CN108213735A - 一种无石墨化复杂轮廓pcd成型刀具刃口激光加工方法 - Google Patents

一种无石墨化复杂轮廓pcd成型刀具刃口激光加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，包括以下具体步骤：S1.根据加工面轮廓设计PCD刀片轮廓形状，预留加工余量；S2.用长脉冲激光激光将PCD复合片切割成所需PCD刀片；S3.将PCD刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需PCD刀具；S4.焊接后的PCD刀具装夹在激光机床上；S5.采用集成光纤激光器中的短脉冲激光激光器对粗加工后的PCD刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度。本发明能够提高PCD成型刀具刃口的加工效率和加工精度，缩短加工周期，降低PCD刀具前刀面氧化效应，达到无石墨化现象。

Description

一种无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法
技术领域
本发明属于PCD成型刀具加工技术领域，具体涉及无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法。
背景技术
聚晶金刚石（PCD）刀具是将PCD复合片焊接到硬质合金基体上的刀具，既具有金刚石的强度硬度高、耐磨性好、导热性好、摩擦系数小、化学性能稳定的性能，又具有硬质合金良好的抗弯强度等性能；适用于加工钛合金、铝合金、玻璃、碳纤维板及木材等有色金属及难加工非金属材料的高精高光高效加工，在机械加工领域尤其是超精密加工领域有重要的应用前景。
目前国内外常用的加工方法有磨削加工、电火花加工、超声加工和激光加工；磨削加工是目前加工PCD材料最常用的方法，操作方便、加工质量易控制，但加工效率低，灵活性不高，砂轮磨损量大，磨削产生的磨削热易造成表面灼伤；电火花加工可加工复杂形状的PCD刀具，但刃口质量差，易产生崩缺，PCD层表面存在明显石墨化现象，大多用于粗加工；超声加工也是一种新型的加工方法，宏观切削力小，切削热小，不会产生变形和烧蚀，但加工效率低；激光加工属于非接触式加工，速度快、效率高，加工过程无需润滑，加工变形及热变形小。针对不同加工材料和应用场合，PCD刀具的型号多种多样，复合片金刚石微粉粒度、刀具形状等都有所不同，再加上PCD强度硬度高，耐磨性好的性能，使加工变得更加困难。相比传统整体式刀具，PCD刀具是由刀片焊接在基体上而成，在一些特殊应用场合为了保证加工面的一次成型，可将PCD刀片直接切割成与加工面轮廓形状吻合的成型刀，PCD成型刀是根据加工面轮廓要求设计的，包括内凹形、尖锐角等形状，用传统磨削、电火花等加工方法很难同时保证刃口轮廓形状和加工精度，激光加工灵活快捷，可以很好的加工出这些复杂轮廓刀具。
由于长脉冲激光也属于热加工，加工表面依然存在微石墨化层，所以长脉冲激光加工后依然需要后处理，短脉冲激光是一种超快激光，每个脉冲持续的时间极短，具有非常高的瞬时功率，热效应小，加工精度高，属于“冷加工”，但短脉冲激光的能量不足以大量去除PCD材料。专利CN201510569099公开了一种复杂轮廓PCD刀具的超精密加工方法，利用线切割、电腐蚀和激光加工组合加工PCD刀具达到超精密刃口，但该方法需要对刀具实施三次装夹，且每次装夹都需要重新定位，效率和定位精度上都有所不足。专利CN201410648592.8公开了一种PCD刃口加工方法，使用线切割和激光组合加工PCD刀具，但是同样需要多次装夹重复定位，效率和定位精度有所不足。专利CN201610876970.7公开了一种复合长脉冲激光-皮秒-短脉冲激光激光技术的陶瓷钻孔方法，将复合激光加工用在陶瓷孔钻孔上，但陶瓷与PCD材料在性能方面差距很大，钻孔方式与直线切割使用的激光加工方式与路径也不一样。
因此，目前常用的几种加工方法都不足以满足复杂轮廓的PCD成型刀具加工高效率及精度要求，因此迫切需要一种新的复合激光加工方法来进行高精高效的复杂轮廓PCD成型刀具加工。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高精高效的复合长脉冲-短脉冲激光无石墨化加工复杂轮廓PCD成型刀具刃口的加工方法，本发明能够提高复杂轮廓PCD成型刀具刃口的加工效率和加工精度，缩短加工周期，降低PCD刀具前刀面氧化效应，达到无石墨化现象。
