CN109676258B - 一种基于激光与精密刃磨的cvd金刚石微铣刀制备方法 - Google Patents

一种基于激光与精密刃磨的cvd金刚石微铣刀制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法。该制备方法包括：获取待加工的微铣刀的三维模型；根据所述三维模型确定激光加工路线；按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀；通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。通过本方法或系统能够快速、高质、高效地制备CVD金刚石微铣刀。

Description

一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法
技术领域
本发明涉及微铣刀制备领域，特别是涉及一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法。
背景技术
近几年来，航空航天、国防工业、电子、医疗、生物工程及通讯等领域器械的小型化使得他们对微小装置和零件的需求越来越大。由于微细切削加工加工质量高，可靠性好，并且能加工较为复杂的三维结构以及三维曲面，所以它成为了生产特征尺寸在微米到毫米级，且精度形状要求高的微型零件与结构的最佳选择之一，也是连接宏观与微纳领域的关键技术之一。
在微细切削加工中，微细刀具是必不可少的。以微细铣削为例，其尺寸小，切削参数往往在毫米级以下，导致尺寸效应和刀柄刚度的相对不足，还会出现刃口强度相对较差，易断裂破碎，已加工表面粗糙度较高，毛刺多等有别于传统切削的特殊现象。微铣刀的优化能在很大程度上改善这些问题，但是其制作技术还有待发展完善。目前已经商业化的微铣刀大多是螺旋刃的金刚石涂层硬质合金铣刀，但是这类铣刀使用寿命较短，刃口钝圆半径较大，加工质量不高。另一种则是超硬材料微铣刀，以立方氮化硼(CBN)和金刚石铣刀为主，其中金刚石材料的硬度及弹性模量高，导热性好，摩擦系数小，以及可达到的钝圆半径小，刃口的锋利保持性高，成为了制造微铣刀最适合的材料之一。在金刚石刀具中，PCD微铣刀较为常见，但是其刃口锋利性和可加工性能相对较低，单晶金刚石微铣刀可以获得非常锋利的切削刃，却容易产生解理。化学气相沉积(CVD)金刚石微铣刀各项性能接近单晶金刚石微铣刀，其在没有各向异性导致的解理的同时也没有易切削面，导致采用精密磨削的方法加工效率很低。
在目前存在的几种加工金刚石微铣刀的方法中，线电极电火花磨削加工(WEDG)加工过程不受切削力作用，不受材料硬度限制，加工效率高，但使用这种方法，已加工表面的变质层会降低刀具强度，需要进一步处理；精密磨削刀具制备和修整的方法成熟，是目前商品化微细刀具的主要加工工艺，但受磨削力的影响，刀具的最小成形直径会受到限制；纳秒激光加工的加工过程无颤动，刀具不会变形，加工成本低廉，但加工后的刀具表面存在石墨化变质层，表面质量及精度较低，且加工时间较长；
聚焦离子束溅射(FIB)不受刀具材料限制，刃口钝圆半径可控制在1μm以下，加工质量高，但是加工设备昂贵，材料去除速度慢，难以工业化生产；ICP刻蚀刀头直接成型，无需后续加工，但刀头刀柄焊接较难。
发明内容
本发明的目的是提供及一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法，用以快速、高质、高效地制备CVD金刚石微铣刀。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法，所述制备方法包括：
获取待加工的微铣刀的三维模型；
根据所述三维模型确定激光加工路线；
按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀；
通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
可选的，所述根据所述三维模型确定激光加工路线，具体包括：
根据所述三维模型确定待加工的微铣刀的刀具形状以及刀具参数，所述刀具参数包括刀具前角、刀具后角以及刀刃圆弧半径；
根据所述刀具形状以及所述刀具参数，确定激光加工路线。
可选的，所述按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀，具体包括：
提取所述待加工的微铣刀的尺寸特征；
根据所述待加工的微铣刀的尺寸特征选择激光参数；
根据所述激光参数以及所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀。
可选的，所述通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀，具体包括：
提取所述初始的微铣刀的尺寸特征；
根据所述初始的微铣刀的尺寸特征选择磨削参数；
根据所述磨削参数，通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
本发明还提供了一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备系统，所述制备系统包括：
模型获取模块，用于获取待加工的微铣刀的三维模型；
