CN105149790B - 毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法及系统，首先利用飞秒激光直写的方式在金刚石刀具刃口产生一个微米级的凹槽，并且通过精确控制三维平移台与旋转轴的移动，在圆形状的环形金刚石刀具上得到周期性的微小凹槽。本方法不论在效率、成本及尺寸控制等方面皆表现出明显的优势，为金刚石刀具深加工能够进行大规模实用化生产提供了一条可能的途径。

Description

毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法及系统

技术领域

本发明涉及飞秒激光微纳加工领域，特别涉及利用一种飞秒激光直写，在超硬的金刚石刀具刀刃上加工得到一系列微米级缺口。

背景技术

近年来，随着科学技术的日新月异，通讯、航空和航天等领域各项技术得到了飞速发展。相应地，其对材料性能及加工技术的要求也日益提高。各式各样的新型材料，如陶瓷、超硬玻璃材料(蓝宝石玻璃等)、碳纤维增强塑料及颗粒增强金属基复合材料，得到了广泛的应用。这些材料具有许多良好的特性：如耐磨性极好、强度高、热膨胀系数小等，因而，也决定了对它们进行加工时要求刀具质量非常高。金刚石刀具具有超高的硬度及高导热率等特性，它是一种理想的新型材料加工工具。然而，也正是由于金刚石刀具的这种超硬特性，使得对金刚石刀具本身的加工遭遇到了极大的挑战。

金刚石刀具在切削光滑物体时会产生“打滑”现象，严重影响切削质量。为了防止这种现象的产生，需要对金刚石刀具刃口进行特殊地再加工。目前主要的金刚石刀具刃口加工方法有传统的机械加工方法，真空等离子抛光法，离子溅蚀法等；尽管这些工艺能够得到刃口直线度很小(0.1～0.01微米)的金刚石刀具，但是随着刃口直线度的减小，加工难度和加工成本将大大提高，极大地制约了金刚石刀具的工业生产。另外，可以在金刚石刃口上加工周期性的微齿轮的结构，不仅能够有效地防止“打滑”现象地发生，而且相对于直线度较小的刀具其使用寿命得到了很大地提高。然而，上述的加工方法很难在刃口上加工得到周期性地微小凹槽结构，尤其对于体积较小的金刚石刀具(毫米以及亚毫米量级)，且这些加工方法一般加工效率都比较低，很难实现大规模地工业生产。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光制备技术的金刚石刀具加工方法，设计一整套的加工系统，解决传统方法在微小金刚石刀具刃口制备周期性微米级齿轮的难题。

本发明的技术解决方案：

毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法及系统，包括以下步骤：

1)选取未加工刃口的毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具，彻底清洁；

2)将清洁后环形金刚石刀具固定于圆柱形支撑棒上；

3)将圆柱形支撑棒的一端通过夹具固定在具有旋转轴的三维平移台上；

4)通过快门控制激光通断以及在平行于圆柱形支撑棒中心轴的方向上移动三维平移台，使环形金刚石刀具刃口顶端通过飞秒激光焦点，然后控制旋转轴使环形金刚石刀具旋转2-5度，再反方向移动三维平移台，仍然使环形金刚石刀具刃口顶端通过飞秒激光焦点；

所述飞秒激光焦点采用脉冲重复频率为100到1k赫兹、脉冲宽度为20fs-100ps、波长为325到800纳米、功率为0.1到2毫瓦的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.3至0.9的物镜聚焦；

5)重复步骤4，直至在环形金刚石刀具的刃口上得到周期性的微小凹槽结构，微小凹槽尺寸为：宽度：4微米，深度3微米。

上述飞秒激光焦点选用脉冲宽度为50fs、的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5的物镜聚焦。

金刚石刀具每次旋转的角度为3度。

一种毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法，其特殊之处在于：

1)选取多个未加工刃口的毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具，彻底清洁；

2)将清洁后环形金刚石刀具并排固定于圆柱形支撑棒上；

3)将圆柱形支撑棒的一端通过夹具固定在具有旋转轴的三维平移台上；

4)通过快门控制激光通断以及在平行于圆柱形支撑棒中心轴的方向上移动三维平移台，使多个环形金刚石刀具刃口顶端依次通过飞秒激光焦点，然后控制旋转轴使环形金刚石刀具旋转2-5°，再反方向移动三维平移台，仍然使多个环形金刚石刀具刃口顶端依次通过飞秒激光焦点；

所述飞秒激光焦点采用脉冲重复频率为100到1k赫兹、脉冲宽度为20fs-100ps、波长为325到800纳米、功率为0.1到2毫瓦的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.3至0.9的物镜聚焦；

5)重复步骤4，直至在多个环形金刚石刀具的刃口上均得到周期性的微小凹槽结构，微小凹槽尺寸为：宽度：4微米，深度3微米。

上述飞秒激光焦点选用、脉冲宽度为50fs、的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5的物镜聚焦。

