CN110000467A - 激光加工pcd金刚石刀具刃磨装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置及方法，该刃磨装置包括激光器光路部分以及样品夹持部分；激光器光路部分包括依次连接的激光器、激光器外光路、振镜；样品夹持部分包括第一定位支柱、第二定位支柱、控制升降螺柱、垂直升降平台、样品底座、夹持装置外壳；其中样品底座是为特定金刚石钻头尺寸而设计，加工不同尺寸的钻头时，可以通过更换样品底座实现加工，样品底座定位于垂直升降平台之上，通过样品底座与垂直升降平台的配合，精确定位样品的位置，垂直升降平台通过螺纹与控制升降螺柱连接，控制升降螺柱与电机相连，通过电机带动控制升降螺柱的转动，实现垂直升降平台的精确升降，从而实现加工时的升降及定位。

Description

激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置及方法。

背景技术

PCD(Polycrystalline Daimond)，是采用高品质的金刚石(0.5μm～50μm)，加入一定成分的催化剂，在高温、高压(1450～1700℃，5.5～7.0GPa)下烧结而成的一种多晶金刚石聚合体。长久以来，PCD凭借其极高的硬度和出色的耐磨性，很快应用于各个领域，尤其是在切削用刀具领域正发挥着越来越重要的作用。PCD不仅可以用来生产车刀、镗刀，而且也可生产铣刀、钻头、铰刀、锯、镂刀、冲头等复杂道具。在汽车、航空和母材加工领域，PCD刀具已经得到广泛的应用，加工材料包括铝、铜等有色金属及其合金，也可用于木材、塑料、石墨、石材、陶瓷、橡胶等非金属及纤维增强材料、硬质合金、金属基复合材料等材料的加工。

PCD钻头的生产过程包括PCD复合片的切割、焊接和刃磨三道工序。PCD的高硬度，高耐磨性使PCD刀具的刃磨相当困难，主要体现在材料的磨除率小、砂轮损耗大、刀具效率低、刃口锯齿度较难控制等。金刚石砂轮机械刃磨目前仍然是PCD刀具刃磨的主要方式，但是刃磨效率很低。虽然有超声振动研磨和电火花加工等方式提高PCD的磨削效率，但是这些方法仍然存在着一些缺陷，如加工表面质量达不到切削刀具要求、锯齿度太大，或精度难以控制等。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置及方法，在保证刀具性能的同时，提高刃磨效率，并解决生产过程中样品定位困难的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置，包括激光器光路部分以及样品夹持部分；

激光器光路部分包括依次连接的激光器、激光器外光路、振镜；

激光器出射脉宽在皮秒或飞秒级的脉冲激光，激光器外光路将激光器出射激光调整为平行光，并分散激光能量密度，保护光路后面的光学元件，振镜包括内部的反射镜和出光处的聚焦镜头，通过内部的反射镜的转动，激光在焦点平面的扫描，实现加工不同部位，通过聚焦镜头聚焦激光，使激光的能量集中在某一点，并实现摆动在不同位置时，焦点始终处于同一平面；

