CN107617860A - 加工超硬材料刀具的方法及其实现 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加工超硬材料刀具的方法及其实现方式，用超快激光作用在材料时升华现象以及激光产生高温下，气体和超硬材料发生化学反应，例如C+O2=CO2,C+2H2=CH4,联合作用高效加工超硬材料刀具。在至多五轴工件轴，配有测量头和气体喷嘴的至多三轴的激光轴组成的可密闭的数控激光机床内，装夹超硬材料刀具，在软硬件配合下，完成刀具的加工。或者用激光加工超硬材料部分，在另一台数控机床上，完成刀具基体部分的加工。或者加工好刀具基体，钎焊超硬材料，在数控激光机床上完成超硬材料部分的加工。该发明实现了超硬材料刀具的高效、超精密加工。该发明也适用于超硬材料其他用途的高效、精密加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光和化学作用联合使用加工超硬材料刀具的方法，属于机械制造领域和新材料应用领域。该方法加工的超硬材料刀具可用于碳纤维复合材料(CFRP)，陶瓷基复合材料(CMC)，金属基复合材料(MMC)，陶瓷材料，硬质合金，高温合金材料，光学玻璃，有色金属，高分子材料等的精密和超精密加工。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)具有比强度大、比刚度大、低热膨胀性、耐热冲击、吸震性好、耐磨性好、良好的抗疲劳性和抗腐蚀等优点，已广泛应用于航空航天、国防军工、新能源等高端装备制造领域。碳纤维复合材料(CFRP)在军用飞机上和民用大型客机上使用量可达到50%。碳纤维复合材料(CFRP)在高速列车上大量应用。风力发电机的叶片由碳纤维复合材料(CFRP)制成，最大叶片长度高达90多米。高效、精密加工技术是制约碳纤维复合材料(CFRP)应用的关键，而超硬材料刀具是实现高效、精密加工的重要手段。碳纤维复合材料(CFRP)的高硬度和高强度造成金刚石涂层刀具的过快磨损，严重影响加工效率和精度。
对以碳化硅纤维编织物进行碳化硅涂层强化为代表的陶瓷基复合材料(CMC)，耐温超过2000℃，密度仅有金属合金的1/3，用于发动机引擎，重量轻，燃油效率提高。陶瓷基复合材料CMC高比强度，高比模量，低热膨胀系数，低比重，不易磨损，优良的高温化学稳定性，对裂纹不敏感，不易发生大面积断裂。但是陶瓷基复合材料CMC高硬度，高脆性，低断裂韧性，是难加工材料。陶瓷基复合材料(CMC)，没有相应的刀具实现高效加工，导致很难发挥陶瓷基复合材料(CMC)的高温应用优势。
以铝碳化硅为代表的金属基复合材料(MMC)，低密度，高比强度，高比刚度，高比模量，耐磨，耐腐蚀，尺寸稳定性好，导热性良好，热膨胀系数可调等优点。但是陶瓷的高硬度限制了金属基复合材料(MMC)仅能用于形状简单产品，结构复杂的金属基复合材料(MMC)没有合适的刀具完成精细加工，大大限制了其性能的发挥和应用的领域。
陶瓷牙冠的制造，依靠微型硬质合金球头铣刀的精细铣削，达到恢复咀嚼功能，美化牙齿目的。金刚石涂层微型硬质合金球头铣刀寿命优于硬质合金铣刀，但是陶瓷粉末的高硬度导致金刚石涂层很快磨损，导致陶瓷牙冠生产效率低，成本高。
硬质合金，高温合金材料，光学玻璃，有色金属，高分子材料的高效精密加工由于缺少整体超硬材料刀具，导致效率低，加工质量差，加工周期长。
精密和超精密加工技术需要整体超硬材料刀具的支持，以便提高加工效率和加工质量，同时降低制造成本。
微电子机械系统（MEMS）也需要高精度的整体超硬材料刀具，实现微结构的精细加。
微纳米结构的光学元件，迫切需要微纳米尺度的超硬材料刀具加工。
为提高加工效率，保证加工质量，缩短加工周期，满足高效精密超精密加工直至纳米加工要求，需要整体超硬材料刀具及其新的加工方法。
在试着加工整体聚晶金刚石铣刀时，发现国外和国内的高质量金刚石砂轮，均不能磨削出排屑螺旋槽。由于金刚石砂轮和聚晶金刚石硬度相当，二者接触时发生滑动，根本无法实现磨削加工。虽然线电极电解磨削可以加工出螺旋槽，但是只针对导电的超硬材料。对于不导电的超硬材料，如单晶金刚石、立方氮化硼，线电极电解磨削不能够实现。