本发明的技术方案为：一种无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，包括以下具体步骤：
S1.根据加工面轮廓设计PCD刀片轮廓形状，预留加工余量；
S2.用激光加工系统将PCD复合片切割成所需PCD刀片；
S3.将PCD刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需PCD刀具；
S4.焊接后的PCD刀具采用集成激光加工系统进行加工，集成激光加工系统同时具备长脉冲探头和短脉冲激光探头，采用长脉冲激光探头对PCD刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，吹走熔渣；其中，粗加工激光切割参数为激光功率40-100w，光斑直径0.2-0.5mm，扫描速度200-500mm/min，扫描次数5-10次，激光锥度5°-10°；
S5.采用集成激光加工系统的短脉冲激光探头对粗加工后的PCD刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，精加工激光切割参数为激光功率14-20w、重复频率200-500khz，光斑直径0.02-0.06mm、扫描速度400-1000mm/s、扫描次数10-20次，激光锥度5°-10°。
进一步的，在S3中的集成激光加工系统为脉冲光纤激光器、二氧化碳气体激光器、YAG激光器中的任一种。
进一步的，在S3中的所喷射的辅助气体为氮气、空气、氧气、氩气中的任一种。
进一步的，在S1中，预留加工余量，钝化内凹面、尖角，防止切割和粗加工产生的石墨化影响轮廓精度。
进一步的，在S4中，钝化内凹面、尖角，设定精加工余量的大小大于等于长脉冲激光激光粗加工产生的石墨化区域。
进一步的，在S4中，采用一次装夹，加工过程中通过控制器转换长脉冲激光探头和短脉冲激光探头，不用重复定位，保证定位精度。
进一步的，在S1-S5中，选取最优加工参数，保证最大加工效率和最小石墨化区域。
本发明的有益效果在于：
本发明面向具有复杂轮廓的PCD成型刀具刃口加工，针对复杂轮廓中的内凹面、尖角等，粗加工预留足够的精加工余量，防止粗加工产生的石墨化影响刃口质量。采用多脉宽激光复合加工，优选加工参数，一次装夹定位，保证定位精度，先用长脉冲激光激光进行粗加工，提高了加工效率；再使用短脉冲激光激光精加工，提高了加工精度，缩短了生产周期，降低成本，保证复杂轮廓一次成型，保证刃口的崩刃≤2um。
附图说明
图1为本发明待加工铣刀的结构示意图；
图2为本发明的激光加工系统的结构示意图。
其中，1-加工面轮廓，2-刀具轮廓，3-加工余量，4-刀具尖锐角，5-刀具内凹角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种复合激光加工复杂轮廓PCD成型刀具刃口加工方法，包括以下具体步骤：
S1.根据加工面轮廓设计PCD刀片轮廓形状，预留足够的加工余量；
S2.用长脉冲激光激光将PCD复合片切割成所需PCD刀片；
S3.将PCD刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需PCD刀具；
S4.焊接后的PCD刀具装夹在激光机床上，提供集成激光加工系统，所述集成激光器同时具备长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，采用长脉冲激光激光探头对PCD刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，降低加工表面温度，吹走熔渣；其中，长脉冲激光切割参数为激光功率60w，光斑直径0.2mm，扫描速度300mm/min、扫描次数10次，激光锥度7°。
S5.采用集成光纤激光器中的短脉冲激光对粗加工后的PCD刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，短脉冲激光激光切割参数为激光功率12w、重复频率200khz，光斑直径0.02mm、扫描速度400mm/s、扫描次数15次，激光锥度7°。
进一步的，在S3中的集成激光器为长脉冲激光脉冲光纤激光器。
进一步的，在S3中的所喷射的辅助气体为氮气。
进一步的，在S1中，预留加工余量，钝化内凹面、尖角，防止切割和粗加工产生的石墨化影响轮廓精度。
进一步的，在S4中，钝化内凹面、尖角，设定精加工余量的大小大于等于长脉冲激光激光粗加工产生的石墨化区域。
