CN108127252A - 一种加工高精度金刚石微形异形模具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加工高精度金刚石微形异形模具的方法，包括下述步骤：（1）设计模孔孔形，使其在模孔具有丝材导入区、润滑区、挤压变形区、定径区和导出区；（2）根据孔形，设计编制计算机运行程序；（3）通过计算机程序控制三维运动平台作空间三维运动;采取“匀速运动，逐步检测，惯性到位”的方法。（4）设定激光器激光功率，重复脉冲频率；（5）将激光束聚焦在工件上逐圈、逐层匀速扫描加工出所需要的孔形。本发明的优点：采用激光对天然金刚石或人造金刚石单晶体进行打孔加工成微孔矩形模具，采用本发明方法制造的模具可拉制出边长小于0.05mm、高精度、高强度的矩形金属丝材。

Description

一种加工高精度金刚石微形异形模具的方法

技术领域

本发明涉及模具的加工方法，具体地说是涉及一种金刚石矩形微孔模具的加工方法。

背景技术

金刚石拉丝模具用于拉制高强度的硬金属丝材或高精度的软质金属线材。通常情况下孔形为圆孔，即拉制的丝材截面为圆形，但是在特殊应用场合，需要用高强度、高精度、小规格、矩形截面的钨丝、钼丝或其他金属或合金丝材。现有技术中，制造钨丝、钼丝等金属丝材可用圆形丝材通过碾压轧制的方法获得，但其截面不为矩形，是截面两端为圆弧形的扁丝，且宽度和厚度不均，例如在１米的长度内，其宽度和厚度各段的尺寸不尽相同，不能达到高端使用的要求；另一种办法是用模具拉制，但现有技术的模具无法制造这类高端丝材。

现有技术采用的硬质合金模具通常拉制截面为三角形、矩形或多边形的普通线材，小孔径的线材通常采用能导电的钴基金刚石聚晶通过电火花穿孔的方法制造，但是最小尺寸都在０.３mm以上，而且这种模具尺寸精度不高，硬质合金模的使用寿命短。

电火花打孔，即在电极的一端装夹有截面呈所需形状（例如矩形）有一定长度的工具电极，其材料为纯铜或其他易导电的金属（多数为纯铜），被加工的模具毛坯装夹在以煤油为绝缘介质的容器内作为另一电极，将两电极联接到电火花发生器电源的输出端。当发生器工作时，工具电极和模坯之间由控制机构自动跟踪达到一定距离，电脉冲场强击穿介质产生火花放电，模坯电极在产生火花放电的部位受到电腐蚀而损耗，同样，工具电极也要受到电腐蚀，故其工作部分的长度应数倍于模坯厚度。在不断的电腐蚀下，模坯被打通，形成与工具电极外形相似截面尺寸相近的孔，然后，再对模孔进行整形研磨抛光。

但是此种方法受电极尺寸精度的影响、装夹及自动进给装置误差、以及电火花功率大小诸多因素影响，模孔尺寸精度不高，特别是模孔不能做小；而且穿孔后模孔初始形状不一定符合拉丝挤压变形的要求，整形仅能部分校正，制成后的孔形偏差较大，相同规格的模具孔形不尽相同，公差尺寸难以保证，因而模具离散性大；除此之外此种方法消耗贵金属材料——铜及煤油，而且制做加工小孔的电极也很困，而加工小于0.1mm的矩形电极几乎不可能。

因生产发展，市场需求高精度、高强度的细微矩形金属丝材，制造这种高端丝材的模具必须采用自然界中最硬、耐磨性最好的天然金刚石单晶体制作，但因金刚石不导电故常规的机械加工、电加工的方法在金刚石上加工矩形微孔是无能为力的，只能另寻解决的方法。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光加工金刚石矩形微孔模具的方法，此模具可拉制出边长小于0.05mm、高精度、高强度的矩形金属丝材。

本发明的技术方案：一种加工高精度金刚石微形异形模具的方法，包括下述步骤：

（1）设计模孔孔形，使其在模孔的长度方向——Y方向和宽度方向——X方向的纵截面均具有丝材导入区、润滑区、挤压变形区、定径区和导出区；

（2）根据孔形，设计编制计算机运行程序；

（3）通过计算机程序控制三维运动平台作空间三维运动;