金刚石是最硬的物质，其显微硬度可达10000Hv，耐磨性极好，切削刃锋利，刃部粗糙度值小，摩擦系数低，抗黏结性好，热导率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤。以金刚石为代表的超硬材料刀具加工难加工材料，有工效高，刀具寿命长，加工质量好等特点。因此开发整体超硬材料刀具是发挥难加工材料优异物理力学性能，高温稳定性，结构形状复杂性的唯一途径。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种整体超硬材料刀具的加工方法，该方法中超快激光直接气化材料以及高温下气体和超硬材料发生化学反应去除材料相结合，在多轴数控机床上实现整体超硬材料刀具的高效、精密及超精密加工。配备微纳米精度直线位移传感器的气浮或静压直线轴，度秒精度的旋转编码器的气浮或静压回转轴，与矿物铸石床身或高等级整体铸铁床身或花岗岩床身一起，构成微纳米精度的激光多轴数控加工中心，加工微纳米精度的整体超硬材料刀具，进而实现微纳米结构工件的高效加工。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：将真空钎焊的整体超硬材料刀具基体装卡在至多五轴的工件轴上及至多三轴的气体辅助激光加工头和数控测量头构成的可密封数控机床内，根据刀具图纸，在软件和数控系统作用下，高能量激光气蚀作用及高温下超硬材料和辅助气体的化学反应，联合作用完成整体超硬材料刀具的精密加工。或者为发挥激光加工优势，针对整体超硬材料实施激光加工，然后刀具连同夹具一起取出，装卡在多轴机械磨削机床上，完成刀具的基体部分的加工。由于采用通用夹具，因此数控测量头很快确定刀具位置，方便定位和后续加工。
对于整体超硬材料的回转类刀具，如：球头铣刀、端铣刀、钻头，刀具装卡在自动式HSK63刀柄接口，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。或者刀具连同夹具一起取出，重新装卡在多轴机械磨削机床上，完成刀具的基体部分的加工。
对于整体超硬材料的车刀，内R车刀，外R车刀，刀具装卡在旋转的刀架上，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。或者刀具连同夹具一起取出，重新装卡在多轴机械磨削机床上，完成刀具的基体部分的加工
对于整体超硬材料的可转位刀片，刀片装卡在刀片工装上或拉钉系统，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。
对于异形整体超硬材料刀具，设计专用夹具和工装，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。
总之，根据刀具图纸，配备不同工装和卡具，在激光加工机床上完成整体超硬材料刀具的加工，或者取出加工好超硬材料部分的刀具，移入机械磨削机床上完成剩余部分加工，直至完成这个刀具的整体加工。
超硬材料的高硬度，以及导电性差，不导电，传统的机械磨削和放电线切割，几乎无法加工整体超硬材料刀具。高能粒子束是加工超硬材料的唯一手段，其中激光，尤其是超快激光，具有能量密度高，作用时间短，几乎无热影响区等特点，是超硬材料高效加工的首选。在激光气化超硬材料瞬时高温下，气体与超硬材料发生化学反应，加速了材料的去除。激光直接气化材料和瞬时高温下气体和超硬材料的化学反应，联合作用，提高了超硬材料的去除速度。该发明彻底解决了传统机械磨削和放电磨削不能加工整体超硬材料刀具的难题，为先进材料的高效精密超精密直至纳米加工给出了解决方案。同时激光加工的超硬材料刀具，刃口更加圆滑，刀具寿命更长，加工表面质量更高。金刚石刀具，切削速度高达800～1000m/min,大大提高了生产效率。激光防护装置，有效保护人身健康，同时有利于操作者观察激光加工情况，便于及时处理加工中出现的问题。蓄能型液压系统，节能减排。机械磨削与激光加工配合，充分挖掘激光加工潜能。
