CN108311795A - Pcbn的二氧化碳激光加工方法及加工装置 - Google Patents

Pcbn的二氧化碳激光加工方法及加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种PCBN的二氧化碳激光加工方法，利用激光对材料表面进行切割，此过程中产生的温度梯度导致材料表面发生由立方氮化硼到六方氮化硼的相变，从而引起较大的热应力和内应力，使材料沿着切口方向萌生裂纹以及传播裂纹。本发明加工方式与传统激光加工原理完全不同；有效的提高了激光切割PCBN效率。减小了对材料的热影响区及重铸层的形成，提高了加工表面粗糙度。

Description

PCBN的二氧化碳激光加工方法及加工装置
技术领域
本发明属于硬脆材料加工领域，涉及利用激光加工PCBN，尤其是一种PCBN的二氧化 碳激光加工方法及加工装置。
背景技术
聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)简称PCBN是继人造金刚石之后的 又一种新型超硬合成材料，PCBN是立方氮化硼单晶体进一步加或不加各种结合剂(相)再 经高温高压聚合烧结成的各向同性的多晶块体。金刚石刀具由于其高硬度一直在高速切削方 面具有较高的应用价值，但其化学性质不稳定，易与铁等金属发生化学反应造成刀具断裂， 并且造价较高。而PCBN的硬度仅次于金刚石，与金刚石不同的是，它的造价相对较低，并 且在加工铁或其他金属时几乎不会与其发生化学反应，具有的高硬度、高热稳定性和高的化 学稳定性，因此在刀具行业中得到广泛应用，它的出现为黑色金属及硬、韧难加工材料的切 削加工开拓了广阔的前景。PCBN与金刚石一样具有高硬度难以被加工，因其难加工的性质， 一直制约着超硬刀具的应用与发展，目前的切割方法一般有金刚石砂轮切除式切断、高压水 射流、超声波加工、电火花线切割加工、等几种加工方法。
表1：目前有关PCBN加工方式的加工原理以及所存在的优点、缺点
有表1可知，采用金刚石砂轮切割方法简单，但加工质量差，产品合格率低；高压水射流 在切割过程中会造成大量的水污染、机械维修成本高且切割效率低下；超声波切割效率往往 较低一般不采用；因此这三种加工方式已逐渐被后两种加工方式所取代。采用电火花线切割 进行PCBN的切割为多数刀具生产企业所采用，由于PCBN片中所含硬质颗粒不导电，造成电 火花线切割加工较难，极易断丝。而后国内外的一些科学家曾通过在PCBN烧结过程中加入导 电性好添加剂和增大压力的方法，提高了电火花线切割的可加工性，但其仅能实现小批量制 作和生产，且材料去除率低、切口相对较宽、加工表面质量较差，国内外大多PCBN仍无法加 工；激光切割在加工PCBN中凸显了加工效率高、切割质量好等优点。然而也存在一些问题， 如形成重铸层、切口需要进行二次衍磨，而且材料的去除率较低。因此现在有关PCBN加工方 式存在加工时间长、能量消耗大、效率低下等问题。
针对以上问题，我们对激光切割进行了相应的改进，以解决上述存在的一些问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种快速、廉价和低能耗的PCBN的 二氧化碳激光加工装置及加工方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种PCBN的二氧化碳激光加工方法，利用激光对材料表面进行切割，此过程中产生的 温度梯度导致材料表面发生由立方氮化硼到六方氮化硼的相变，从而引起较大的热应力和内 应力，使材料沿着切口方向萌生裂纹以及传播裂纹。
而且，所述激光为二氧化碳激光，辅助气体采用氮气或氩气或氧气或空气。
而且，二氧化碳激光功率为300-500W，波长为1.6-10.6um。
一种PCBN的二氧化碳激光加工装置，包括激光发射器及激光头，所述的激光头包括依 次同轴连接的喷头、转动盘、分离基座及连接座，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连 通制有激光通孔，该激光通孔与连接座的激光透过孔连通，转动盘通过轴承与分离基座连接， 在连接座内制有多个辅助气体进孔，该辅助气体进孔与连接座中心的激光透过孔连通，在喷 头的端面制有激光及辅助气体出口，在连接辅助气体进口的气管上安装辅助气体压力计。
本发明所使用的激光为二氧化碳激光。当前加工PCBN刀具主要为脉冲激光和电火花线 切割，但两者都有加工效率低下和材料受到热损伤的影响。通过实验证明了二氧化碳激光在 加工超硬陶瓷材料时通入一些流体介质，能够消除一些加工缺陷，而且这种加工方式与传统 激光加工原理完全不同。传统的激光加工通过加热高温蒸发材料从而移除材料，而本发明所 使用的激光加工方式是由利用激光对材料表面进行切割，此过程中产生的温度梯度会导致材 料表面发生由立方氮化硼(cBN)到六方氮化硼(hBN)的相变，从而引起较大的热应力和 内应力，使材料沿着切口方向萌生裂纹以及传播裂纹，从而切开数倍于相变厚度(0.1-0.2mm) 的立方氮化硼材料(1.5-2.5mm)，从而提供一种快速、廉价和低能耗切割PCBN的方法。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明加工方式与传统激光加工原理完全不同；利用相变产生的内应力加深切割深度。