进一步的，在S4中，采用一次装夹，加工过程中通过控制器转换长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，不用重复定位，保证定位精度。
进一步的，在S1-S5中，选取最优加工参数，保证最大加工效率和最小石墨化区域。
实施例2
一种复合激光加工复杂轮廓PCD成型刀具刃口加工方法，包括以下具体步骤：
S1.根据加工面轮廓设计PCD刀片轮廓形状，预留足够的加工余量；
S2.用长脉冲激光激光将PCD复合片切割成所需PCD刀片；
S3.将PCD刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需PCD刀具；
S4.焊接后的PCD刀具装夹在激光机床上，提供集成激光器，所述集成激光器同时具备长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，采用长脉冲激光激光探头对PCD刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，降低加工表面温度，吹走熔渣；其中，长脉冲激光激光切割参数为激光功率功率80w，光斑直径0.5mm，扫描速度200mm/min、扫描次数5次，激光锥度8°。
S5.采用集成光纤激光器中的短脉冲激光激光器对粗加工后的PCD刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，短脉冲激光激光切割参数为激光功率16w、重复频率300khz，光斑直径0.04mm、扫描速度600mm/s、扫描次数15次，激光锥度8°。
进一步的，在S3中的集成激光器为二氧化碳气体激光器。
进一步的，在S3中的所喷射的辅助气体为空气。
进一步的，在S1中，预留加工余量，钝化内凹面、尖角，防止切割和粗加工产生的石墨化影响轮廓精度。
进一步的，在S4中，钝化内凹面、尖角，设定精加工余量的大小大于等于长脉冲激光激光粗加工产生的石墨化区域。
进一步的，在S4中，采用一次装夹，加工过程中通过控制器转换长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，不用重复定位，保证定位精度。
进一步的，在S1-S5中，选取最优加工参数，保证最大加工效率和最小石墨化区域。
实施例3
一种复合激光加工复杂轮廓PCD成型刀具刃口加工方法，包括以下具体步骤：
S1.根据加工面轮廓设计PCD刀片轮廓形状，预留足够的加工余量；
S2.用长脉冲激光激光将PCD复合片切割成所需PCD刀片；
S3.将PCD刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需PCD刀具；
S4.焊接后的PCD刀具装夹在激光机床上，提供集成激光器，所述集成激光器同时具备长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，采用长脉冲激光激光探头对PCD刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，降低加工表面温度，吹走熔渣；其中，长脉冲激光激光切割参数为激光功率40w，光斑直径0.2mm，扫描速度200mm/min、扫描次数10次，激光锥度5°。
S5.采用集成光纤激光器中的短脉冲激光激光器对粗加工后的PCD刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，短脉冲激光激光切割参数为激光功率14w、重复频率200khz，光斑直径0.02mm、扫描速度400mm/s、扫描次数20次，激光锥度10°。
进一步的，在S3中的集成激光器为YAG激光器。
进一步的，在S3中的所喷射的辅助气体为氧气。
进一步的，在S1中，预留加工余量，钝化内凹面、尖角，防止切割和粗加工产生的石墨化影响轮廓精度。
进一步的，在S4中，钝化内凹面、尖角，设定精加工余量的大小大于等于长脉冲激光激光粗加工产生的石墨化区域。
进一步的，在S4中，采用一次装夹，加工过程中通过控制器转换长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，不用重复定位，保证定位精度。
进一步的，在S1-S5中，选取最优加工参数，保证最大加工效率和最小石墨化区域。
实施例4
一种复合激光加工复杂轮廓PCD成型刀具刃口加工方法，包括以下具体步骤：
