一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法技术

本发明专利技术涉及刀具加工技术领域，具体涉及一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法。该方法包括S1、将刀具清洗干净后吹干；S2、测量刀具刃口半径及形状，以及获取待加工刀具的三维模型和刀具参数；S3、选用飞秒激光，根据刀具三维模型和刀具参数进行激光对焦，确定基于刀具刃线曲线模型的加工路径及激光加工角度；根据刀具刃口的初始形状和初始半径值以及刀具刃口的目标形状和目标半径值确定飞秒激光的加工参数；S4、每进行数次飞秒激光加工扫描后，测定刀具刃口的形状和半径值，直至符合设定值为止，该方法能有效地对复杂形状刀具刃口同时进行钝化、强化处理，避免表面热影响区产生深软化层的问题，使得刀具刃口兼具锋利效果和强度效果。度效果。度效果。

【技术实现步骤摘要】
一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法


[0001]本专利技术涉及刀具加工
，具体涉及一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法。

技术介绍

[0002]刀具钝化处理是刀具制造过程中极为重要的工艺流程，并广泛应用于涂层前后处理中。刀具钝化处理能有效去除刀具刃口微观缺陷(如：微裂纹、不规则微细锯齿等)，提升刀具刃口韧带表面质量，同时使刀具刃口钝化至一定形状/尺寸，从而增加刀具刃口强度。传统刀具钝化最常见的工艺以湿喷砂为主，混合特定比例的水和磨料后在压缩气体作用下喷射至刀具上以达到钝化的目的。但是，该方法制备出的刀具刃口只能在锋利性和强度中妥协，即制备高强度刃口时须牺牲刃口的锋利，制备锋利刃口时须牺牲刃口的强度。这使得刀具切削性能难以完整发挥，特别在加工像高温合金及钛合金等具有高塑性及高强度的难加工材料时，要求刀具刃口“锋利且高强度”。因此，特别针对高粘黏特性的高强度、高硬度难加工材料，使用传统喷砂方法处理的刀具刃口难以符合其加工要求。
[0003]激光表面改性是近年来制造领域的热门方向之一，因具有良好的适用性，在微表面工程领域具有广泛的应用前景。激光冲击强化(LaserShotPeening，简称LSP)是目前激光制造领域中先进制造方法代表。与激光相变强化和激光熔融强化等通过加热对材料组织进行提升的方法不同，激光冲击强化是用高功率激光器(107W/cm2)在极短脉冲宽度下(ns及以下)照射材料表面。在激光作用下，金属材料的表面被加热到足以气化的温度并迅速蒸发，形成等离子体，继而产生高爆发气压，通过动量脉冲产生压缩冲击波，并向金属冲击，导致金属表面发生强烈的塑性变形，冲击区的微观结构中出现复杂的位错纠缠，可明显提高材料的表面硬度、屈服强度和疲劳寿命，从而大大提高材料的性能。
[0004]综上，利用激光冲击强化工艺优势，在高能量密度和极短的作用时间下，可以实现材料组织性能的进一步强化。然而，现有技术仅使用激光器功率低于107W/cm2的激光相变强化和激光熔融强化工艺对刀具基体开展了相关研究，目前的激光冲击强化工艺且对刀具刃口处理技术并未出现。而且，由于刀具形状复杂，特别是铣刀、丝锥等具有复杂三维曲线刃线，对激光加工对位角度及加工路径要求极高，这更加增加了激光冲击强化在刀具刃口钝化、强化中的应用。对比其它超快激光工艺，使用纳秒、皮秒(Ns/Ps)激光进行刃口处理时，由于无法避免热影响区表层软化层及缺陷且其软化层厚度均在1μm以上，对刀具刃口的钝化值及形状的控制无法精确控制，刃口强度无法继续提升，因此纳秒激光和皮秒激光不推荐应用于刀具微小刃口的处理中。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法，该方法能有效地对复杂形状刀具刃口同时进行钝化、强化处理，避免表面热影响区产生深软化层的问题，使得刀具刃口兼具锋利效果和强度效果。
[0006]加工效率高和精度高的优点。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]提供一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法，包括以下步骤，
[0009]S1、将待加工的刀具清洗干净，取出后吹干刀具；
[0010]S2、将刀具固定在多轴激光机床夹具上，测量刀具刃口半径及形状，以及获取待加工刀具的三维模型和刀具参数；
[0011]S3、选用飞秒激光，根据刀具三维模型和刀具参数进行激光对焦，确定基于刀具刃线曲线模型的加工路径及激光加工角度；根据刀具刃口的初始形状和初始半径值以及刀具刃口的目标形状和目标半径值确定飞秒激光的加工参数；
[0012]S4、每进行数次飞秒激光加工扫描后，测定刀具刃口的形状和半径值，直至符合设定值为止。
[0013]在一些实施方式中，步骤S1中，将待加工的刀具进行清洗干净的步骤包括：
[0014]S101、将刀具放入在含丙酮的超声清洗机中，刀具浸没在丙酮溶液中，打开超声清洗机清洗，取出并吹干刀具；