控制三维运动平台在加工每一段均采取“匀速运动，逐步检测，惯性到位”的方法,就是充分利用惯性产生的过冲和丝杠间隙作为补偿值，即闭环检测匀速运动中每一步的位置，当运动到接近目标位置很小距离的补偿点时即刻刹车止动，尔后靠平台惯性运动到位，到位时即刻关闭激光。由此，激光在每一加工段的烧灼程度均匀, 致使成孔质好无畸变。适当调整补偿值(每轴分别运行验证取值)和电机步长（加大细分値）以及采用分辨率为0.1μm的光栅尺，定位精度可控制在0.3—0.5μ左右。

（4）通过计算机调节激光器激光功率，自动线性调制激光重复脉冲频率；

（5）将激光束聚焦在工件上，在焦点处产生火化，三维运动平台承载模坯，使其被加工部位在激光焦点处运动，其中计算机程序在长度方向——Y方向和宽度方向——X方向做闭环控制，在高度方向——Z方向不做闭环控制，从而控制激光束在金刚石模坯上逐圈、逐层匀速扫描加工出所需要的孔形。

所述激光束在模坯上可从导入区开始逐层扫描加工，依次为导入区、润滑区、挤压变形区、定径区，出口区从模坯反面扫描加工。

所述激光束扫描加工模坯时，可先从中心点开始沿Y方向或X方向运行到导入区的边沿，然后以相同的间隔沿周边向中心逐圈扫描，当运行到模坯中心点后，该层结束；三维工作平台沿Z方向上升一定高度，以次作为中点以相同的方式进行润滑区、挤压变形区、定径区的扫描加工，然后出口区从反面以相同的方式进行扫描加工。

从导入区开始，所述激光的脉冲频率可按设定值逐层降低，功率逐段增或减以提高峰值功率并兼顾表面加工的光洁度。

所述激光器可为发光二级管泵辅的薄片式激光器。

所述激光器输出的光经扩束镜扩束后成平行光，经４５度全反镜折射，再通过聚焦镜聚焦于工件上，在焦点处产生火花；操作人员通过观测目镜手动控制调整三维工作平台，使模具中心与激光焦点重合，以次为基准参照点，模坯表面场景成像与CCD摄像机，在计算机显示屏上监测加工状态。

采用非常规的从高频到低频的线性变频调制激光频率和功率，从而达到所需的表面光洁度及几何尺寸。

本发明的优点：采用激光对金刚石进行打孔加工成微孔矩形模具，由于经过调制的峰值功率为几千瓦到十几千瓦的脉冲激光能量聚焦到微米级空间的焦点上，该范围内呈几万甚至几十万摄氏度的高温，足以汽化一切有形的物质，因此，采用脉冲激光打孔的方法是可行、有效的。

采用本发明方法在金刚石上加工出的矩形孔，最小尺寸可在0.05×0.05毫米以下，这是现今其他加工方法不能实现的；不需其它高价值的辅助材料如铜，煤油或其他金属材料；采用本发明方法在金刚石上加工出的矩形孔，其效果比电火花加工孔径小，精度高，孔形一致性好；因激光加工的孔形尺寸精度高，后工序研磨加工量小，因而减轻了劳动强度，缩短了生产周期。

本发明方法同样还可以用作加工其他非金属材料如瓷性材料，也可以用来加工微小圆孔（设置计算机程序控制三维工作平台的同时载物台做旋转运动即可实现圆孔的加工，最小孔径可小于0.01mm）。

附图说明

图1为本发明模孔孔形示意图；

图2为实施例中激光扫描加工轨迹示意图

图3为实施本发明中光学系统框架示意图。

具体实施方式

本实施例提供的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，包括下述步骤：

（1）设计模孔孔形，使其在模孔的长度方向——Y方向和宽度方向——X方向的纵截面均具有丝材导入区1、润滑区2、挤压变形区3、定径区4和导出区5（如图1所示）；

（2）根据孔形，设计编制计算机运行程序；

设计编制计算机运行程序, 拟控制三维运动平台在加工每一段均采取“匀速运动，逐步检测，惯性到位”的方法，就是充分利用惯性产生的过冲和丝杠间隙作为补偿值，即闭环检测匀速运动中每一步的位置，当运动到接近目标位置很小距离的补偿点时即刻刹车止动；补偿点可通过先运行停止测量出惯性超出量，再反过来以这超出量作为刹车与终点位置的间隙长度来确定， 每台机台补偿点与丝杆的精度和运行方向有关系。

尔后靠平台惯性运动到位，到位时即刻关闭激光。由此，激光在每一加工段的烧灼程度均匀, 致使成孔质好无畸变。适当调整补偿值(每轴分别运行验证取值)和电机步长（加大细分値）以及采用分辨率为0.1μm的光栅尺，定位精度可控制在0.3—0.5μ左右。