金刚石刀具每次旋转的角度为3度。

一种毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工系统，其特殊之处在于：包括驱动部件和飞秒激光直写部件；

所述驱动部件包括具有旋转轴的三维平移台、固定在三维平移台旋转轴上的夹具、一端固定在夹具上的圆柱形支撑棒；所述圆柱形支撑棒用于固定毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具；所述三维平移台可带动支撑棒沿自身中心轴方向移动及绕自身中心轴回转；

所述飞秒激光直写部件包括飞秒激光、物镜；所述飞秒激光为脉冲重复频率为100到100k赫兹、脉冲宽度为30到150飞秒、波长为325到800纳米、功率为0.1到2毫瓦的超短脉冲激光；所述物镜将飞秒激光聚焦于支撑棒上的环形金刚石刀具的刃口上；所述物镜的数值孔径值为0.3至0.9。

上述飞秒激光为脉冲重复频率为1K赫兹、脉冲宽度为50fs、的超短脉冲激光；所述物镜的数值孔径值为0.5。

上述圆柱形支撑棒能够固定多个环形金刚石刀具。

上述圆柱形支撑棒水平设置。

本发明的优点在于：

1)本发明所制备的微小凹槽表面光滑、轮廓清晰。利用飞秒激光超高的瞬间功率密度特性，能够瞬间对金刚石刀具刀刃产生微小破坏，且由于飞秒激光的加工特性，激光破坏区域较小(可以达到几个微米甚至亚微米量级)，对破坏区域周围材料的影响较小，形成一个非常光滑的破坏区域。

2)本发明加工效率非常高。将一系列刀具串在支撑棒上，可以一次性加工一批金刚石刀具，如图2所示。

3)本发明所制备的微小凹槽尺寸和排列周期均人为可控。通过控制激光能量、激光扫描速度等参数可以控制产生的微小凹槽的宽度以及深度。通过控制旋转轴每次旋转角度可以控制得到的微小凹槽周期以及数量。

4)本发明所讲述的是一种将前沿飞秒激光直写工艺应用于微小器件的超精密加工，该方法能够解决现有制备工艺难以在超硬的金刚石刀具刀刃上制备微结构的难题，且加工效率比较高，能够一次性加工一批样品。本发明在金刚石刀具上所制备的一系列周期排列的微小凹槽，可以有效地避免金刚石刀具在切削过程中的“打滑”现象，同时，也有效地增加了金刚石刀具的使用寿命。相比于其他方法，本方法不论在效率、成本及尺寸控制等方面皆表现出明显的优势，为金刚石刀具深加工能够进行大规模实用化生产提供了一条可能的途径。

附图说明

图1是待加工的金刚石刀具样品图，其中1为环形孔，2为刀刃；

图2为加工系统装置图，其中3为三维平移台，4为旋转轴，5为夹具，6为物镜，7为飞秒激光，8为环形金刚石刀具，9为圆柱形支撑棒；

图3为深加工好的金刚石刀具示意图。

具体实施方式

下面结合图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种基于飞秒激光制备技术的金刚石刀具的深加工方法。图1反应了待加工的环形金刚石刀具，其中1为环形孔，2为刃口。为得到在刃口上分布有周期性微小凹槽的金刚石刀具，选用的待加工样品的直径为2毫米。

加工系统示意图如图2所示：包括驱动部件和飞秒激光直写部件；

驱动部件包括具有旋转轴的三维平移台3、固定在三维平移台3旋转轴上的夹具5、一端固定在夹具5上的圆柱形支撑棒9；圆柱形支撑棒用于固定毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具8；三维平移台可带动支撑棒沿自身中心轴方向移动及绕自身中心轴回转；

飞秒激光直写部件包括飞秒激光7、物镜6；飞秒激光器7焦点为脉冲重复频率为100到100k赫兹、脉冲宽度为30到150飞秒、波长为325到1064纳米、功率为0.1到20毫瓦的超短脉冲激光；物镜将飞秒激光聚焦于圆柱形支撑棒上的环形金刚石刀具的刃口上；物镜的数值孔径值为0.3至0.9。

一种基于飞秒激光制备技术的金刚石刀具的加工方法，包括以下内容：

步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的环形金刚石刀具，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁。

步骤二、将清洁后环形金刚石刀具固定于圆柱形支撑棒上。且可以在该支撑棒上一次性固定多个的金刚石刀具样品。

步骤三、再将支撑棒的一端固定在具有旋转轴的三维平移台上。通过夹具固定好，且精细调节夹具，使支撑棒中心轴与水平面平行。

步骤四、选用脉冲重复频率为100到100k赫兹、脉冲宽度为20fs-100ps，或选择30到150飞秒、波长为325到1064纳米，功率为0.1到20毫瓦的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.3至0.9的物镜垂直聚焦在环形金刚石刀具刃口顶端上；然后在平行于支撑棒的方向上调节三维平移台，使激光聚集位置离开第一个刀具刃口位置几个微米。

