CN109954978A - 针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统及基于该系统的加工方法 - Google Patents

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Abstract

针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统及基于该系统的加工方法，涉及激光加工技术领域。本发明是为了解决传统的机械加工手段无法制备纳米孪晶金刚石刀具的问题。本发明利用能量束进行加工，在材料去除过程中不受材料性能的限制，能够实现对新型极硬刀具的加工。同时，本发明单次扫描宽度由圆振动振幅决定，可实现振幅最大值以内的稳定材料去除，因此其加工效率通常将提高10倍以上。并且在单次扫描面积上，入射激光能量将被更加均匀的分布在加工表面上，改善飞秒激光由热效应带来的对材料表面的强烧蚀破坏，大大提高了加工精度。

Description

针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统及基于该系统 的加工方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域。
背景技术
随着新型难加工材料、陶瓷材料和超硬材料在国际、国内的高速发展，新型材料性能的逐渐提高，对于其材料去除和相应的高效、高精度零件成型的需求也越来越高。纳米孪晶金刚石(ntD)是一种新型的金刚石材料，其硬度可达天然金刚石的两倍(Hv～200GPa)，其作为机械加工工具具有广泛和颠覆性的前景。但是，传统的机械减材制造方法(如车削、铣削、刨削、磨削等)，其工具(如车刀、铣刀、砂轮等)材料本身的性能低于ntD材料，因此现有的机械加工手段从理论上和实践上都难以实现对ntD的高效、高精度加工。而增材制造(如3D打印等)方法目前仅限于某些成熟的商品化材料应用领域，对于新型材料来说，目前还无法实现。
激光加工方法目前已被广泛应用于材料切割领域，被认为是一种灵活性高，适用范围广的加工手段，其材料去除过程与材料本身的机械性能关系很小，因此可更容易的实现超硬材料的加工。但商品化的激光设备受限于加工精度，其在工业零件的高精度加工或零件表面的精密抛光方面仍暂时无法实现。飞秒激光被认为是一种精密加工手段，但其光斑尺寸较小(微米级)，加工效率较低，难以广泛应用于毫米级以上的机械零件制造。
由于机械加工工具的制备需要在保证效率的同时也提高加工精度，而ntD刀具暂时无法利用传统的机械加工手段制备，因此亟需一种可行的、可靠的ntD刀具加工方法。
发明内容
本发明是为了解决传统的机械加工手段无法制备纳米孪晶金刚石刀具的问题，现提供针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统及基于该系统的加工方法。
针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统，包括：光源、振镜系统、聚焦透镜和位移台，振镜系统包括第一振动反射镜、第一振动电机、第二振动反射镜和第二驱动电机；
光源的出射光通过反射系统入射至第一振动反射镜，第一振动反射镜的反射光入射至第二振动反射镜，第二振动反射镜的反射光通过聚焦透镜聚焦至位移台表面的工件上，
第一振动电机用于驱动第一振动反射镜运动，使得聚焦透镜聚焦后的光束能够沿Y方向运动，
第二驱动电机用于驱动第二振动反射镜运动，使得聚焦透镜聚焦后的光束能够沿X方向运动，
位移台能够沿Y方向运动，
Y方向与X方向相互垂直，且Y方向与X方向所在平面与位移台表面平行。
上述振镜系统震动频率为500Hz，振幅为0mm～0.5mm。
基于上述针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统的加工方法，该方法包括以下步骤：
开启光源，使聚焦透镜聚焦后的激光入射到工件的待加工面上；
启动第一振动电机和第二驱动电机，分别驱动第一振动反射镜沿Y方向运动、第二振动反射镜沿X方向运动，使聚焦透镜聚焦后的激光沿圆形轨迹运动；
驱动位移台沿Y方向运动，完成纳米孪晶金刚石刀具轮廓的加工。
在一个完整的圆形轨迹中，类刀刃数量n、激光脉冲频率fl和振镜系统振动频率fg满足以下公式：
n＝fl/fg。
有益效果：
首先，本发明利用能量束进行加工，在材料去除过程中不受材料性能的限制，能够实现对新型极硬ntD刀具的加工。
其次，由于振镜运动的加入，其单次激光扫描宽度将大大提高。在不考虑热影响区的情况下，传统飞秒激光加工中单次扫描的材料去除宽度约等于飞秒激光光束束腰半径，即光斑直径。但通常飞秒激光经过聚焦透镜聚焦后的光斑尺寸较小，一般为10μm左右，因此限制了其加工效率。而基于扫描振镜的飞秒激光加工方法单次扫描宽度由圆振动振幅决定，可实现振幅最大值以内的稳定材料去除，因此其加工效率通常将提高10倍以上。