加工路线确定模块，用于根据所述三维模型确定激光加工路线；
激光加工模块，用于按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀；
磨削模块，用于通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
可选的，所述加工路线确定模块，具体包括：
参数确定单元，用于根据所述三维模型确定待加工的微铣刀的刀具形状以及刀具参数，所述刀具参数包括刀具前角、刀具后角以及刀刃圆弧半径；
加工路线确定单元，用于根据所述刀具形状以及所述刀具参数，确定激光加工路线。
可选的，所述激光加工模块，具体包括：
第一尺寸特征提取单元，用于提取所述待加工的微铣刀的尺寸特征；
激光参数选择单元，用于根据所述待加工的微铣刀的尺寸特征选择激光参数；
激光加工单元，用于根据所述激光参数以及所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀。
可选的，所述磨削模块，具体包括：
第二尺寸特征提取单元，用于提取所述初始的微铣刀的尺寸特征；
磨削参数选择单元，用于根据所述初始的微铣刀的尺寸特征选择磨削参数；
磨削单元，用于根据所述磨削参数，通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明加工过程中首先利用飞秒激光能在极短脉宽内聚焦极高能量的激光束的能力，使CVD金刚石瞬间等离子体化，且等离子体化后的材料迅速喷发从母材中逃逸并带走大量的热能，达到快速去除的目的，解决了CVD金刚石难以进行机械加工的难题，并能够有效降低磨削载荷，为后续的磨削加工提高加工效率；在飞秒激光加工过程中，由于其激光脉冲作用时间远远小于能量向周围材料扩散的时间，且被加工材料直接发生的是高度电离而不是熔化和气化，所以极大的减弱了热效应的影响，实现了激光对材料的“冷”加工。在后续的精密磨削中，经过飞秒激光加工的刀具表面有微小的材料起伏，磨削时，只要磨粒对这些起伏进行往复的刮擦，在起伏的根部就会产生细小裂纹，之后表面材料沿裂纹去除，而不是沿晶界的大规模剥落，从而导致磨削抗力小，加工表面质量高，磨削出的刀具切削刃锋利，几乎没有裂纹，能更好地应用于精密与微细加工领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法的流程图；
图2为本发明实施例飞秒激光单脉冲辐照与激光加工路线示意图；
图3为本发明实施例飞秒激光加工器进行加工的原理图；
图4为本发明实施例精密磨削加工示意图；
图5为本发明实施例1中微铣刀的结构示意图；
图6为本发明实施例2中大长径比微铣刀的结构示意图
图7为本发明实施例基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备系统的结构框图。
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。
本发明的目的是提供及一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法，用以快速、高质、高效地制备CVD金刚石微铣刀。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法，所述制备方法包括：
步骤101：获取待加工的微铣刀的三维模型。设计出所需加工的微铣刀三维模型，并对其进行建模、模态分析以及铣削仿真。
步骤102：根据所述三维模型确定激光加工路线。具体的，根据所述三维模型确定待加工的微铣刀的刀具形状以及刀具参数，所述刀具参数包括刀具前角、刀具后角以及，激光加工路线如图2所示。
步骤103：按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀。具体的：提取所述待加工的微铣刀的尺寸特征；根据所述待加工的微铣刀的尺寸特征选择激光参数；根据所述激光参数以及所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀。如图3所示，将飞秒激光束以微米级别的尺度聚焦到CVD金刚石刀具表面，被辐照的材料温度将在极短的时间内急剧上升，从而瞬间变成高温高压的等离子体从母材中喷发逃逸，应用此法按照所设计好的刀具形状对CVD金刚石材料进行加工，达到快速去除材料的效果。
步骤104：通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。具体的，提取所述初始的微铣刀的尺寸特征；根据所述初始的微铣刀的尺寸特征选择磨削参数；根据所述磨削参数，通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。使用精密刀具刃磨机床对飞秒激光加工过的区域进行精密磨削，去除少量的残余材料并提高其加工表面质量，降低表面粗糙度。
经过飞秒激光加工完成后的刀具装夹在精密磨床上，如图4所示，对其激光加工表面进行精密磨削。
实施例1：
刀头材料选为CVD金刚石厚膜，CVD金刚石刀头有效尺寸为：长0.9mm、宽0.6mm、厚0.45mm，结合本发明所提出的基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法进行进一步说明：