样品夹持部分包括第一定位支柱、第二定位支柱、控制升降螺柱、垂直升降平台、样品底座、夹持装置外壳；

垂直升降平台中间设置有与样品底座相配合的定位槽，样品底座置于定位槽内，定位槽的旁边设置有半圆形，方便样品底座的取放；

夹持装置外壳包括垂直相交的两平面，垂直升降平台置于其中一平面上方，另一平面面向垂直升降平台的边缘围有挡板形成一腔体；

第一定位支柱、第二定位支柱通过孔贯穿垂直升降平台，两端通过孔分别与夹持装置外壳的一平面及另一平米上的挡板相连；

控制升降螺柱通过螺纹孔贯穿垂直升降平台，两端通过孔分别与夹持装置外壳的一平面及另一平米上的挡板相连；控制升降螺柱置于第一定位支柱和第二定位支柱中间。

进一步地，所述激光器为皮秒或飞秒激光器。

一种激光加工PCD金刚石刀具刃磨方法，应用于所述刃磨装置，包括如下步骤：

步骤S01：将垂直升降平台放置于夹持装置外壳对应位置，并使需要配合的孔保持同轴；

步骤S02：将第一定位支柱、第二定位支柱从夹持装置外壳上方的孔处插入，并且通过垂直升降平台的对应孔，并加以固定；

步骤S03：将控制升降螺柱从夹持装置外壳上方插入，并与垂直升降平台螺纹啮合；将控制升降螺柱与外部电机相连，从而控制其旋转；

步骤S04：将样品底座放置于垂直升降平台的相应位置；

步骤S05：将样品放入样品底座的相应位置；

步骤S06：开启激光器，通过控制激光扫描与电动机转动，实现PCD金刚石钻头的刃磨。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明使用皮秒或飞秒激光，加工时热影响区小，可以实现冷加工，不会改变金刚石的组织性能，使金刚石钻头的性能可以达到应用要求。现有的金刚石钻头刃磨技术，主要是通过金刚石砂轮对其磨削，对某些特定部位，形状特殊的金刚石刀具难以加工。本发明可以通过镜头及外光路的调整，改变激光光斑的大小，可以使加工精度非常高，使得一些形状特殊的刀具也易于加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置的结构示意图；

图2为样品夹持部分的结构示意图；

图3为金刚石钻头的样品底座的结构示意图；

图4为垂直升降平台的结构示意图；

图5为夹持装置外壳的结构示意图。

附图标记说明：

1、皮秒或飞秒激光器；2、激光器外光路；3、振镜；4、出射激光；5、第一定位支柱；6、第二定位支柱；7、控制升降螺柱；8、PCD金刚石钻头；9、垂直升降平台；10、样品底座；11、夹持装置外壳。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，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。

请参阅图1，图1为激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置的结构示意图，包括激光器光路部分以及样品夹持部分；

激光器光路部分包括依次连接的皮秒或飞秒激光器1、激光器外光路2、振镜3；

皮秒或飞秒激光器1出射脉宽在皮秒或飞秒级的脉冲激光，激光器外光路2将激光器出射激光调整为平行光，并分散激光能量密度，保护光路后面的光学元件，振镜3包括内部的反射镜和出光处的聚焦镜头，通过内部的反射镜的转动，激光在焦点平面的扫描，实现加工不同部位，通过聚焦镜头聚焦激光，使激光的能量集中在某一点，并实现摆动在不同位置时，焦点始终处于同一平面；

样品夹持部分包括第一定位支柱5、第二定位支柱6、控制升降螺柱7、垂直升降平台9、样品底座10、夹持装置外壳11；

垂直升降平台9中间设置有与样品底座10相配合的定位槽，样品底座10置于定位槽内，定位槽的旁边设置有半圆形，方便样品底座10的取放；

夹持装置外壳11包括垂直相交的两平面，垂直升降平台9置于其中一平面上方，另一平面面向垂直升降平台9的边缘围有挡板形成一腔体；

第一定位支柱5、第二定位支柱6通过孔贯穿垂直升降平台9，两端通过孔分别与夹持装置外壳11的一平面及另一平米上的挡板相连；

控制升降螺柱7通过螺纹孔贯穿垂直升降平台9，两端通过孔分别与夹持装置外壳11的一平面及另一平米上的挡板相连；控制升降螺柱7置于第一定位支柱5和第二定位支柱6中间。

请参阅图1。图中1、2、3共同组成激光器光路部分。1为皮秒或飞秒激光器，通常是由内部的发光晶体、声光调制器等元件组成，可以出射脉宽在皮秒或飞秒级的脉冲激光。2为激光器外光路，通常由折光镜、扩束镜等元件组成，扩束镜是为了将激光器出射激光调整为平行光，并对分散激光能量密度，保护光路后面的光学元件。3为振镜，通常有内部的反射镜，出光处会装有聚焦镜头，通过内部的反射镜的转动，实现激光在焦点平面的扫描，实现加工不同部位，聚焦镜头可以聚焦激光，使激光的能量集中在某一点，并实现振镜摆动不同位置时，焦点始终处于同一平面。