此发明不限于整体超硬材料刀具的加工，也可用于超硬材料其他应用的高效加工
根据图纸，可以首先加工好基体和其上的导屑槽，钎焊超硬材料在基体上，装夹基体在激光加工机床上，测量头确定导屑槽，用激光加工超硬材料，完成刀具的加工。
附图说明
图1 整体超硬材料回转类刀具；
图2 整体超硬材料内R车刀；
图3 可转位刀片。
具体实施方式
实施例1
整体超硬材料回转类刀具
1.1 激光源
选用波长532nm,脉冲宽度4～10ps，功率20W的绿色光纤激光器。
1.2 气体
选用高纯氧气O2,或高纯氢气H2。
1.3 机床
床身:整体高级铸铁，或整体矿物铸石，或花岗岩床身
工件轴：三个直线轴，配置微米级纳米级直线位移传感器；两个旋转轴，配备精度0.022角秒旋转编码器，工作台配置HSK63刀柄接口。
激光轴：两个直线轴，配置微米级纳米级直线位移传感器；一个旋转轴，配备精度0.022角秒旋转编码器。激光轴上配置高精密扫描振镜，保证激光聚焦。激光轴上配置数控3D测头。激光轴上配有高纯气体喷嘴。喷嘴延长线和激光束相交在刀具上。高纯气体有高纯气体发生器供应。
直线轴：气浮或静压导轨或机械接触式高精度丝杠导轨或直驱导轨。
旋转轴：气浮或静压转台或零背隙机械转台。
机床门：特种塑料或透明矿物材质。起到激光防护和观察激光加工情况的目的。
液压系统:蓄能型液压系统。
机床上设有排气孔。
排气孔通过软管和水箱连接。
机床配有控制系统和加工软件。
1.4 刀具基体
根据图纸磨削硬质合金元棒到图纸要求尺寸。
1.5 整体超硬材料
厚度4mm的聚晶金刚石圆柱。
1.6 真空焊接
在真空炉里，钎焊聚晶金刚石在磨削后的硬质合金元棒上。
1.7 装夹工件
放钎焊好聚晶金刚石圆柱的硬质合金元棒在HSK63刀柄接口里。
1.8 定位
打开数控3D测头，测量刀具位置。
1.9 激光定位
调整激光加工头位置，使得激光聚焦在聚晶金刚石圆柱的边缘上。
1.10 关闭机床门
关闭机床门，为加工做好防护。
1.11 加工
启动加工程序，按图纸加工刀具。加工时，气体只在加工超硬材料时供应，加工硬质合金时关闭。直到加工完整个刀具。或者，按程序，气体和激光同时作用完成超硬材料加工。然后，刀具连同HSK63刀柄接口一起取出，放置在另一台机械磨削机床上，完成硬质合金的螺旋槽加工。
1.12 测量
使用数控3D测头，完成加工好刀具的测量，生成刀具技术报告。
实施例2
整体超硬材料内R车刀
2.1 激光源
选用波长355nm,脉冲宽度＜25ns@100kHz，功率15W@50kHz的紫外二极管泵浦固态激光器。
2.2 气体
选用高纯氧气O2。
2.3 机床
床身:整体高级铸铁，或整体矿物铸石，或花岗岩床身
工件轴：三个直线轴，配置微米级纳米级直线位移传感器；一个旋转轴，配备精度0.022角秒旋转编码器，旋转轴上配置刀具夹具。
激光轴：两个直线轴，配置微米级纳米级直线位移传感器。紫外二极管泵浦固态激光器及其扫描振镜固定在激光轴上。激光轴上配置数控3D测头。激光轴上配有高纯气体喷嘴。喷嘴延长线和激光束相交在刀具上。
直线轴：气浮或静压导轨机械接触式高精度丝杠导轨或直驱导轨。
旋转轴：气浮或静压转台或零背隙机械转台。
机床门：特种塑料或透明矿物材质。起到激光防护和观察激光加工情况的目的。
液压系统:蓄能型液压系统。
机床上设有排气孔。
排气孔通过软管和水箱连接。
机床配有控制系统和加工软件。
2.4 刀具基体
根据图纸磨削硬质合金方棒到图纸要求尺寸。
2.5 整体超硬材料
厚度1mm的单晶金刚石片。
2.6 真空焊接
在真空炉里，钎焊单晶金刚石在磨削后的硬质合金方棒上。
2.7 装卡工件
放钎焊好单晶金刚石的硬质合金方棒在刀具夹具上。
2.8 定位
打开数控3D测头，测量刀具位置。
2.9 激光定位
调整激光加工头位置，使得激光聚焦在单晶金刚石的边缘上。
2.10 关闭机床门
关闭机床门，为加工做好防护。
2.11 加工
