陳俊云，劉德輝，張圣康，靳田野,*，趙智勝

(1.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學 亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

金剛石作為自然界硬度最高、耐磨性最好的材料，同時具有較高熱傳導率和較低熱膨脹系數(shù)，且良好的化學穩(wěn)定性等[1-2]，因而被公認為是超精密切削和微切削加工的理想刀具材料[3-4]。

隨著微型化結構表面、裝置、器械等在計算機、通訊、消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療和能源等領域的發(fā)展，微結構功能表面及微型器件的應用越來越廣泛[5-6]。在微加工中應用金剛石微銑刀的微銑削技術逐漸體現(xiàn)出不可替代性，因其在微小尺度及復雜幾何表面能夠達到較高的加工精度和表面完整度[7-9]。然而以微量切削、復雜加工輪廓為特征的金剛石微銑削技術對微銑刀的材料性能、幾何精度和切削刃鋒利度的要求較高，因此，近年來金剛石微銑刀制造技術的研究備受關注[10]。常用的金剛石類微銑刀材料包括單晶金剛石(Single Crystal Diamond，SCD)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposited,CVD)金剛石和含有結合劑的聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond,PCD)。其中，多晶類CVD金剛石和PCD刀具材料的硬度低于單晶金剛石，而且因其切削刃鈍圓半徑的最小單元受限于其晶粒尺寸，多晶類金剛石刀具難以被加工至如單晶金剛石刀具一般鋒利。因此，單晶金剛石材料的微銑刀較其它種類的金剛石具有更大的優(yōu)勢。但是，由于單晶金剛石材料的硬度和耐磨性高，且微銑刀的尺寸較小，使用傳統(tǒng)的機械加工方法制備單晶金剛石微銑刀十分困難。

脈沖激光加工法作為一種非接觸式加工手段，具有光斑尺寸小、無工具磨損和不受工件材料種類及其表面形狀限制的特點，非常適用于金剛石微銑刀的制造[11-12]。其中，相比于其它脈沖激光，飛秒激光能夠高效地實現(xiàn)對金剛石表層材料的去除，同時其“冷加工”特性能夠顯著降低激光熱效應對金剛石表面帶來的損傷(如石墨化、非晶化、微裂紋等)，從而獲得較高的加工形狀精度和表面粗糙度[13-14]。研究顯示，飛秒激光加工納米晶金剛石材料表面的表面粗糙度Ra可以低至22 nm，表面誘導非晶層厚度小于50 nm[15]。但是，目前飛秒激光大多被用于金剛石工具表面或切削刃的微結構化加工，如Zhao等人[16]采用脈沖寬度50 fs的飛秒激光制備了CVD金剛石多種微陣列切削刃；Yin等人[17]采用脈沖寬度250 fs的飛秒激光制備了具有正前角的微結構單晶金剛石磨削工具；Qu等人[18]采用脈沖寬度250 fs的飛秒激光制備了微結構化CVD金剛石砂輪。而目前使用飛秒激光制造單晶金剛石微銑刀的研究較少。

綜上，為了發(fā)展基于飛秒激光的單晶金剛石微銑刀制造技術，拓展單晶金剛石微銑刀的應用，本文研究了飛秒激光燒蝕單晶金剛石的材料去除機理及其針對微銑刀的加工工藝，以探索具有高表面質(zhì)量和高鋒利度的單晶金剛石微銑刀制造技術。此外，還使用制備完成的單晶金剛石微銑刀進行了金屬切削測試，以評價飛秒激光所制備單晶金剛石微銑刀的切削性能。