(1)设计出所需加工的微铣刀三维模型，并对其进行建模、模态分析以及铣削仿真，选择出合适的刀具参数为，刀柄直径4mm，刀刃长度1mm，刀刃直径0.8mm，前角0°，后角6°，并根据刀具形貌设计激光加工线路图。
(2)将CVD金刚石毛坯件装夹在飞秒激光加工器上，在前角和后角加工中，分别调整好装夹的角度为0°和6°，将设计好的激光线路图导入激光加工系统中，并设置好激光参数，其中，飞秒激光脉冲能量25mJ，脉宽为70fs，重复频率为1200Hz，填充间距2μm，激光扫描速度2.0mm/s。
(3)启动飞秒激光器让其按照所设计的线路图对CVD金刚石毛坯件进行快速去除加工，加工过程中要始终保持飞秒激光束的聚焦，焦距为45mm。
(4)将经过飞秒激光加工完成后的刀具装夹在精密磨床上，对其激光加工表面进行精密磨削，其中砂轮粒度选择在6μm，磨削速度为21.326m/s，进给率为0.205mm/s，磨削循环16次或18次。最终得到如图5所示的铣刀，此铣刀为两刃平底铣刀，有两个侧刃和两个底刃，其切削刃、底刃、前后刀面如图4所示，侧刃可用于侧铣以及铣槽加工，底刃可用于平面铣和端铣。经测量，加工时间比使用纳秒激光缩短了3～4倍，且加工得到的刀具前后刀面粗糙度Ra值78nm，刀刃钝圆半径580nm。
实施例2：
使用本发明的方法也可以加工出大长径比的CVD金刚石微铣刀，刀头材料选为CVD金刚石厚膜，CVD金刚石刀头有效尺寸为：长1.5mm、宽0.5mm、厚0.55mm，结合本发明所提出的基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法制备出的CVD金刚石大长径比微铣刀，可以增加微铣刀的有效切削刃长度，能更好的应用于高深宽比结构的工件加工中。具体步骤如下：
(1)设计出所需加工的微铣刀三维模型，并对其进行建模、模态分析以及铣削仿真，选择出合适的刀具参数为，刀柄直径4mm，有效切削刃长度2.5mm，刀刃直径0.5mm，前角-45°，后角45°，并根据刀具形貌设计激光加工线路图。
(2)将CVD金刚石毛坯件装夹在飞秒激光加工器上，在前角和后角加工中，调整好装夹的角度为45°，将设计好的激光线路图导入激光加工系统中，并设置好激光参数，其中，飞秒激光脉冲能量28mJ，脉宽为60fs，重复频率为1200Hz，填充间距2μm，激光扫描速度1.8mm/s。
(3)启动飞秒激光器让其按照所设计的线路图对CVD金刚石毛坯件进行快速去除加工，加工过程中要始终保持飞秒激光束的聚焦，焦距为40mm。
(4)将经过飞秒激光加工完成后的刀具装夹在精密磨床上，对其激光加工表面进行精密磨削，其中砂轮粒度选择在6μm，磨削速度为22.586m/s，进给率为0.202mm/s，磨削循环16次或18次。最终得到如图5示的铣刀，此铣刀为大长径比的球头微铣刀，其切削刃、前刀面、后刀面如图6所示，切头微铣刀比普通端铣刀的尖角更强壮，不易崩坏，它的大长径比使其可应用于高深宽比结构的工件加工中，且在加工间距和切削深度可使用更大的数值，在加工效率提高的同时也提升了加工面的质量。经测量，加工时间比使用纳秒激光缩短了3～4倍，且加工得到的刀具前后刀面粗糙度Ra值79nm，刀刃钝圆半径575nm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明加工过程中首先利用飞秒激光能在极短脉宽内聚焦极高能量的激光束的能力，使CVD金刚石瞬间等离子体化，且等离子体化后的材料迅速喷发从母材中逃逸并带走大量的热能，达到快速去除的目的，解决了CVD金刚石难以进行机械加工的难题，并能够有效降低磨削载荷，为后续的磨削加工提高加工效率；在飞秒激光加工过程中，由于其激光脉冲作用时间远远小于能量向周围材料扩散的时间，且被加工材料直接发生的是高度电离而不是熔化和气化，所以极大的减弱了热效应的影响，实现了激光对材料的“冷”加工。在后续的精密磨削中，经过飞秒激光加工的刀具表面有微小的材料起伏，磨削时，只要磨粒对这些起伏进行往复的刮擦，在起伏的根部就会产生细小裂纹，之后表面材料沿裂纹去除，而不是沿晶界的大规模剥落，从而导致磨削抗力小，加工表面质量高，磨削出的刀具切削刃锋利，几乎没有裂纹，能更好地应用于精密与微细加工领域。
如图7所示，本发明还提供了一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备系统，所述制备系统包括：
模型获取模块701，用于获取待加工的微铣刀的三维模型。
加工路线确定模块702，用于根据所述三维模型确定激光加工路线。
所述加工路线确定模块702，具体包括：
参数确定单元，用于根据所述三维模型确定待加工的微铣刀的刀具形状以及刀具参数，所述刀具参数包括刀具前角、刀具后角以及刀刃圆弧半径；
加工路线确定单元，用于根据所述刀具形状以及所述刀具参数，确定激光加工路线。
激光加工模块703，用于按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀。
所述激光加工模块703，具体包括：
第一尺寸特征提取单元，用于提取所述待加工的微铣刀的尺寸特征；
激光参数选择单元，用于根据所述待加工的微铣刀的尺寸特征选择激光参数；