启动加工程序，按图纸加工刀具。加工时，气体只在加工超硬材料时供应，加工硬质合金时关闭。直到加工完整个刀具。或者，按程序，气体和激光同时作用完成超硬材料加工。然后，刀具连同夹具一起取出，放置在另一台机械磨削机床上，完成硬质合金的刀面加工。
2.12 测量
使用数控3D测头，完成加工好刀具的测量，生成刀具技术报告。
实施例3
可转位刀片
3.1 激光源
选用波长1064nm,脉冲宽度＜25ns@100kHz，功率15W@50kHz的紫外二极管泵浦固态激光器。
3.2 气体
选用高纯H2。
3.3 机床
床身:整体高级铸铁，或整体矿物铸石，或花岗岩床身
工件轴：三个直线轴，配置微米级纳米极直线位移传感器；一个旋转轴，配备精度0.022角秒旋转编码器，旋转轴上配置刀具夹具。
激光轴：两个直线轴，配置微米级纳米极直线位移传感器。紫外二极管泵浦固态激光器及其扫描振镜固定在激光轴上。激光轴上配置数控3D测头。激光轴上配有高纯气体喷嘴。喷嘴延长线和激光束相交在刀具上。
直线轴：气浮或静压导轨或机械接触式高精度丝杠导轨或直驱导轨。
旋转轴：气浮或静压转台或零背隙机械转台。
机床门：特种塑料或透明矿物材质。起到激光防护和观察激光加工情况的目的。
液压系统:蓄能型液压系统。
机床上设有排气孔。
排气孔通过软管和水箱连接。
机床配有控制系统和加工软件。
3.4 刀具基体
根据图纸磨削好硬质合金基体。
3.5 整体超硬材料
厚度1mm的单晶金刚石片。
3.6 真空焊接
在真空炉里，钎焊单晶金刚石在磨削后的硬质合金方棒上。
3.7 装卡工件
放钎焊好单晶金刚石的硬质合金基体在刀片工装或拉钉系统上。
3.8 定位
打开数控3D测头，测量刀具位置。
3.9 激光定位
调整激光加工头位置，使得激光聚焦在单晶金刚石的边缘上。
3.10 关闭机床门
关闭机床门，为加工做好防护。
3.11 加工
启动加工程序，按图纸加工刀具。加工时，气体只在加工超硬材料时供应，加工硬质合金时关闭。直到加工完整个刀具。或者，按程序，气体和激光同时作用完成超硬材料加工。然后，刀具连同夹具一起取出，放置在另一台机械磨削机床上，完成硬质合金的刀面加工。
3.12 测量
使用数控3D测头，完成加工好刀具的测量，生成刀具技术报告。
Claims (27)
1.加工超硬材料刀具的方法，通过以下步骤实现:
(1)准备超硬材料刀具的基体；
(2)将整体超硬材料真空钎焊在基体上；
(3)将带有整体超硬材料的基体装卡在至多五轴工件轴上和至多三轴气体辅助激光加工头及数控测量头组成的可密闭数控机床内；
(4)根据图纸，在程序控制下，调整激光斑点大小和位置；
(5)根据图纸，在程序控制下，激光蚀刻及高温下气体和超硬材料发生化学反应，双重作用，高效率完成刀具的粗加工；或精加工；
(6)关闭气体供应，再次调整激光斑点大小和位置，对刀具精加工，到成品刀具尺寸；或者只精加工超硬材料部分到图纸要求尺寸；
(7)或者连同刀具夹具一起取出，放在至多五轴联动机械磨削机床上，测量头确定加工位置，对基体加工，完成整个刀具的制造。
2.根据权利要求 1 所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的基体是硬质合金、高速钢。
3.根据权利要求 1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的整体超硬材料是单晶立方氮化硼、聚晶立方氮化硼、聚晶金刚石、单晶金刚石。
4.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的机床是直线轴分辨率微米级至纳米精度，回转轴的分辨率是度秒精度。
5.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的机床配置数控测头。
6.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的气体是高纯氧气，高纯氢气。
7.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光是超快脉冲激光。