S1.根据加工面轮廓设计PCD刀片轮廓形状，预留足够的加工余量；
S2.用长脉冲激光激光将PCD复合片切割成所需PCD刀片；
S3.将PCD刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需PCD刀具；
S4.焊接后的PCD刀具装夹在激光机床上，提供集成激光器，所述集成激光器同时具备长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，采用长脉冲激光激光探头对PCD刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，降低加工表面温度，吹走熔渣；其中，长脉冲激光激光切割参数为激光功率100w，光斑直径0.5mm，扫描速度200mm/min、扫描次数5次，激光锥度10°。
S5.采用集成光纤激光器中的短脉冲激光激光器对粗加工后的PCD刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，短脉冲激光激光切割参数为激光功率18w、重复频率400khz，光斑直径0.06mm、扫描速度800mm/s、扫描次数10次，激光锥度5°。
进一步的，在S3中的集成激光器为长脉冲激光脉冲光纤激光器。
进一步的，在S3中的所喷射的辅助气体为氩气。
进一步的，在S1中，预留加工余量，钝化内凹面、尖角，防止切割和粗加工产生的石墨化影响轮廓精度。
进一步的，在S4中，钝化内凹面、尖角，设定精加工余量的大小大于等于长脉冲激光激光粗加工产生的石墨化区域。
进一步的，在S4中，采用一次装夹，加工过程中通过控制器转换长脉冲激光激光探头和短脉冲激光激光探头，不用重复定位，保证定位精度。
进一步的，在S1-S5中，选取最优加工参数，保证最大加工效率和最小石墨化区域。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。

Claims (6)

1.一种无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.根据加工面轮廓设计PCD刀片轮廓形状，预留加工余量；
S2.用激光加工系统将PCD复合片切割成所需PCD刀片；
S3.将PCD刀片真空焊接到硬质合金基体上，得到所需PCD刀具；
S4.焊接后的PCD刀具采用集成激光加工系统进行加工，集成激光加工系统同时具备长脉冲探头和短脉冲激光探头，采用长脉冲激光探头对PCD刀具进行粗加工，并为后续精加工预留足够精加工余量，同时喷射辅助气体，吹走熔渣；其中，粗加工激光切割参数为激光功率40-100w，光斑直径0.2-0.5mm，扫描速度200-500mm/min，扫描次数5-10次，激光锥度5°-10°；
S5.采用集成激光加工系统的短脉冲激光探头对粗加工后的PCD刀具进行精加工，去除粗加工后的石墨层，进一步提高加工精度，其中，精加工激光切割参数为激光功率14-20w、重复频率200-500khz，光斑直径0.02-0.06mm、扫描速度400-1000mm/s、扫描次数10-20次，激光锥度5°-10°。
2.根据权利要求1所述的无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，其特征在于，在S3中的集成激光加工系统同时具有长脉冲激光加工系统和短脉冲激光加工系统，其中长脉冲激光用于粗加工，短脉冲激光用于精加工。
3.根据权利要求1所述的无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，其特征在于，在S3中的所喷射的辅助气体为氮气、空气、氧气、氩气中的任一种。
4.根据权利要求1所述的无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，其特征在于，在S1中，预留加工余量T，钝化内凹面、尖角。
5.根据权利要求1所述的无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，其特征在于，在S4中，钝化内凹面、尖角，设定精加工余量t的大小≥粗加工产生的石墨化区域。
6.根据权利要求1所述的无石墨化复杂轮廓PCD成型刀具刃口激光加工方法，其特征在于，在S4中，采用一次装夹定位，加工过程中长脉冲激光探头和短脉冲激光探头可通过控制器转换。
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