1 實驗設備和樣品

飛秒激光加工系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。其中，光源介質(zhì)為Yb:KGW，脈沖寬度222 fs，波長1 030 nm，脈沖重復頻率50 kHz，對應最大單脈沖能量200 μJ。聚焦透鏡的數(shù)值孔徑為0.39，激光功率由電子功率單元控制。運動系統(tǒng)采用 Aerotech公司生產(chǎn)的 ABL1500空氣軸承直驅(qū)式五軸微位移平臺，移動精度0.1 μm，在X/Y/Z(分別對應X/Y/Z軸)方向上有3個平行移動自由度，以及繞Y/Z(分別對應B/C軸)方向的兩個轉(zhuǎn)動自由度。CCD成像單元可以對加工過程進行實時觀測。將尺寸為2.1 mm×2.1 mm×1 mm的單晶金剛石樣品固定到五軸微位移平臺上，對金剛石進行數(shù)控加工。

銑削實驗裝置采用的是NanoWave公司生產(chǎn)的三軸高精密數(shù)控銑床(型號：MTS5R)，如圖2所示。該銑床主軸轉(zhuǎn)速最高可達80 000 r/min，主軸徑向跳動小于1 μm。進給速度可以在0.1 mm/min到6 000 mm/min之間進行調(diào)節(jié)，重復定位精度2 μm，移動分辨率為0.1 μm。銑削材料為T2紫銅，尺寸為100 mm×25 mm×2 mm。

圖2 微銑床的實物圖Fig.2 Photo of the micromilling machine

2 燒蝕機理及工藝研究

2.1 燒蝕閾值的計算

燒蝕閾值是激光對材料實現(xiàn)去除的最小能量密度，直接影響著激光加工的燒蝕機理和加工參數(shù)選擇。針對單晶金剛石的飛秒激光燒蝕，其閾值測量方法采用“直徑回歸法”，燒蝕孔直徑D和激光平均功率P的關系為[19]

(1)

式中，ω0為激光光斑半徑，f為脈沖重復頻率，φh為材料燒蝕閾值。由式(1)可知燒蝕孔直徑的平方與平均功率的自然對數(shù)(D2-lnP)成正相關，因此利用不同功率進行打孔實驗，并測量燒蝕孔徑，則可以計算出單晶金剛石的燒蝕閾值和閾值功率。

飛秒激光實際加工過程中，燒蝕過程是多脈沖累積作用的結果，實驗隨著脈沖個數(shù)的增加，燒蝕閾值將會趨于一個定值，即飽和閾值[20]。通過多脈沖打孔實驗，測量燒蝕孔直徑，可以得到不同脈沖個數(shù)下燒蝕單晶金剛石表面微孔的D2-lnP曲線，如圖3所示。通過對D2-lnP曲線的線性擬合，可以計算出相應的多脈沖燒蝕閾值和閾值功率。如表1所示，多脈沖的燒蝕閾值隨脈沖數(shù)的增加而減小，且當脈沖數(shù)增加至高于500時，燒蝕閾值的變化趨勢逐漸變緩，進一步增加脈沖個數(shù)，可發(fā)現(xiàn)飽和閾值接近1 J/cm2。

圖3 多脈沖燒蝕閾值的擬合結果Fig.3 Fitting results of multi-pulse ablation threshold

表1 多脈沖燒蝕閾值和閾值功率Tab.1 Multi-pulse ablation threshold and threshold power

2.2 燒蝕機理的分析

使用掃描電子顯微鏡(SEM)對不同功率下飛秒激光單點燒蝕單晶金剛石的表面進行形貌檢測。在燒蝕平均功率為50 mW(100個脈沖)時，燒蝕微孔形貌如圖4(a)所示。由于能量密度較低，低功率燒蝕的微孔形貌完好，無缺陷，微孔內(nèi)部僅存在正常的波紋狀激光誘導周期性微結構[21]。其中，微孔中心區(qū)域生成了低頻率周期性波紋狀微結構，而其邊緣生成的是高頻率周期性波紋狀微結構。這是由于飛秒激光束的能量在空間內(nèi)呈高斯分布，光束中心的能量密度高于光束邊緣，更容易使表層材料實現(xiàn)快速升華，材料去除率較高；而光束邊緣的能量密度較低，在低功率的條件下，能量密度接近燒蝕閾值材料去除以快速熔化及汽化為主，材料去除率低。因此，使用低功率的飛秒激光燒蝕單晶金剛石時，材料去除機理包括燒蝕中心區(qū)域的快速升華和燒蝕邊緣區(qū)域的快速熔化及汽化。

