高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種刀具表面處理的加工方法，具體涉及一種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著制造業(yè)的發(fā)展，切削加工向著高速、智能、環(huán)保的方向拓展，而刀具的性能對切削加工的效率、精度和表面質(zhì)量又有著決定性的影響。金屬切削刀具的切削性與其幾何參數(shù)有非常重要的關(guān)系，但能夠決定刀具材料切削性能的是其本身的強度和韌性、硬度和耐磨性、耐熱性等。但是前、后刀面的磨損是其最主要的失效形式。作為機械加工中常用的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，高速鋼刀具要有良好的減摩性能，減小切削過程中粘附力，保證切削力的穩(wěn)定與加工件的表面質(zhì)量；又要有良好的耐磨性能，保證工件的尺寸精度和刀具的使用壽命。
[0003]目前，有關(guān)提高刀具耐磨性能和延長使用壽命的方法有很多。涂層技術(shù)可以提高刀具的耐磨性而不降低其韌性，隨著對刀具切削性能要求的不斷提高，要求涂層材料的硬度高，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，但制備符合要求的涂層存在工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求高，周期較長，生產(chǎn)成本高等缺點。中國專利“申請?zhí)?202010446252.8”報道了一種刀具表面復(fù)合造型處理方法及其裝置，通過激光熱效應(yīng)制造三種微織構(gòu)形貌改善刀具的表面性能，延長了刀具壽命。中國專利“申請?zhí)?201410700926.1”報道了一種雙光束激光熔覆刀具的加工方法，利用激光熱效應(yīng)進(jìn)行加工，會對材料有微觀汽化和燒蝕作用，破壞了材料表面的完整性。中國專利“申請?zhí)?20101010124734.2”報道了微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法，只是針對鋁合金材料切削加工難的問題，在刀具表面進(jìn)行微/納復(fù)合織構(gòu)制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置及其加工方法，激光微沖擊后刀具表面帶來微觀組織強化、表面硬度的提高以及有益的殘余壓應(yīng)力分布，可以顯著改善刀具表面的抗磨損性能。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置，包括工作臺、納秒激光器和反光鏡，所述工作臺上設(shè)有待加工的高速鋼切削刀具，高速鋼切削刀具通過夾具固定在可移動的工作臺上，納米激光發(fā)出的激光束經(jīng)過反光鏡變向后經(jīng)過聚焦透鏡照射在約束層上，約束層和待加工的高速鋼切削刀具之間設(shè)有吸收層；加工好的高速鋼切削刀具包含前刀面、副后刀面和主后刀面，前刀面與副后刀面相交處為副切削刃，前刀面與主后刀面相交處為主切肩刃，在前刀面與副后刀面靠近副切削刃設(shè)有陣列分布的凹坑，在前刀面與主后刀面靠近主切肩刃設(shè)有陣列分布的凹坑，相鄰的凹坑之間相距0.5mm-l.5mm，凹坑陣列分布在距離主切削刃和副切削刃5mm寬的帶狀區(qū)域內(nèi)，單個凹坑形狀為小半球形，凹坑直徑在100-300 μ m,凹坑深度1-30 μ m,凹坑間距0.5mm-1.5mm。
[0006]作為優(yōu)選，所述約束層為4mm的K9玻璃，所述吸收層為0.08mm的招箔。
[0007]一種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置的加工方法，包括以下步驟:
[0008]I)首先，將高速鋼切削刀具的前刀面、副后刀面和主后刀面拋光至鏡面，然后用酒精清洗干凈并干燥，前刀面、副后刀面和主后刀面上覆蓋厚度為0.08mm的鋁箔作為吸收層，約束層為4mm的K9玻璃；
[0009]2)其次，將高速鋼切削刀具和K9玻璃安裝在夾具上，設(shè)置納秒激光器參數(shù)，激光波長532nm，單脈沖能量80?2000mJ，脈沖寬度8ns，重復(fù)頻率I?10Hz，光斑直徑O?Imm ；
[0010]3)然后，通過數(shù)控控制移動工作平臺，利用納秒激光器在高速鋼切削刀具表面加工出帶狀的微凹坑陣列。