激光加工单元，用于根据所述激光参数以及所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀。
磨削模块704，用于通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
所述磨削模块704，具体包括：
第二尺寸特征提取单元，用于提取所述初始的微铣刀的尺寸特征；
磨削参数选择单元，用于根据所述初始的微铣刀的尺寸特征选择磨削参数；
磨削单元，用于根据所述磨削参数，通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
获取待加工的微铣刀的三维模型；
根据所述三维模型确定激光加工路线；
按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀，所述飞秒激光加工器重复频率为1200Hz，激光扫描速度为1.8mm/s或2.0mm/s；飞秒激光脉冲能量为25mJ，脉宽为70fs；
所述按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀，具体包括：
提取所述待加工的微铣刀的尺寸特征；
根据所述待加工的微铣刀的尺寸特征选择激光参数；
根据所述激光参数以及所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀；
通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀；所述微铣刀的刀刃钝圆半径为580nm或者575nm；
所述通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀，具体包括：
提取所述初始的微铣刀的尺寸特征；
根据所述初始的微铣刀的尺寸特征选择磨削参数；
根据所述磨削参数，通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
2.根据权利要求1所述的基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备方法，其特征在于，所述根据所述三维模型确定激光加工路线，具体包括：
根据所述三维模型确定待加工的微铣刀的刀具形状以及刀具参数，所述刀具参数包括刀具前角、刀具后角以及刀刃圆弧半径；
根据所述刀具形状以及所述刀具参数，确定激光加工路线。
3.一种基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备系统，其特征在于，所述制备系统包括：
模型获取模块，用于获取待加工的微铣刀的三维模型；
加工路线确定模块，用于根据所述三维模型确定激光加工路线；
激光加工模块，用于按照所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀，所述飞秒激光加工器重复频率为1200Hz，激光扫描速度为1.8mm/s或2.0mm/s；飞秒激光脉冲能量为25mJ，脉宽为70fs；
所述激光加工模块，具体包括：
第一尺寸特征提取单元，用于提取所述待加工的微铣刀的尺寸特征；
激光参数选择单元，用于根据所述待加工的微铣刀的尺寸特征选择激光参数；
激光加工单元，用于根据所述激光参数以及所述激光加工路线，通过飞秒激光加工器进行加工，得到初始的微铣刀；
磨削模块，用于通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀；所述微铣刀的刀刃钝圆半径为580nm或者575nm；
所述磨削模块，具体包括：
第二尺寸特征提取单元，用于提取所述初始的微铣刀的尺寸特征；
磨削参数选择单元，用于根据所述初始的微铣刀的尺寸特征选择磨削参数；
磨削单元，用于根据所述磨削参数，通过精密磨床对所述初始的微铣刀进行磨削，得到加工好的微铣刀。
4.根据权利要求3所述的基于激光与精密刃磨的CVD金刚石微铣刀制备系统，其特征在于，所述加工路线确定模块，具体包括：
参数确定单元，用于根据所述三维模型确定待加工的微铣刀的刀具形状以及刀具参数，所述刀具参数包括刀具前角、刀具后角以及刀刃圆弧半径；
加工路线确定单元，用于根据所述刀具形状以及所述刀具参数，确定激光加工路线。
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Application publication date: 20190426

Assignee: SUZHOU XUBO TESTING SERVICE Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2020320000311

Denomination of invention: A preparation method of CVD diamond micro milling cutter based on laser and precision grinding

Granted publication date: 20200714

License type: Common License

Record date: 20201204

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