圖4 單晶金剛石表面燒蝕微孔形貌Fig.4 Morphology of ablation micro-holeson SCD surface

隨著激光功率的增大，燒蝕微孔中心的激光誘導微結構逐漸模糊，如圖4(b)所示。當功率增大到250 mW時，微孔中心區(qū)域的微結構消失，材料被完全燒蝕去除，并殘留有大量的亞微米級重鑄顆粒，如圖4(c)所示，說明此時的材料去除機理為快速升華與相爆炸的協(xié)同作用[22]。此外，燒蝕微孔內(nèi)仍然存在高、低頻率波紋狀激光誘導周期性微結構，因此，使用高功率的飛秒激光燒蝕單晶金剛石時，材料去除機理包括快速升華、相爆炸和快速熔化及汽化。增加燒蝕脈沖個數(shù)，僅在50 mW和200個脈沖的作用下，多脈沖累積產(chǎn)生的熱沖擊作用，使單晶金剛石表面的燒蝕微孔邊緣發(fā)生破碎，如圖4(d)所示。該結果表明，脈沖累計作用對燒蝕形貌和加工表面完整性的影響比激光功率更大，因此在加工單晶金剛石微銑刀時，在保證材料去除率的同時，應準確控制光斑重疊率，避免生成缺陷。

2.3 微槽加工的研究

利用飛秒激光對單晶金剛石進行不同平均功率和掃描速度的直線微槽加工，研究不同實驗參數(shù)對微槽形貌和尺寸的影響規(guī)律，從而為加工單晶金剛石微銑刀提供技術基礎。飛秒激光在單晶金剛石表面加工的微槽形貌如圖5所示。如圖5(a)所示，隨著平均功率的增大，微槽兩側熱影響區(qū)逐漸增大，微槽底部和邊緣的質(zhì)量也逐漸惡化，而當功率低于100 mW時，微槽質(zhì)量較好。如圖5(b)所示，掃描速度對熱影響區(qū)的面積影響較小，但低速下在槽內(nèi)會存在殘渣，影響微槽的整體質(zhì)量；當掃描速度較高時，由于光斑重疊率的降低，微槽邊緣將出現(xiàn)由單脈沖形成的連續(xù)圓弧結構，對微槽邊緣的質(zhì)量影響較大。針對加工形貌的觀察，低功率和適中的掃描速度可以保證飛秒激光加工單晶金剛石的表面質(zhì)量。

圖5 加工參數(shù)對微槽形貌的影響Fig.5 Influence of processing parameters on morphology of micro-grooves

利用白光干涉儀對微槽尺寸(寬度和深度)進行測量，不同平均功率和掃描速度所加工微槽尺寸的曲線如圖6所示。結果表明，微槽尺寸隨平均功率增加而增大，隨掃描速度的增大而減小，即平均功率越大或掃描速度越小時，材料去除率越高。

圖6 微槽尺寸與加工參數(shù)的關系Fig.6 Relationship between groove sizes and processing parameters

針對單晶金剛石微銑刀的飛秒激光制造，既要考慮微銑刀的表面質(zhì)量，又要考慮加工效率。綜合對加工微槽形貌和尺寸的結果，選擇平均功率250 mW、掃描速度1 mm/s作為粗加工參數(shù)；選擇平均功率100 mW、掃描速度1 mm/s作為精加工參數(shù)。