[0011]本發(fā)明利用激光沖擊技術(shù)冷加工的優(yōu)勢在高速鋼刀具易發(fā)生磨損的區(qū)域，如靠近切削刃附近的前、后刀面上，加工出一些微凹坑陣列。激光微沖擊后，刀具表面的硬度、微觀組織性能得到了加強，而且微凹坑陣列可以捕捉切肩，儲存潤滑介質(zhì)，從而降低了刀具切削過程中的磨損，提高刀具的使用壽命。
[0012]有益效果:本發(fā)明的高速鋼切削刀具，通過在刀面上設(shè)有陣列分布的凹坑，微凹坑造型具有捕捉切肩的能力，而且可以儲存潤滑介質(zhì)，能有效的減少摩擦，減緩刀具磨損，延長刀具使用壽命；一種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置的加工方法，利用高能量、短脈沖的強激光作用于高速鋼切削刀具，覆蓋在表面上的吸收層吸收激光能量而汽化，汽化后的蒸汽急劇吸收激光能量形成等離子而發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生動量脈沖，在約束層的作用下向材料內(nèi)部傳播強沖擊波，利用沖擊波的沖擊力作為材料的塑性變形力，實現(xiàn)材料表面的塑性變形，可以在工件表面產(chǎn)生規(guī)則的微凹坑造型，利用激光與材料的相互作用誘導(dǎo)沖擊波壓力進(jìn)行金屬材料表面改性，而且激光沖擊同時具備沖擊變形效應(yīng)和沖擊強化效應(yīng)。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的尚速鋼切削刀具結(jié)構(gòu)不意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的激光沖擊微造型的原理圖；
[0015]圖3為本發(fā)明加工高速鋼切削刀具裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明的一種高速鋼切削刀具1，包含前刀面3、副后刀面5和主后刀面7，前刀面3與副后刀面5相交處為副切削刃4，前刀面3與主后刀面7相交處為主切肩刃2，主切肩刃2與副切削刃4相交處為刀尖6，在前刀面3與副后刀面5靠近副切削刃4設(shè)有陣列分布的凹坑14，在前刀面3與主后刀面7靠近主切肩刃設(shè)有陣列分布的凹坑14，相鄰的凹坑14之間相距0.5mm-l.5mm，凹坑陣列8分布在距離主切削刃2和副切削刃45mm寬的帶狀區(qū)域內(nèi)，單個凹坑14形狀為小半球形，凹坑14直徑在100-300 μ m，凹坑14深度1-30 μ m，凹坑 14 間距 0.5mm-l.5mm。
[0018]—種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置，包括工作臺、納秒激光器16和反光鏡18，所述工作臺上設(shè)有高速鋼切削刀具1，高速鋼切削刀具I通過夾具20固定在可移動的工作臺上，納秒激光器發(fā)出的激光束10經(jīng)過反光鏡18變向后經(jīng)過聚焦透鏡9照射在約束層11上，誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波13壓力在高速鋼刀具的表面加工出微凹坑造型，約束層11和待加工的高速鋼切削刀具之間設(shè)有吸收層12，在本實施例中約束層11為4mm的K9玻璃21，所述吸收層12為0.08mm的鋁箔22。
[0019]—種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置的加工方法，刀具的材料為W9Mo3Cr4V高速鋼，包括以下步驟:
[0020]I)首先，將高速鋼切削刀具I的前刀面3、副后刀面5和主后刀面7拋光至鏡面，然后用酒精清洗干凈并干燥，前刀面3、副后刀面5和主后刀面7上覆蓋厚度為0.08mm的鋁箔22作為吸收層12，約束層11為4mm的K9玻璃21 ;
[0021]2)其次，將高速鋼切削刀具I和K9玻璃21安裝在夾具20上，設(shè)置納秒激光器16參數(shù)，激光波長532nm，單脈沖能量1800mJ，脈沖寬度8ns，重復(fù)頻率I?10Hz，光斑直徑O?Imm0
[0022]3)然后，通過數(shù)控控制移動工作平臺24，利用納秒激光器16在高速鋼切削刀具I表面加工出帶狀的微凹坑陣列8，通過數(shù)控編程，設(shè)計微凹坑陣列8分布情況，每個凹坑14間距0.4mm，凹坑陣列8分布在距離主切削刃2和副切削刃45mm寬的帶狀區(qū)域內(nèi)；