（3）通过计算机程序控制三维运动平台作空间三维运动; 其Ｘ轴和Ｙ轴方向行程各为５０mm，安装光栅位移数字测量系统，分辨率小于0.1微米，做闭环监测控制位移量之用，Ｚ向由电机控制位移量；

（4）发光二级管泵辅的薄片式激光器，设定激光器激光功率，重复脉冲频率，设置从导入区开始，自动控制激光的脉冲频率按设定值逐层降低，功率逐段增或减；采用非常规的从高频到低频的线性变频调制激光频率和功率，从而达到所需的表面光洁度及几何尺寸。

（5）激光器输出的光经扩束镜扩束后成平行光，经４５度全反镜折射，再通过聚焦镜聚焦于工件上，在焦点处产生火花；操作人员通过观测目镜手动控制调整三维工作平台，使模具中心与激光焦点重合，以次为基准参照点，模坯表面场景成像与CCD摄像机，在计算机显示屏上监测加工状态（如图3所示）；三维运动平台承载模坯，使其被加工部位在激光焦点处运动，其中计算机程序在长度方向——Y方向和宽度方向——X方向做闭环控制，在高度方向——Z方向不做闭环控制；激光束扫描加工模坯时，激光从导入区1中心点0向－Ｙ方向运行到－Ｙ/２，再到（－Ｘ/２，－Ｙ/２）点，然后再返向沿周边向中心以编草帽的形式逐圈匀速扫描，每圈间距为微T米，当运行到模坯中心点后，该层结束；三维工作平台沿Z方向上升一定高度，以此作为中点以相同的方式进行润滑区2、挤压变形区3、定径区4的扫描加工，然后出口区5从反面以相同的方式进行扫描加工（每层的加工如图2所示），最后形成所需要的孔形。

Claims (8)

1.一种加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：所述方法包括下述步骤：

（1）设计模孔孔形，使其在模孔的长度方向——Y方向和宽度方向——X方向的纵截面均具有丝材导入区、润滑区、挤压变形区、定径区和导出区；

（2）根据孔形，设计编制计算机运行程序；

（3）通过计算机程序控制三维运动平台作空间三维运动；

（4）通过计算机调节激光器激光功率，自动线性调节激光重复脉冲频率；

（5）将激光束聚焦在工件上，在焦点处产生火化，三维运动平台承载模坯，使其被加工部位在激光焦点处运动，其中计算机程序在长度方向——Y方向和宽度方向——X方向做闭环控制，在高度方向——Z方向不做闭环控制，从而控制激光束在金刚石模坯上逐圈、逐层扫描加工出所需要的孔形。

2.如权利要求1所述的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：所述激光束在模坯上从导入区开始逐层扫描加工，依次为导入区、润滑区、挤压变形区、定径区，出口区从模坯反面扫描加工。

3.如权利要求1所述的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：所述激光束扫描加工模坯时，先从中心点开始沿Y方向或ⅹ方向运行到导入区的边沿，然后以相同的间隔沿周边向中心逐圈扫描，当运行到模坯中心点后，该层结束；三维工作平台沿Z方向上升一定高度，以此作为中点以相同的方式进行润滑区、挤压变形区、定径区的扫描加工，然后出口区从反面以相同的方式进行扫描加工。

4.如权利要求1所述的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：从导入区开始，所述激光的脉冲频率按设定值逐层降低，功率逐段增或减。

5.如权利要求1所述的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：所述激光器为发光二级管泵辅的薄片式激光器。

6.如权利要求1所述的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：所述激光器输出的光经扩束镜扩束后成平行光，经45度全反镜折射，再通过聚焦镜聚焦于工件上，在焦点处产生火花；操作人员通过观测目镜手动控制调整三维工作平台，使模具中心与激光焦点重合，以此为基准参照点，模坯表面场景成像与CCD摄像机，在计算机显示屏上监测加工状态。

7.如权利要求1、2或3所述的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：每一加工段采取“匀速运动，逐步检测，惯性到位”的方法，先运行停止测量出惯性超出量，再以这惯性超出量作为刹车与终点位置的间隙长度；当运动到接近目标位置很小距离的补偿点惯性超出量时即刻刹车止动，尔后靠平台惯性运动到位，仅有几个步长，到位时即刻关闭激光。

8.如权利要求1、2、3或4所述的加工高精度金刚石微形异形模具的方法，其特征在于：线性变频调制激光频率和功率采用从高频到低频。