在320ms时，切削液已经完全铺展在Al2O3陶瓷片样品表面，因此可以说此时的Al2O3陶瓷片样品表面为梯度亲水性切削液表面。将样品放置在常温常湿的环境下60天后再次测得上述实验结果，因此可以说明加工后的表面样品稳定性良好。
实施例2
本实施例的一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，包括如下步骤：
步骤S1.将未处理的Al2O3陶瓷片样品在无水乙醇溶液中超声清洗，超声频率为35kHz，无水乙醇溶液应将Al2O3陶瓷片样品表面淹没，再用清水清洗表面使其表面无污染杂质，然后吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片；
在上述步骤S1中，选用总长L＝6000μm，宽度为H＝2000μm的Al2O3陶瓷片。
步骤S2.将清洁后的Al2O3陶瓷片均等份依次划分成6个微凹坑阵列区域单元，每个微凹坑阵列区域单元的参数为，长l＝1000μm,宽H＝2000μm，利用飞秒激光加工技术，将样品放入加工平台；
步骤S3.通过激光扫描在每个微凹坑阵列区域单元中加工出呈阵列分布的微凹坑，微凹坑阵列区域单元中的微凹坑分布密度逐渐增大；
在步骤S3中，每个微凹坑阵列区域单元的间距设定为行间距与列间距分别为Dx＝Dy，扫描区域为直径d＝30μm的圆形，逐渐增大微凹坑分布密度，构建表面微结构梯度。，从第一个微凹坑阵列区域单元到第六个微凹坑阵列区域单元陶瓷表面微凹坑间距依次为Dx＝Dy＝400μm,370μm,340μm,310μm,280μm,250μm
所述飞秒激光为高斯分布的光束通过双轴振镜系统和平场透镜，平场透镜焦距为75.51mm，激光光束直径为22μm，扫描次数为一次，振镜扫描速度以680mm/s的速度逐行逐列刻蚀所述Al2O3陶瓷片样品表面。所述的超快激光器波长为1030nm，脉宽为480fs，平均功率约为13.25W，脉冲频率为200kHz，单脉冲能量为66μJ。
步骤S4.将激光处理完后的Al2O3陶瓷片样品放入无水乙醇溶液中超声清洗，然后吹风机吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片样品；
步骤S5.将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄；
在步骤S5中，将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄，利用水平调节台保证样品的水平度，使高速相机和样品保持同一高度，拍摄液滴铺展过程，最后将录像传输到计算机进行分析，切削液体积为8μL,测试温度为23℃，湿度为20％RH。将液滴滴入激光扫描后的Al2O3陶瓷片样品表面，采用接触式滴液的方法。
在上述步骤S1中，测量得到陶瓷刀具原始接触角角度38.5°，经过上述方法处理后，六个微凹坑阵列区域单元中接触角角度依次为20.4°、17.5°、16.1°、10.4°、8.8°、0°。
如图6所示，图6(a)为0ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，图6(b)为40ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，图6(c)为200ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，图6(d)为320ms时陶瓷刀具表面液滴的运动状图，所测结果，在40ms的时铺展距离相远。随着时间的推移，在320ms时，切削液已经完全铺展在Al2O3陶瓷片样品表面。因此可以说此时的Al2O3陶瓷片样品表面为梯度亲水性切削液表面。将样品放置在常温常湿的环境下60天后再次测得上述实验结果，因此可以说明加工后的表面样品稳定性良好。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (6)
1.一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1.将未处理的Al2O3陶瓷片样品在无水乙醇溶液中超声清洗，再用清水清洗表面使其表面无污染杂质，然后吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片；
步骤S2.将清洁后的Al2O3陶瓷片均等份依次划分成若干个微凹坑阵列区域单元，利用飞秒激光加工技术，将样品放入加工平台；
步骤S3.通过激光扫描在每个凹坑阵列区域单元中加工出呈阵列分布的微凹坑，微凹坑阵列区域单元中的微凹坑分布密度逐渐增大；
步骤S4.将激光处理完后的Al2O3陶瓷片样品放入无水乙醇溶液中超声清洗，然后吹风机吹干，得到清洁的Al2O3陶瓷片样品；
步骤S5.将清洁的Al2O3陶瓷片样品进行高速摄像机拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，其特征在于：在上述步骤S3中，每个微凹坑阵列区域单元中的呈阵列分布的微凹坑行间距与列间距相同。
3.根据权利要求2所述的一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，其特征在于：所述微凹坑行间距与列间距为250～500μm。
4.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，其特征在于：所述微凹坑为直径为30μm的圆形凹坑。
5.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，其特征在于：所述步骤S3中激光平均功率的变化范围约为1～15W，脉冲频率变化范围为10～200kHz，单脉冲能量的变化范围10～75μJ，激光的扫描速度在1～1000mm/s。
6.根据权利要求5所述的一种利用飞秒激光加工梯度亲水性切削液Al2O3陶瓷刀具的方法，其特征在于：所述步骤S3中激光扫描的具体方法是所述飞秒激光通过双轴振镜系统和平场透镜，扫描次数为一次，振镜扫描速度以680mm/s的速度逐行逐列刻蚀所述Al2O3陶瓷片样品表面，所述的超快激光器平均功率约为13.25W，脉冲频率为200kHz，单脉冲能量为66μJ。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200619 |
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