指导教师：何宁教授/博导
论文题目：超快激光制备金刚石微细铣刀基础研究
答辩委员会：
主席：汤文成 教授/博导 东南大学
委员：袁军堂 教授/博导 南京理工大学
曾永彬 教授/博导 南京航空航天大学
何宁 教授/博导 南京航空航天大学
李亮 教授/博导 南京航空航天大学
赵威 教授/博导 南京航空航天大学
赵国龙教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陈妮 副教授/硕导南京航空航天大学
答辩时间：2021年12月18日9：00
答辩地点：南航ob体育 15-341会议室
学位论文简介：
锋利耐磨损的微细刀具是实现高精密微细加工的不可或缺因素，而金刚石材料具有极高的硬度、极高的耐磨性和高导热率等优越性能，可以制作出锋利耐用的刀具刃口，故金刚石微细刀具近年来是研究的热点，但其制备难度大成本高等问题影响了大规模商业化应用。采用传统加工方法如机械磨削制备金刚石微细刀具效率低且因为机械受力的存在而会导致崩刃或刀具断裂失效。本文提出了应用超短脉冲激光制备聚晶金刚石(PCD)和化学气相沉积金刚石(CVD金刚石)微细铣刀的方法，研究了激光切割参数包括脉冲能量、脉冲间距和激光波长，以及材料特性如PCD晶粒尺寸等对加工结果的影响，揭示了超短脉冲激光加工金刚石刀具的刃口及表面形成机理，制备了具备锋利和规则切削刃口的金刚石微细铣刀，研究了金刚石微细铣刀在加工无氧铜和硬质合金材料时的切削性能。
论文完成的主要工作及取得的成果如下：
（1）研究了不同波长的皮秒激光对PCD及CVD金刚石材料的烧蚀机理，阐明了PCD材料中的金属结合剂及金刚石粒度对加工结果的影响，揭示了CVD金刚石加工面和刃口的形成机制。探明了激光波长、单脉冲能量、脉冲重叠率等参数对金刚石微细铣刀刃口及表面形貌的影响规律。研究结果表明皮秒激光加工细粒度的PCD刃口质量最优；使用短波长皮秒激光加工出的CVD金刚石表面质量最高，粗糙度达到Ra149nm。
（2）开展了皮秒激光加工PCD和CVD金刚石刀具的刃口锋利度优化试验研究，以皮秒激光能量密度、脉冲频率、激光波长及PCD粒度为实验因素，以金刚石加工后的刃口钝圆半径为检验加工质量的主要指标。优选晶粒尺寸1μm、单脉冲能量100μJ、脉冲间距2.5nm的激光工艺参数制备出的PCD刀具刃口钝圆半径达到3μm。优选单脉冲能量25μJ、脉冲间距2.5nm和激光波长1064nm的激光工艺参数制备出的CVD金刚石刀具刃口钝圆半径达到1.4μm。
（3）采用优化过的皮秒激光加工参数制备PCD和CVD金刚石微细铣刀，制备出了不同直径和长径比的直刃金刚石微细铣刀。在优化后的工艺参数下加工出的PCD微细铣刀的刃口钝圆半径为3μm，CVD金刚石微细铣刀的刃口钝圆半径为1.4μm。应用皮秒激光，在优化工艺参数和工艺方法后对金刚石进行分层铣削加工，制备出具有较优圆弧尺寸精度和锋利刃口（平均刃口钝圆半径为3μm）的金刚石圆弧刃微细刀具。
（4）研究了皮秒激光制备的PCD和CVD金刚石刀具微细铣削无氧铜材料的效果。探明了铣削参数对加工质量的影响。使用两种金刚石刀具铣削出的无氧铜表面粗糙度分别达到Ra74nm和Ra77nm。同时使用制备出的PCD和CVD金刚石微细铣刀进行了硬质合金铣削实验，证明了它们具有良好的硬质合金加工性能，且CVD金刚石刀具的切削性能优于PCD刀具。同时优化了切削工艺，获得的硬质合金材料最优表面粗糙度为Ra44nm。
主要创新点如下：
（1）提出了高效制备金刚石微细铣刀的皮秒激光加工方法，突破了大长径比PCD及CVD金刚石微细铣刀的成型和刃口制备的难题，制备出了直径为0.08mm、长径比达到3的金刚石微细铣刀。在保证加工质量的前提下极大的提高了PCD及CVD金刚石微细铣刀的制备效率。
（2）针对多种粒度（1μm、4μm和10μm）的PCD刀具，探明了其皮秒激光加工的作用机理，相较与长脉冲激光，皮秒激光烧蚀PCD的机制主要是多光子电离，且紫外皮秒激光产生多光子电离的几率最高、热效应最小、加工表面质量最优。同时针对CVD金刚石刀具，探明了不同种波长的皮秒激光加工刃口形成的机制，由于金刚石材料对高斯分布的紫外皮秒激光脉冲吸收率较高，导致了较大的刃口圆弧产生，而红外皮秒激光加工的刃口更加锋利，获得的最优CVD金刚石刃口钝圆半径达到1.4μm。
（3）针对两种金刚石微细铣刀精密铣削硬质合金材料，探明了金刚石刀具切削刃口锋利度和微细铣削工艺参数对加工表面质量的影响规律，实现了硬质合金材料的高质量微细加工，最小表面粗糙度Ra达0.044μm。