3 單晶金剛石微銑刀的制造

利用真空釬焊機將單晶金剛石塊材焊接至刀桿頂端，并利用飛秒激光將其預先修整為圓柱形。由于金剛石塊材上表面預先經(jīng)過了拋光處理，表面粗糙度較低，因此僅需加工出前刀面和主后刀面，從而形成主、副切削刃，加工流程如圖7所示。

圖7 微銑刀的加工流程Fig.7 Machining process of the micro-milling tool

利用2.3節(jié)選定的加工參數(shù)，對單晶金剛石微銑刀進行加工，并對加工完成的微銑刀進行表面形貌的檢測，如圖8所示。檢測結果表明，微銑刀的表面和刃口處均未見明顯的崩口、裂紋和重凝顆粒等缺陷，切削刃與刀尖之間的過渡平滑完整。利用白光干涉儀對刀面的表面粗糙度和切削刃鋒利度進行檢測。其中，前刀面的表面粗糙度Sa為150 nm，后刀面表面粗糙度Sa為176 nm，主切削刃的刃口鈍圓半徑為2.142 μm(如圖9所示)。其他學者的研究表明，利用納秒激光和皮秒激光制造的微銑刀表面粗糙度僅能達到990 nm[23]和 318 nm[24]，刃口鈍圓半徑僅達到5.2 μm[23]和3.1 μm[24]，因此本研究利用飛秒激光加工的微銑刀切削刃比納秒激光和皮秒激光加工的表面質(zhì)量更好，切削刃更加鋒利。

圖8 微銑刀形貌的SEM檢測圖Fig.8 SEM morphology of the micro-milling tool

圖9 微銑刀主切削刃的刃口鈍圓半徑Fig.9 Main cutting edge radius of the micro-milling tool

利用拉曼光譜檢測飛秒激光制造單晶金剛石微銑刀表面的成份。如圖10所示，對單晶金剛石原始表面檢測后的拉曼圖譜中，只有在1 332 cm-1處具有一個很強的尖峰，即代表金剛石的D-band峰，對刀面檢測后的拉曼圖譜中，不僅在1 332 cm-1處具有一個很強的尖峰，而且在代表石墨相的G-band峰位(1 580 cm-1)，存在強度很低的峰，表明飛秒激光加工單晶金剛石后，加工表面發(fā)生了石墨化。通過計算峰值強度比I(G)/I(D)，可以評價加工表面的石墨化程度[20]。通常納秒激光和皮秒激光加工金剛石表面的拉曼特征峰強度比I(G)/I(D)接近1[23,25]，甚至遠遠大于1[26]，說明使用納秒、皮秒激光加工金剛石表面的石墨化較為嚴重。而對圖10中的峰值強度比進行計算可得I(G)/I(D)=0.042<0.1，表明飛秒激光加工微銑刀的石墨化程度遠低于其它脈沖激光。因此，飛秒激光加工的金剛石微銑刀表面質(zhì)量較好。

圖10 微銑刀前刀面的拉曼光譜分析Fig.10 Raman spectra analysis on the rake face of the micro-milling tool

綜上所述，使用飛秒激光成功加工出了單晶金剛石微銑刀，并且該微銑刀同時具有更好的表面質(zhì)量，更鋒利的切削刃和更低程度的激光誘導表面相變。

4 刀具切削性能實驗

為了探究微銑刀切削刃鋒利度對銑削質(zhì)量的影響，本實驗使用切削刃鋒利度較差的微銑刀B與飛秒激光精加工的刀具(微銑刀A，即第3章中所制備)做對比。微銑刀B也是利用飛秒激光所制備，為了鈍化切削刃，后刀面未進行精加工，其主切削刃刃口鈍圓半徑經(jīng)測量為10.21 μm，刀面表面粗糙度Sa與微銑刀A相近(160～180 nm)。此外，兩種微銑刀在微銑削時的加工參數(shù)相同，主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，進給速度為10 mm/min，切削深度5 μm，切削距離120 m。