[0015]S102、将刀具放入在含酒精的超声清洗机中，刀具浸没在酒精中，打开超声清洗机清洗，取出并吹干刀具；
[0016]S103、将刀具放入在含去离子水的超声清洗机中，刀具浸没在去离子水中，打开超声清洗机清洗，加热温度60℃～80℃，取出并吹干刀具。
[0017]在一些实施方式中，步骤S101中，超声频率20KHZ～40KHZ，清洗时间3min～5min；步骤S102中，超声频率20KHZ～40KHZ，清洗时间5min～10min；步骤S102中，打开超声清洗机，超声频率20KHZ～40KHZ。
[0018]在一些实施方式中，步骤S3中，飞秒激光的加工参数包括：激光加工功率1W～50W，波长500nm
‑
1400nm，光斑直径20～60μm，脉冲重复最大频率100～2000KHz，脉冲宽度20～300fs，扫描速度100～2000mm/s，扫描次数1次～100次，激光锥度5
°
～10
°
，烧蚀深度为0.1μm～1μm。
[0019]在一些实施方式中，步骤S1前，还包括观察选择刀具，其包括：用20倍～40倍显微镜观察刀具表面，选择表面完整和表面干净的表面无涂层刀具，或选择无涂层脱落以及涂层与未涂层分界线应清晰的表面具硬质涂层的刀具。
[0020]在一些实施方式中，所述刀具的基体材质为硬质合金、高速钢、陶瓷、CBN或PCBN。
[0021]在一些实施方式中，所述硬质涂层为由Hf、Zr、Ti、Al、Si、Cr、B、C、N、O、V一种或多种元素构成，所述硬质涂层的厚度为0.1μm～3μm。
[0022]在一些实施方式中，步骤S3中，对焦时的焦距误差为在
±
0.5μm范围，所述激光加工角度为激光入射方向与刃口楔角中线相互平行或形成夹角；所述加工路径为弓形路径、竖直路径、平行路径或波浪路径。
[0023]在一些实施方式中，步骤S4中，所述飞秒激光加工包括粗加工、半精加工和精加工的一种或任意组合。
[0024]在一些实施方式中，所述刀具为转位数控刀片、整体式铣刀、钻头、丝锥或焊接式刀具。
[0025]本专利技术一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法的有益效果：
[0026](1)本专利技术的飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法，其使用Fs激光照射刀具刃口，在飞秒激光作用下，刀具表面微米材料被加热到足以气化的温度并迅速蒸发，形成等离子体，继而产生高爆发气压，通过动量脉冲产生压缩冲击波，并向刀具基体冲击，导致材料表面发生强烈的塑性变形，冲击区的微观结构中出现复杂的位错纠缠，进而提高材料的表面硬度、屈服强度和疲劳寿命。最终，达到刃口钝化和强化的目的，对比传统喷砂刃口钝化工艺，飞秒激光冲击强化不仅能钝化刃口，还能提升刀具刃口强度，避免现有技术不能同时兼顾刀具刃口锋利特性与刀具刃口强度特性不能兼顾的问题。对比其他激光，飞秒激光能进行约100nm厚度去除，并且产生的软化层厚度可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法，其特征是：包括以下步骤，S1、将待加工的刀具清洗干净，取出后吹干刀具；S2、将刀具固定在多轴激光机床夹具上，测量刀具刃口半径及形状，以及获取待加工刀具的三维模型和刀具参数；S3、选用飞秒激光，根据刀具三维模型和刀具参数进行激光对焦，确定基于刀具刃线曲线模型的加工路径及激光加工角度；根据刀具刃口的初始形状和初始半径值以及刀具刃口的目标形状和目标半径值确定飞秒激光的加工参数；S4、每进行数次飞秒激光加工扫描后，测定刀具刃口的形状和半径值，直至符合设定值为止。2.根据权利要求1所述的飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法，其特征是：步骤S1中，将待加工的刀具进行清洗干净的步骤包括：S101、将刀具放入在含丙酮的超声清洗机中，刀具浸没在丙酮溶液中，打开超声清洗机清洗，取出并吹干刀具；S102、将刀具放入在含酒精的超声清洗机中，刀具浸没在酒精中，打开超声清洗机清洗，取出并吹干刀具；S103、将刀具放入在含去离子水的超声清洗机中，刀具浸没在去离子水中，打开超声清洗机清洗，加热温度60℃～80℃，取出并吹干刀具。3.根据权利要求2所述的飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法，其特征是：步骤S101中，超声频率20KHZ～40KHZ，清洗时间3min～5min；步骤S102中，超声频率20KHZ～40KHZ，清洗时间5min～10min；步骤S102中，打开超声清洗机，超声频率20KHZ～40KHZ。4.根据权利要求1所述的飞秒激光同时钝化强化刀具刃口的加工方法，其特征是：步骤S3中，飞秒激光的加工参数包括：激光加工功率1W～50W，波长500nm
‑
1400...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成勇，赖志伟，郑李娟，林海生，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：