[0023]4)最后，除去表面的鋁箔22，用超聲波清洗干凈刀具表面，利用激光共聚焦顯微鏡測得微凹坑14直徑約270 μ m，凹坑14深度約11 μ m。經(jīng)后續(xù)測試發(fā)現(xiàn)，激光沖擊區(qū)域的刀具表面最大產(chǎn)生了 -217.5Mpa有益的殘余壓應(yīng)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% ;同時在切削(冷卻潤滑條件下)對比實驗中，切削條件相同的情況下，激光沖擊后的刀具的主切削力約降低了 22%，切削溫度降低15%左右。刀具的前、后刀面更加耐磨，切削效率更高，激光沖擊工藝后的高速鋼刀具的切削性能得到了很大的改善。
[0024]本發(fā)明利用激光沖擊引起的表面形變完全為力效應(yīng)的優(yōu)點，在刀具表面進(jìn)行微造型。激光微沖擊后帶來的微觀組織強化、表面硬度的提高以及有益的殘余壓應(yīng)力分布，可以顯著改善刀具表面的抗磨損性能。微凹坑造型具有捕捉切肩的能力，而且可以儲存潤滑介質(zhì)，能有效的減少摩擦，減緩刀具磨損，延長刀具使用壽命。
[0025]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置，其特征在于:包括工作臺、納秒激光器和反光鏡，所述工作臺上設(shè)有待加工的高速鋼切削刀具，高速鋼切削刀具通過夾具固定在可移動的工作臺上，納米激光發(fā)出的激光束經(jīng)過反光鏡變向后經(jīng)過聚焦透鏡照射在約束層上，約束層和待加工的高速鋼切削刀具之間設(shè)有吸收層；加工好的高速鋼切削刀具包含前刀面、副后刀面和主后刀面，前刀面與副后刀面相交處為副切削刃，前刀面與主后刀面相交處為主切肩刃，在前刀面與副后刀面靠近副切削刃設(shè)有陣列分布的凹坑，在前刀面與主后刀面靠近主切肩刃設(shè)有陣列分布的凹坑，相鄰的凹坑之間相距0.5mm-l.5mm，凹坑陣列分布在距離主切削刃和副切削刃5mm寬的帶狀區(qū)域內(nèi)，單個凹坑形狀為小半球形，凹坑直徑在 100-300 μ m，凹坑深度 1-30 μ m，凹坑間距 0.5mm-1.5mm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置，其特征在于:所述約束層為4mm的K9玻璃，所述吸收層為0.08mm的鋁箔。3.—種權(quán)利要求1或2所述的高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置的加工方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將高速鋼切削刀具的前刀面、副后刀面和主后刀面拋光至鏡面，然后用酒精清洗干凈并干燥，前刀面、副后刀面和主后刀面上覆蓋厚度為0.08mm的鋁箔作為吸收層，約束層為4mm的K9玻璃； 2)將高速鋼切削刀具和K9玻璃安裝在夾具上，設(shè)置納秒激光器參數(shù)，激光波長532nm，單脈沖能量80?2000mJ，脈沖寬度8ns，重復(fù)頻率I?10Hz，光斑直徑O?Imm ； 3)通過數(shù)控控制移動工作平臺，利用納秒激光器在高速鋼切削刀具表面加工出帶狀的微凹坑陣列，即為高速鋼切削刀具。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速鋼切削刀具表面微造型的加工裝置及其加工方法，該裝置包括工作臺、納秒激光器和反光鏡，工作臺上設(shè)有高速鋼切削刀具，高速鋼切削刀具通過夾具固定在可移動的工作臺上，納米激光發(fā)出的激光束經(jīng)過反光鏡變向后經(jīng)過聚焦透鏡照射在約束層上，加工好的刀具包含前刀面、副后刀面和主后刀面，前刀面與副后刀面相交處為副切削刃，前刀面與主后刀面相交處為主切屑刃，在前刀面與副后刀面靠近副切削刃設(shè)有陣列分布的凹坑，在前刀面與主后刀面靠近主切屑刃設(shè)有陣列分布的凹坑。本發(fā)明的微凹坑造型具有捕捉切屑的能力，而且可以儲存潤滑介質(zhì)，能有效的減少摩擦，減緩刀具磨損，延長刀具使用壽命。
【IPC分類】B23K26/352, B23K26/18
【公開號】CN104999182
【申請?zhí)枴緾N201510400022
【發(fā)明人】樊玉杰, 戴毅斌, 郭二彬, 徐家樂
【申請人】江蘇科技大學(xué)
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月9日