脉冲宽度20fs-100ps：激光的脉冲宽度越窄，其加工材料时产生的热效应越小，由于热效应导致的材料损伤如微应变、微裂纹和重铸层等也越小，加工精度越高，因此更短脉冲宽度的飞秒激光较皮秒激光在微加工时有更明显优势，虽然皮秒激光可用于本发明的加工，但飞秒激光更具优势。

步骤五、通过快门控制激光通断以及在平行于支撑棒中心轴的方向上移动三维平移台，使金刚石刀具刃口顶端依次通过激光焦点，然后控制旋转轴使金刚石刀具旋转一定角度，再与之前相反方向移动三维平移台，仍然使金刚石刀具刃口顶端依次通过激光焦点；如此反复，便可在环形的金刚石刀具刃口上得到周期性的微小凹槽结构。

本发明首先利用飞秒激光直写的方式在金刚石刀具刃口产生一个微米级的凹槽，并且通过精确控制三维平移台与旋转轴的移动，在圆形状的金刚石刀具上得到周期性的微小凹槽。此外，在加工过程中可以通过控制激光功率与激光聚集位置来精确控制凹槽的宽度与深度。

实施例：

1、将环形金刚石刀具依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁。

2、将10个清洁后的金刚石刀具依次紧挨固定在直径为2毫米的圆柱形支撑棒上。

3、将支撑棒的一端固定在具有旋转轴的三维平移台上。通过夹具固定好。精细调节夹具，使支撑棒中心轴与水平面平行。

4、选用脉冲重复频率为1K赫兹、脉冲宽度为50fs、波长为800纳米，功率为2毫瓦的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5的物镜垂直聚焦在环形金刚石刀具刃口顶端上；然后在平行于支撑棒的方向上调节三维平移台，使激光聚集位置离开第一个刀具刃口位置10微米。

5、打开机械快门，在平行于支撑棒中心轴的方向上以100微米每秒的速度移动三维平移台，使金刚石刀具刃口顶端依次通过激光焦点，移动1100微米后停止移动；然后控制旋转轴使金刚石刀具转动3度，再与之前相反方向以相同速度移动三维平移台，待金刚石刀具刃口顶端依次通过激光焦点后停止移动，移动的距离为1100微米；如此反复120次后，便可在环形的金刚石刀具刃口上得到120个均匀分布的微小凹槽结构。

图3为深加工好的金刚石刀具，微小凹槽尺寸：宽度：4微米，深度3微米。

Claims (6)

1.一种毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法，其特征在于：

1)选取多个未加工刃口的毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具，彻底清洁；

2)将清洁后环形金刚石刀具并排固定于圆柱形支撑棒上；

3)将圆柱形支撑棒的一端通过夹具固定在具有旋转轴的三维平移台上；

4)通过快门控制激光通断以及在平行于圆柱形支撑棒中心轴的方向上移动三维平移台，使多个环形金刚石刀具刃口顶端依次通过飞秒激光焦点，然后控制旋转轴使环形金刚石刀具旋转2-5°，再反方向移动三维平移台，仍然使多个环形金刚石刀具刃口顶端依次通过飞秒激光焦点；

所述飞秒激光焦点采用脉冲重复频率为100到1k赫兹、脉冲宽度为20fs-100ps、波长为325到800纳米、功率为0.1到2毫瓦的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.3至0.9的物镜聚焦；

5)重复步骤4)，直至在多个环形金刚石刀具的刃口上均得到周期性的微小凹槽结构，微小凹槽尺寸为：宽度：4微米，深度3微米。

2.根据权利要求1所述的毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法，其特征在于：

所述飞秒激光焦点选用脉冲宽度为50fs的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5的物镜聚焦。

3.根据权利要求1或2所述的毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工方法，其特征在于：

金刚石刀具每次旋转的角度为3度。

4.一种毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工系统，其特征在于：包括驱动部件和飞秒激光直写部件；

所述驱动部件包括具有旋转轴的三维平移台、固定在三维平移台旋转轴上的夹具、一端固定在夹具上的圆柱形支撑棒；所述圆柱形支撑棒用于固定毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具；所述三维平移台可带动支撑棒沿自身中心轴方向移动及绕自身中心轴回转；

所述飞秒激光直写部件包括飞秒激光、物镜；所述飞秒激光为脉冲重复频率为100到100k赫兹、脉冲宽度为30到150飞秒、波长为325到800纳米、功率为0.1到2毫瓦的超短脉冲激光；所述物镜将飞秒激光聚焦于支撑棒上的环形金刚石刀具的刃口上；所述物镜的数值孔径值为0.3至0.9；

所述圆柱形支撑棒能够固定多个环形金刚石刀具。

5.根据权利要求4所述毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工系统，其特征在于：

所述飞秒激光为脉冲重复频率为1K赫兹、脉冲宽度为50fs的超短脉冲激光；所述物镜的数值孔径值为0.5。

6.根据权利要求5所述毫米以及亚毫米量级环形金刚石刀具的深加工系统，其特征在于：所述圆柱形支撑棒水平设置。