采用金相顯微鏡觀察兩種微銑刀加工T2紫銅的表面形貌，如圖11所示。通過對比可以看出，微銑刀A加工表面刀痕分布更加均勻致密，整體更為平整，微銑刀B的加工表面刀痕不均勻，并產(chǎn)生較多毛刺等缺陷。利用白光干涉儀測量銑削表面粗糙度，微銑刀A所加工表面的粗糙度Sa為0.212 μm，而微銑刀B所加工表面的粗糙度Sa僅為1.519 μm。因此，使用具有更加鋒利切削刃的微銑刀A，其所加工的表面質(zhì)量遠優(yōu)于微銑刀B。

圖11 銑削表面的形貌Fig.11 Morphology of the milled surface

利用SEM檢測兩種微銑刀銑削后的磨損情況，如圖12所示。檢測結果表明，微銑刀A僅在刀尖上有長11.32 μm、寬11.09 μm的穩(wěn)定磨料磨損區(qū)域；而微銑刀B的刀尖發(fā)生了崩刃，刀具已失效。由于切削深度相對較小(5 μm)，微銑刀B的刃口鈍圓半徑已大于或接近切削深度值，因此在刀具-工件接觸區(qū)域，刀具和工件的擠壓作用強于對工件表層材料的剪切作用，較大的作用力使銑刀B發(fā)生脆性破碎，一方面惡化了加工質(zhì)量，另一方面使刀具快速的失效。因此，刀具鋒利度顯著地影響著其切削性能，使用飛秒激光制備具有更加鋒利切削刃的單晶金剛石微銑刀，有著十分重要的意義。

圖12 銑削后微銑刀形貌的SEM檢測圖Fig.12 SEM morphology of the micro-milling tool after micro milling

對兩種刀具銑削之后的磨損區(qū)域進行拉曼光譜的檢測。如圖13所示，微銑刀A刀尖磨損區(qū)域的拉曼光譜具有D-band和G-band兩個特征峰，且峰值強度比增加到了I(G)/I(D)=0.252，說明單晶金剛石微銑刀的磨料磨損機理主要為金剛石的石墨化；而微銑刀B刀具磨損區(qū)域的拉曼光譜僅具有D-band峰，說明該區(qū)域為單晶金剛石基體，切削過程確實使刀具切削刃發(fā)生了脆性破碎。

圖13 微銑刀磨損區(qū)域拉曼光譜Fig.13 Micro-milling tool wear area Raman spectra

綜上所述，使用飛秒激光加工的單晶金剛石微銑刀具有良好的切削性能，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的表面銑削加工。刀具切削刃的鋒利度顯著影響著銑削過程的穩(wěn)定性、表面質(zhì)量和刀具壽命。因此，采用飛秒激光技術制造高鋒利度單晶金剛石微銑刀在微加工領域具有很好的應用前景。

5 結論

本文研究了單晶金剛石微銑刀的飛秒激光加工技術，實現(xiàn)了具有鋒利切削刃和低表面粗糙度的高質(zhì)量單晶金剛石微銑刀制造，并利用微銑削實驗，證實了飛秒激光制造的單晶金剛石微銑刀具有良好的切削性能。主要結論如下：

1) 基于“直徑回歸法”計算得出飛秒激光燒蝕單晶金剛石的多脈沖飽和燒蝕閾值約為1 J/cm2；其材料去除機理包括快速升華、相爆炸(高功率條件下)和快速熔化及汽化。

2) 利用優(yōu)化工藝參數(shù)加工的單晶金剛石微銑刀表面和切削刃無缺陷，前、后刀面表面粗糙度Sa可分別達到150 nm和176 nm，刃口鈍圓半徑可達2.142 μm。

3) 銑削實驗結果表明，采用飛秒激光制造的具有高鋒利度切削刃的單晶金剛石微銑刀，切削表面質(zhì)量顯著優(yōu)于低鋒利度刀具，且切削刃不易失效，磨損機理為基于石墨化的穩(wěn)定磨料磨損。