CN107805808B - 一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，提供一种电射流沉积‑激光熔覆微织构刀具的制备方法，本发明首先对功能液体施加一定压力，使之以一定的流量从喷针喷孔流出；然后对功能液体施加一定电场，使之形成远小于喷孔内径的精细射流，并在刀具基体上喷射沉积出微织构；同时利用激光对沉积的织构材料进行辐照热处理，使之迅速固化成型及与刀具基体可靠熔凝。本发明提出的电射流沉积‑激光熔覆微织构刀具的制备方法综合了电射流沉积和激光加工的技术优势，具有织构成型精度高、材料适应性强、加工工艺简单、易于控制等优点。
Description
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，涉及一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法。
背景技术
金属干切削加工技术因避免了大量切削液的使用，从而大大降低了制造成本、减少了环境污染，已逐渐成为绿色制造的研究热点之一。但由于缺少切削液的冷却润滑作用，干切削加工的切削条件更加恶劣，对刀具的要求更加严格。如何在无润滑或微量润滑的情况下减轻刀具的摩擦磨损，提高刀具的切削性能成为干切削加工亟待解决的问题之一。
表面织构技术是一种通过改变材料表面的物理结构来改善材料表面特性的方法。在刀具表面的特定区域进行织构化处理，并在所形成的织构中添加润滑剂就能有效地提高刀具表面润滑承载能力，改善刀-屑接触面的摩擦状态，增强刀具表面的抗磨减磨能力。中国专利“申请号200710017168.3”报道了一种微池自润滑刀具及其制备方法，它采用微细电火花加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区加工出微孔，并将固体润滑剂填充到微孔中，在刀具切削时润滑剂析出形成的润滑膜起到了润滑作用。但此方法对刀具导电性要求较高，加工精度低，加工表面烧蚀严重。中国专利“申请号201210447210.6”报道了一种微纳复合织构自润滑刀具及其制备方法，它采用激光加工技术在刀具前刀面上加工出微米级织构，在负倒棱上加工出纳米级织构，并分别在织构中填充了固体润滑剂，改善了刀具的抗磨损性能，提高了刀具使用寿命。但是激光烧蚀刀具材料加工织构的方法常常存在严重的热作用，易造成刀具材料的局部变形、微裂纹等结构缺陷。加工后的凹坑底部和周围常常有材料堆积，需要二次处理。日本东京大学Obikawa的文章：Toshiyuki Obikawa et al.,Micro-texture at the coated tool face for high performance cutting,InternationalJournal of Machine Tools&Manufacture,51(2011)966-972，通过光刻加工方法在刀具前刀面上制备了微凸点阵列织构，有效地减小了刀具磨损，改善了刀具切削性能。但此方法制备刀具织构存在工艺复杂、成本高等问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术方法的不足，提出了一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法。所述方法利用功能液体在电场力作用下形成微米级的精细射流，并在刀具基体上喷射沉积出微织构，同时利用激光对沉积的织构材料进行辐照热处理，实现沉积材料的快速固化成型及与基体材料的可靠熔凝，通过逐层沉积成型实现刀具三维微织构的制造。在干切削加工中，微织构和润滑剂的共同作用能有效地减小刀具表面摩擦，降低切削力和切削温度，提高刀具使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法，首先使功能液体以一定的流量从喷针喷孔流出；然后对功能液体施加一定电场，使之形成远小于喷孔内径的精细射流，并在刀具基体上喷射沉积出微织构；同时利用激光对沉积的织构材料进行辐照热处理，使之迅速固化成型及与刀具基体可靠熔凝。本发明基于电射流沉积-激光熔覆微织构刀具制备装置实现，所述的装置包括：计算机控制模块，电射流沉积模块，CCD显微成像模块，激光器模块。
所述的计算机控制模块为计算机5及相关控制软件。所述的计算机5绘制刀具微织构的三维模型，并依据其三维模型各层截面轮廓数据和填充数据控制三维运动平台基板7的运动路径和运动速度。