最后，由于振镜运动的加入，加工方式转变为类铣削方式，扫描宽度增加，类铣刀当量转速较高，因此在单次扫描面积上，入射激光能量将被更加均匀的分布在加工表面上，改善飞秒激光由热效应带来的对材料表面的强烧蚀破坏，大大提高了加工精度。并通过对ntD刀具的加工试验实测，利用该工艺加工的ntD刀具，表面粗糙度可达Ra30-40nm，刃口钝圆半径可达0.3-0.5μm。
附图说明
图1为针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统的结构示意图；
图2为基于针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统的加工方法中的加工轨迹图；
图3为纳米孪晶金刚石刀具前、后刀面加工方向示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统，包括：光源2、振镜系统、聚焦透镜5和位移台1，振镜系统包括第一振动反射镜3、第一振动电机、第二振动反射镜4和第二驱动电机；
光源2的出射光通过反射系统入射至第一振动反射镜3，第一振动反射镜3的反射光入射至第二振动反射镜4，第二振动反射镜4的反射光通过聚焦透镜5聚焦至位移台1表面的工件上，
第一振动电机用于驱动第一振动反射镜3运动，使得聚焦透镜5聚焦后的光束能够沿Y方向运动，
第二驱动电机用于驱动第二振动反射镜4运动，使得聚焦透镜5聚焦后的光束能够沿X方向运动，
位移台1能够沿Y方向运动，
Y方向与X方向相互垂直，且Y方向与X方向所在平面与位移台1表面平行。
本实施方式中，在聚焦透镜5前方设置振镜系统，利用对振镜系统中两个振动反射镜的快速响应控制，实现其偏转方向的高频率振动。通过控制振动反射镜的振动角度，使入射的激光实现圆形轨迹的高速运动，然后激光再通过聚焦透镜5的聚焦，使入射到工件表面的光斑形成一种类似于铣削加工中铣刀的转动形式，进而对被加工工件实现材料去除。其中，光斑在每个运动位置都相当于一个刀刃，通常对于飞秒激光加工设备，其脉冲频率较高，类铣刀刀刃数量将达到几百个或几千个。
具体的，振镜的振动频率一般可达500Hz以上，将其折算为类铣刀当量转速，转速将高于30000r/min；振动反射镜的振幅小于0.5mm(与偏转角度有关)，相当于类铣刀直径在0mm～0.5mm内可控，单次激光类铣削宽度小于0.5mm，高于该振幅时，振动反射镜偏转角度较大，将导致光斑严重离焦，无法实现材料去除。飞秒激光最大扫描进给速度0.5mm/s可保证材料去除效率。针对纳米孪晶金刚石材料，飞秒激光实际加工功率0.4W<P<0.8W时可保证材料去除效率，同时激光损伤层小于100nm。
纳米孪晶金刚石刀具形状及轮廓的加工则主要依靠位移台1来实现。针对纳米孪晶金刚石刀具的后刀面，为避免飞秒激光的高斯型分布对刀具刃口的钝化效果，激光的入射方向设定为自前刀面对侧向前刀面方向。针对纳米孪晶金刚石刀具的前刀面，激光的入射方向设定为自刀刃对侧向刀刃方向，同样能避免刃口钝化。此外，由于高斯型分布光束具有一定加工角度，在加工中需根据对应的光束光形，利用倾覆运动台对加工角度进行补偿。
具体实施方式二：本实施方式是基于具体实施方式一所述的针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统的加工方法，本实施方式中，
开启光源2，使聚焦透镜5聚焦后的激光入射到工件的待加工面上。
启动第一振动电机和第二驱动电机，分别驱动第一振动反射镜3沿Y方向运动、第二振动反射镜4沿X方向运动，使聚焦透镜5聚焦后的激光沿圆形轨迹运动；在一个完整的圆形轨迹中，类刀刃数量n、激光脉冲频率fl和振镜系统振动频率fg满足以下公式：
n＝fl/fg。
驱动位移台1沿Y方向运动，完成纳米孪晶金刚石刀具轮廓的加工。
如图2所示，其中7表示被加工工件表面，8表示圆形轨迹，6表示飞秒激光光斑，光斑沿着圆形轨迹高速运动，实现基于振镜系统的飞秒激光加工过程。其中，加工宽度为扫振镜系统运动轨迹的直径。实际用于ntD刀具形状轮廓尺寸的加工依靠位移台1实现。对ntD刀具进行精密加工，如图3所示，首先加工刀具后刀面，飞秒激光入射方向为沿Z轴方向(Z轴垂直于X、Y轴所在平面)。然后对刀具前刀面进行加工，飞秒激光入射方向为X轴方向。通过扫描振镜和精密位移台的协同运动，按照ntD刀具前、后刀面的加工方向加工，最终可形成锋利的刀刃和纳米级的刀面粗糙度。上述方法通过对两个振动反射镜偏转角度或扫描振幅的精密控制及耦合，实现光束在工件表面的圆形加工轨迹。
本实施方式采用类似于铣削加工的手段对新型极硬材料ntD刀具进行表层材料去除，外形轮廓加工，和刀面抛光，能够实现ntD刀具轮廓尺寸的精密加工和刀面的纳米级粗糙度抛光，增大了加工面积，从而提高了加工效率，使光束能量更加均匀分布，从而提高了加工精度，降低了损伤层。为了形成锋利的刀具刃口，避免高斯形分布的钝化效果，激光入射方向将设定为远离刃口位置向刃口位置的方向。

