[发明专利]一种微织构刀具刀体材料性能提升的方法及辅助装置

说明书

本发明涉及一种表面微织构制备过程中基体材料性能提升的方法及辅助装置。该方法及装置包括：利用惰性辅助气体来抑制喷溅熔融物质的燃烧、利用冷却气体对已加工工件进行快速冷却、以及带有红外温度监测计和一体式双通道气体喷射器的控制系统。本发明的方法是将工件固定在操作台，设定激光加工参数后，在进行激光微织构的加工同时利用温度监测计对温度的实时监测，对辅助气体进气阀门和冷却气体进气阀门进行自动控制。本发明通过以上方法对激光加工微织构刀具的切削性能进行了改善，对难加工材料切削行业有着重要意义。

技术领域

本发明总体上涉及微织构加工领域，具体地说，涉及一种表面微织构制备过程中基体材料性能提升的方法及辅助装置。

背景技术

表面微织构是一种新颖的制造方法，原理是通过改变刀具的表面结构来实现对环境友好的机械加工。表面微织构可用于改变机械加工中的切削机制，从而影响诸如摩擦、润湿性、反射率、吸收率、粘附性和疏水性等性能。目前，在机械制造行业中表面微织构已广泛应用于各类零部件，例如机械密封、止推轴承、液压马达、活塞和假肢关节。此外，表面微织构在切削刀具中也具有广泛的应用，并极大提高了刀具性能。当前，微织构刀具已经应用在难切削材料加工加工、航空航天、医疗机械等诸多领域。

然而，在微织构的制备过程中，由于激光瞬间能量高导致的瞬间高温会使材料表面迅速熔化并气化，部分熔融状态的材料在空气中急速冷却会在表面形成毛刺。毛刺会改变刀具的表面粗糙度，严重影响刀具的切削性能。同时也会导致刀具切削过程出现噪音，加快了刀具的磨损。

而目前已有的去除微织构加工毛刺的方法都有不足之处。如专利申请号为2021101720315(授权公告号为CN112975121A，授权公告日为2021年6月18日)的专利公开了一种防熔渣飞溅的钢材表面微织构激光加工方法。该方法为将钢材放入置有油液的盒子里。待油液没过钢材表面，使用激光打标机对钢材表面进行微织构的置入。该方法利用油液的隔绝空气的作用来抑制熔融毛刺的产生，但忽略激光高温会使油液瞬间沸腾，易造成迸溅。其次，由于油液的折射，微织构的位置会发生偏移，达不到预期的效果。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在在微织构加工过程中改善刀具的切削性能。

本发明是这样构思的：

一种在加工过程中改善微织构刀具切削性能的方法，其特征在于：

(1)利用惰性辅助气体的抑燃特性来抑制熔融杂质产生。所选择的惰性气体为氮气，氮气通常状况下是一种无色无味的气体，化学性质很不活泼，常温下很难与其他物质发生反应。因此氮气可以起到抑制燃烧的作用。

(2)在激光加工完成后对工件进行快速冷却，方法是向加工过的工件通冷却气体，快速冷却可以使金属中的晶粒变细，晶粒越细，晶界越多，强度、硬度越高。

(3)气体喷射器与控制系统相连，设计的喷射器装置为一体式双通道喷射器，辅助气体与冷却气体分别从两个通道进入喷射器，并从两个通道分别喷出。具有体积小，质量轻，功能性强的特点。且装置包括红外温度监测计，当检测到工件温度瞬间升高时，将信号传给控制系统，迅速将辅助气体自动阀门打开；检测到迅速降温，则关闭辅助气体自动阀门、打开冷却气体自动阀门；检测到冷却到室温时，便自动关闭冷却气体阀门。而在实现自动工作的同时，也对两个进气管的手动阀门进行了保留，以免系统故障时无法及时开关阀门。

该方法包括以下步骤：

步骤一、将待加工工件放置在操作台上；

步骤二、设定激光加工参数，将激光打标机对准试件，将红外温度监测计对准待加工工件的表面；

步骤三、打开激光打标机开关，并对喷射器位置进行动态调节；

步骤四、辅助气体与冷凝气体工作完毕后，检查阀门是否关紧；