所述的电射流沉积模块包括：1-注射器，2-功能液体，3-微量注射泵，7-三维运动平台基板，9-接地极板，13-金属喷头，14-喷头夹具，15-硅橡胶管，16-高压电源。所述功能液体2为微织构材料超细粉末混合在有机或无机溶剂中得到的悬浮液。所述的微量注射泵3夹紧固定装有功能液体2的注射器1，并控制功能液体2的流量。所述的金属喷头13内径为300μm，上端口通过硅橡胶管15与注射器1的针头端相连，下端部分与高压电源16正极相连。所述的三维运动平台基板7为承载刀具基体8的金属板，能在计算机5的控制下做三轴位移，三维运动平台基板7通过接地极板9接地。所述的喷头夹具14由绝缘材料制造，前端夹紧喷头13，后端固定在可以移动的Z位移轴上。所述的高压电源16的电压输出范围为0-10kV。
所述的CCD显微成像模块由显微相机6及计算机5组成。所述的显微相机6与计算机5相连，通过计算机5的检测软件实时检测电射流沉积过程。
所述的激光器模块由CO2激光器4和计算机5组成。所述的CO2激光器4与计算机5相连，通过计算机5实时控制激光12的输出功率、扫描区域、扫描速度等参数。
采用上述装置进行电射流沉积-激光熔覆的微织构刀具制备方法，其具体步骤如下：
(1)刀具基体的预处理
将刀具基体表面进行抛光处理，并依次放入丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗20min，以除去刀具表面污垢。
(2)微织构的电射流沉积
计算机5绘制微织构的三维模型，利用其三维模型各层截面轮廓数据和填充数据生成对应的三维运动平台基板7的运动路径和运动速度。控制一定流量的功能液体2由金属喷头13流出，并在高压电场中形成微米级的稳定射流11，喷射沉积在刀具基体8上。控制所述的三维运动平台基板7按照设定的路径和速度运动，在刀具基体8的指定区域沉积出与三维模型第一层截面轮廓相一致的薄层结构。其中，沉积过程参数为：功能液体2的流量为2×10-13m3·s-1-5×10-13m3·s-1，金属喷头13与刀具基体8的间距为2-3mm，高压电源16的输出电压为0.1-6Kv，三维位移平台基板7运动速度为10mm/s-40mm/s。
(3)微织构的激光熔覆
调整激光12光斑聚焦在沉积的微织构10上，并使激光光斑直径与微织构的线宽相当。调整激光功率50-200W，扫描速度20mm/s-40mm/s，激光12与沉积的织构材料作用，完成微织构第一层截面轮廓薄层的固化成型及与刀具基体的可靠熔凝。计算机5控制三维运动平台基板7下降一层薄层的距离。
重复步骤(2)、(3)，进行材料的逐层累加沉积成型，制备出所需尺寸规格的三维微织构。
本发明的显著效果是采用电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法，具有织构成型精度高、沉积材料适应性强、材料热变形小等优点。通过沉积参数的调整，可以实现多种复杂微织构的制造。通过对织构材料激光辐照热处理，可以实现织构材料的快速可靠固化成型，避免了传统热处理过程中出现的织构脱落、分层、裂纹等缺陷，增强了织构材料层与层之间的结合力。本发明实现了电射流技术和激光加工技术的有机结合。
附图说明
图1为电射流沉积-激光熔覆微织构刀具制备装置示意图；
其中：1-注射器，2-功能液体，3-微量注射泵，4-CO2激光器，5-计算机，6-显微相机，7-三维运动平台基板，8-刀具基体，9-接地极板，10-微织构，11-射流，12-激光，13-金属喷头，14-喷头夹具，15-硅橡胶管，16-高压电源；
图2为电射流沉积-激光熔覆微织构刀具制备工艺流程图；
图3为刀具表面微织构特征示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法具体参见一下实施例。
实例1：
一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法，基体材料选用W18Cr4V高速钢刀具，微织构材料为Al2O3(其主要成分为97％Al2O3，2％Ni和1％Al)。其特征是在刀具前刀面上加工出微织构。具体的制备工艺步骤如下：
(1)刀具基体的预处理
将W18Cr4V高速钢刀具表面进行抛光处理，并依次放入丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗20min，以除去刀具表面污垢。
(2)微织构的电射流沉积
计算机5绘制微织构的三维模型，利用其三维模型各层截面轮廓数据和填充数据生成所述微织构对应的三维运动平台基板7的运动路径和运动速度，本实例的三维微织构模型的每一分层截面结构的厚度为5μm，线宽为～100μm，三维位移平台基板7速度为20mm/s。选用Al2O3纳米粉末和无水乙醇混合而成的悬浮液(以下称Al2O3纳米墨水)为功能液体2，控制Al2O3纳米墨水以4×10-13m3·s-1的流速从金属喷头13出口流出，并在高压电场中形成微米级的稳定射流11，并喷射沉积在刀具基体8上。其中，金属喷头13与刀具前刀面的间距为2mm，高压电源16的输出电压为4.5kV。控制所述的三维运动平台基板7按照预定的路径和速度运动，在刀具前刀面指定区域沉积出与三维模型第一层截面轮廓相一致的薄层结构。