Claims (4)

1.针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统，其特征在于，包括：光源(2)、振镜系统、聚焦透镜(5)和位移台(1)，振镜系统包括第一振动反射镜(3)、第一振动电机、第二振动反射镜(4)和第二驱动电机；
光源(2)的出射光通过反射系统入射至第一振动反射镜(3)，第一振动反射镜(3)的反射光入射至第二振动反射镜(4)，第二振动反射镜(4)的反射光通过聚焦透镜(5)聚焦至位移台(1)表面的工件上，
第一振动电机用于驱动第一振动反射镜(3)运动，使得聚焦透镜(5)聚焦后的光束能够沿Y方向运动，
第二驱动电机用于驱动第二振动反射镜(4)运动，使得聚焦透镜(5)聚焦后的光束能够沿X方向运动，
位移台(1)能够沿Y方向运动，
Y方向与X方向相互垂直，且Y方向与X方向所在平面与位移台(1)表面平行。
2.根据权利要求1所述的针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统，其特征在于，
振镜系统震动频率为500Hz，振幅为0mm～0.5mm。
3.基于根据权利要求1或2所述的针对纳米孪晶金刚石刀具的飞秒激光加工系统的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
开启光源(2)，使聚焦透镜(5)聚焦后的激光入射到工件的待加工面上；
启动第一振动电机和第二驱动电机，分别驱动第一振动反射镜(3)沿Y方向运动、第二振动反射镜(4)沿X方向运动，使聚焦透镜(5)聚焦后的激光沿圆形轨迹运动；
驱动位移台(1)沿Y方向运动，完成纳米孪晶金刚石刀具轮廓的加工。
4.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于，
在一个完整的圆形轨迹中，类刀刃数量n、激光脉冲频率fl和振镜系统振动频率fg满足以下公式：
n＝fl/fg。
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