2、本发明加工过程中通入辅助气体，有效的提高了激光切割PCBN效率。
3、本发明减小了对材料的热影响区及重铸层的形成，提高了加工表面粗糙度。
附图说明
图1为激光头的结构示意图；
图2为加工试件不完分离的示意图；
图3为加工试件完分离的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不 是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明采用二氧化碳激光器，激光头结构如图1所示，包括依次同轴连接的喷头1、转 动盘2、分离基座5及连接座6，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连通制有激光通孔4， 该激光通孔与连接座的激光透过孔7连通，转动盘通过轴承3与分离基座连接。在连接座内 制有多个辅助气体进孔8，该辅助气体进孔与连接座中心的激光透过孔连通。在喷头的端面 制有激光及辅助气体出口，在连接辅助气体进口的气管上安装辅助气体压力计。辅助气体由 连接座上的辅助气体进孔进入与二氧化碳工作气体混合后经过激光通孔从激光及辅助气体出 口射出。
本实施例所使用的二氧化碳激光功率为500W，波长为10.6um。分别检查氮气、氩气、 氧气、空气这几种流体介质，在切割过程中对切缝的宽度、深度及切割截面质量的影响，并 使用扫描电子显微镜，Raman光谱和光学测量仪确定每一种介质对切割质量的影响。本次实 验激光加工是以两种不同的切割速度42.3mm/s和84mm/s，其中切割速度42.3mm/s是将试 件完全切开以便检测破裂区域的表面粗糙度。所有的流体介质压力保持在140kPa。所使用的 PCBN试件均为正三角形，边长7mm厚度为1.6mm，顶部(抛光)和侧面的表面粗糙度(Ra) 分别为0.3um和3um。
表1总结了实验过程中氮气、氩气、氧气、空气这几种流体介质对以42.3mm/s的速度 切割，完全分离所测量的切口几何数据及加工表面粗糙度，从表1中可以看出辅助流动介质 在激光加工中起着关键作用，不同的流体介质对激光加工的效率和整体的质量都有一定的影 响。图2为加工试件不完分离的示意图。我们根据表1中已有的数据进行分析，以通入空气 的加工数据作为参照。各辅助气体在切割中对切口宽度的影响，在通入O2的条件下进行切割 产生的切口宽度较小，N2次之并且N2与之相差不大，仅在几个微米之间。这说明O2和N2在加工过程中能够减小热影响区，因为切口的宽度在一定的程度上反映了激光对材料热影响 区的大小。从切口的深度来观察，可以看出N2在激光加工PCBN过程有着明显增加切口深度 的机制，其切口深度是通入空气条件下的4倍多，在相同的条件下加工效率提高了四倍多。 另外切口的尖角也反映了热影响区的大小，从表中数据可以看出N2与其它气体相比在加工过 程中切口的尖角角度最小。加工的表面粗糙度主要分为两个部分如图3所示，即加工区域和 破裂区域。可以看出加工区的表面粗糙度值较大，而各个流体介质所形成的加工区域表面粗 糙度值相差不大。破裂区的表面粗糙度值相对较小，但都未达到抛光的精度。根据以上对比， 综合其加工特性，我们可得出N2能够有效提高激光切割PCBN速度，并且能够减小热影响区 从而减小从铸层的形成。所以本专利所采用的N2辅助激光加工PCBN方式，能够有效的提高 加工速度减小从铸层的形成。
表1：激光加工PCBN的切口几何形状和表面粗糙度
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说， 在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种PCBN的二氧化碳激光加工方法，其特征在于：利用激光对材料表面进行切割，此过程中产生的温度梯度导致材料表面发生由立方氮化硼到六方氮化硼的相变，从而引起较大的热应力和内应力，使材料沿着切口方向萌生裂纹以及传播裂纹。
2.根据权利要求1所述的PCBN的二氧化碳激光加工方法，其特征在于：所述激光为二氧化碳激光，辅助气体采用氮气或氩气或氧气或空气。
3.根据权利要求2所述的PCBN的二氧化碳激光加工方法，其特征在于：二氧化碳激光功率为300-500W，波长为1.06-10.6um。
4.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于：辅助气体的压力为100-180kPa。
5.一种PCBN的二氧化碳激光加工装置，其特征在于：包括激光发射器及激光头，其特征在于：所述的激光头包括依次同轴连接的喷头、转动盘、分离基座及连接座，在喷头、转动盘及分离基座的中心同轴连通制有激光通孔，该激光通孔与连接座的激光透过孔连通，转动盘通过轴承与分离基座连接，在连接座内制有多个辅助气体进孔，该辅助气体进孔与连接座中心的激光透过孔连通，在喷头的端面制有激光及辅助气体出口，在连接辅助气体进口的气管上安装辅助气体压力计。
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