8.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光是绿色激光器，紫外激光器，深紫外激光器。
9.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光波长是1064nm，532nm，，355nm，266nm，174nm等。
10.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光加工头是光纤激光头，紫外二极管泵浦固体激光器，深紫外二极管泵浦固体激光器。
11.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的整体超硬材料刀具是回转类刀具，如：钻头、球头铣刀、端铣刀；内R车刀，外R车刀，车刀，可转位刀片。
12.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：步骤(5)所述气体由气体发生器供应。
13.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：步骤(5)化学反应产生的气体通过管道排到水箱里。
14.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：步骤(5)所述气体由流量计精确控制流量。
15.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：步骤(5)所述气体与激光头同步控制。
16.根据权利要求6所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的超快脉冲激光是纳秒激光，皮秒激光，飞秒激光。
17.根据权利要求11所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于： 所述的回转类刀具是固定在HSK63刀柄接口上。
18.根据权利要求11所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的车刀类刀具是固定在旋转的刀架上。
19.根据权利要求11所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的可转位刀片是固定在刀片工装上或拉钉系统上。
20.加工超硬材料刀具的方法，所用激光使用防护系统进行保护。
21.加工超硬材料刀具的方法，所用机床的液压系统是蓄能型液压系统。
22.加工超硬材料刀具的方法，是在软件和数控系统的配合下实现的。
23.加工超硬材料刀具的方法，是在一台激光数控机床上完成，或者是在激光数控机床完成超硬材料刀刃和导屑槽后，在多轴数控机械磨削机床上完成基体部分刀面和排屑槽的加工。
24.根据权利要求10所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：通过振镜精密控制激光的聚焦，实现超硬材料的精密去除，保证刀具尺寸的精度，切削刃口的高质量。
25.根据权利要求10所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：光纤激光发生器放置在恒温的电控柜里，用光纤引入到机床，通过振镜系统输出激光到工件。
26.根据权利要求10所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：除光纤激光发生器外，其他激光器安装在气浮或静压导轨上，再装在机床内部，激光通过振镜聚焦在工件上。
27.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：步骤(3)所述工件轴和激光加工头轴，是机械导轨，机械转台，气浮导轨，气浮转台，静压导轨，静压转台；优选气浮导轨，气浮转台，静压导轨，静压转台。
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