(3)微织构的激光熔覆
调整激光12光斑聚焦在微织构10上。调整激光光斑直径～100μm，激光功率100W，扫描速度35mm/s，激光12与沉积的织构材料作用，完成微织构第一层截面轮廓薄层Al2O3的固化成型及与刀具基体的可靠熔凝。计算机5控制三维运动平台基板7下降5μm。
重复步骤(2)、(3)，进行Al2O3纳米材料的逐层累加沉积成型，制备出所需尺寸规格的三维微织构。
实例2：
一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法，基体材料选用W6Mo5Cr4V2高速钢刀具，微织构材料为硬质合金(其主要成分为80％WC，10％Co，5％W，1.5％VC，1％Cr3C2及1％Ni，1％Al和0.5％Mo)。其特征是在刀具的前刀面上加工出微织构。具体的制备工艺步骤如下：
(1)刀具基体的预处理
将W6Mo5Cr4V2高速钢刀具表面进行抛光处理，并依次放入丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗20min，以除去刀具表面污垢。
(2)微织构的电射流沉积
计算机5绘制微织构的三维模型，利用其三维模型各层截面轮廓数据和填充数据生成所述微织构对应的三维运动平台基板7的运动路径和运动速度。本实例的三维微织构模型的每一分层截面结构的厚度为7μm，线宽为～150μm，三维位移平台基板7速度为10mm/s。选用硬质合金纳米粉末和无水乙醇混合而成的悬浮液(以下称硬质合金纳米墨水)为功能液体2，控制硬质合金纳米墨水以4×10-13m3·s-1的流速从金属喷头13出口处流出，并在高压电场中形成微米级的稳定射流11，并喷射沉积在刀具基体8上。其中，金属喷头13与刀具前刀面的间距为2mm，高压电源16的输出电压为4.5kV。控制所述的三维运动平台基板7按照设定的路径和速度运动，在刀具前刀面指定区域沉积出与三维模型第一层截面轮廓相一致的薄层结构。
(3)微织构的激光熔覆
调整激光12光斑聚焦在硬质合金微织构10上。调整激光光斑直径～150μm，激光功率100W，扫描速度30mm/s，激光12与沉积的织构材料作用，完成微织构第一层截面轮廓薄层硬质合金的固化成型及与刀具基体的可靠熔凝。计算机5控制三维运动平台基板7下降7μm。
重复步骤(2)、(3)，进行硬质合金材料的逐层累加沉积成型，制备出所需尺寸规格的三维微织构。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种电射流沉积-激光熔覆微织构刀具的制备方法，其特征在于以下步骤：
(1)刀具基体的预处理
将刀具基体表面进行抛光处理，并依次放入丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗20min，以除去所述刀具基体表面的污垢；
(2)微织构的电射流沉积
计算机(5)绘制微织构的三维模型，利用其三维模型各层截面轮廓数据和填充数据生成所述微织构对应的三维运动平台基板(7)的运动路径和运动速度；
所述的微织构的三维模型的单层截面结构的厚度为1μm-10μm，所述的三维运动平台基板(7)运动速度为10mm/s-40mm/s；
将微织构材料超细粉末混合在有机或无机溶剂中制得功能液体(2)，控制其以一定流量从金属喷头(13)流出，并在高压电场中形成微米级的稳定射流(11)，喷射沉积在刀具基体(8)上；
所述的功能液体(2)的流量为2×10-13m3·s-1-5×10-13m3·s-1，所述的金属喷头(13)内径300μm，与刀具基体(8)的间距为2-3mm，所述的高压电场由高压直流电源(16)提供，其输出电压为0.1-6Kv；
控制三维运动平台基板(7)按照设定的路径和速度运动，在刀具指定区域沉积出与三维模型第一层截面轮廓相一致的薄层结构；
(3)微织构的激光熔覆
调整激光(12)光斑聚焦在微织构(10)上，调整激光光斑直径与微织构的线宽相当，激光功率50-200W，扫描速度20mm/s-40mm/s，激光(12)与沉积的织构材料作用，完成微织构第一层截面轮廓薄层材料的固化成型及与刀具基体的可靠熔凝；计算机(5)控制三维运动平台基板(7)下降一层薄层的距离；
重复步骤(2)、(3)，进行微织构材料的逐层累加沉积成型，制备出所需尺寸规格的三维微织构。
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