摘要
单晶金刚石作为常用的超硬材料，具有硬度高、超高热导率、良好的导热性、耐磨性高等特点，因此被广泛用于电子产品和超精密工具等领域。但是由于单晶金刚石的硬度和耐磨性高，传统的机械加工和超短脉冲激光加工存在着效率低、切槽时切缝的平行度差等问题。本文采用水射流辅助激光加工作为加工手段，进行了面向单晶金刚石表面的烧蚀机理和工艺研究，以解决单晶金刚石高质量、高效率表面微加工问题。 通过对水射流与激光耦合加工的因素研究，实验得出氦气作为辅助气体，其流量达到1.5 Nl/min，而最理想的水射流压力是300 bar。通过激光能量损耗的研究，得出射流高度在 5-18 mm 范围内时，能量的损失是微小的。对水射流辅助激光加工单晶金刚石的材料去除机理进行研究，得出激光对材料产生的热效应会导致材料熔化并被去除，而高压水射流则起到了冷却和降低热损伤的效果。 对水射流辅助激光加工金刚石进行仿真研究，分析了激光功率、扫描速度和重复频率对微槽烧蚀形貌的影响。得出了随着激光功率的增加，材料烧蚀宽度和深度随之逐渐增加；随着扫描速度的减小，微槽深度和宽度随着扫描速度降低略有增大；随着重复频率的增加，微槽宽度和深度略有增大。从而得出了水射流辅助激光加工金刚石的加工机理为，激光光斑中心附近因激光热效应而熔化，随后被水射流冲击去除，未熔化的材料仍以热加工为主去除。 通过水射流辅助激光加工表面微槽实验，研究了射流高度、扫描速度和激光功率等加工参数对微槽形貌和尺寸、切缝平行度、切缝锥度和加工表面质量的影响，以及槽深宽和材料去除率的主要影响因素。得出喷嘴尺寸大小为 50 μm、扫描速度为 10 mm/s、激光功率为 16 W、射流高度为 9 mm适用于加工。水射流辅助激光加工在激光功率 12 W 以上加工更垂直且切缝锥度小；此外，扫描速度为变量可以得到最佳的表面粗糙度 Sa 0.119 μm，激光功率为变量可以得到最佳的表面粗糙度 Sa 0.108 μm。
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