请参阅图1与图2。图中8代表PCD金刚石钻头，本装置不仅可以适用于金刚石钻头的加工，可以适用于所有激光减材制造的小型样品加工，能实现各种不同样品的加工需求。图中5、6、7、9、10、11共同组成了样品加工时的样品夹持部分，其中5、6为定位支柱，通过与垂直升降平台9的配合，保证了垂直升降平台9的水平，并作为垂直升降平台9上升或下降时的导轨。7为控制垂直升降平台9移动的控制升降螺栓，与垂直升降平台9的内螺纹啮合，与外部的电机相连，通过电机带动控制升降螺栓7的旋转，通过螺纹传导，实现垂直升降平台9的升降。为了使控制升降螺柱7与外部电机方便连接，可以适当加长控制升降螺柱7，或在夹持装置外壳11上做相应改动。10为样品底座，此样品底座10需要为不同样品制作出不同形状，但是底部形状储存保持不变，与垂直升降平台9的定位槽配合，实现样品的精确定位。9为垂直升降平台，通过与控制升降螺栓7的啮合实现升降，从而使样品上升，实现激光加工的减材制造。11为夹持装置外壳，可以为定位支柱(6、7)提供支撑，并使样品夹持部分易于移动，方便生产加工中的位置变动。

请参阅图3、图4、图5。图3为样品底座示意图，在一个特定尺寸的长方体上挖出样品所用的定位槽，定位槽可以为不同样品制作出不同的形状尺寸，以适应不同的生产需求，长方体外形需要与升降平台配合，因此不能改变其形状尺寸。图4为垂直升降平台示意图，在长方体上钻出三个与支柱配合恰当的孔，并且中间的孔需要与控制升降螺柱7配合，并雕有与控制升降螺柱7啮合的内螺纹，垂直升降平台9中间的定位槽需要与样品底座10配合，形状尺寸不能改变。本实施例在定位槽的旁边多挖了一个半圆形，是为了方便样品底座10的取放。图5为夹持装置外壳示意图，此外壳的形状可以根据不同的生产环境进行改动，但是必须保证两个定位支柱(6、7)与控制升降螺柱7的位置不变。

本发明需要使用皮秒或飞秒脉冲激光器，外光路及振镜。由激光器发出激光，经过外光路及振镜的反射，聚焦于金刚石钻头表面，使金刚石钻头局部温度升高并气化，由振镜控制激光反射位置，从而实现金刚石钻头的加工。激光加工金刚石时，每次扫描会去除金刚石上表面一层材料，此时需要将样品向上平移同样的距离，保证样品表面总是处于焦点位置。加工过程中，激光所加工的圆形，必须与样品同轴，由此产生了样品批量加工过程中定位困难的问题。本发明提出一种夹持装置，解决定位困难问题的同时，还可以实现样品实时向上平移。

本次实例中使用的样品为直径16mm，高16mm的PCD金刚石复合片，使用的激光器为红外皮秒激光器。具体实施步骤如下：

步骤S01：将垂直升降平台9放置于夹持装置外壳11对应位置，并使需要配合的孔保持同轴；

步骤S02：将第一定位支柱6、第二定位支柱7从夹持装置外壳11上方的孔处插入，并且通过垂直升降平台9的对应孔，并加以固定；

步骤S03：将控制升降螺柱7从夹持装置外壳11上方插入，并与垂直升降平台9螺纹啮合，将控制升降螺柱7与外部电机相连，从而控制其旋转；

步骤S04：将样品底座10放置于垂直升降平台9的相应位置；

步骤S05：将样品放入样品底座10的相应位置；

步骤S06：开启激光器1，通过控制激光扫描与电动机转动，实现PCD金刚石钻头的刃磨。

本发明实例使用的样品为PCD金刚石钻头，设计了钻头的精确定位夹持装置，使用激光器对钻头进行加工，从而实现钻头的刃磨。本发明可以根据样品的不同，随机应变地改变夹持装置的形状尺寸，适用于各种加工场合。

本发明使用皮秒或飞秒激光，加工时热影响区小，可以实现冷加工，不会改变金刚石的组织性能，使金刚石钻头的性能可以达到应用要求。现有的金刚石钻头刃磨技术，主要是通过金刚石砂轮对其磨削，对某些特定部位，形状特殊的金刚石刀具难以加工。本发明可以通过镜头及外光路的调整，改变激光光斑的大小，可以使加工精度非常高，使得一些形状特殊的刀具也易于加工。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置，其特征在于，包括激光器光路部分以及样品夹持部分；

激光器光路部分包括依次连接的激光器、激光器外光路、振镜；

激光器出射脉宽在皮秒或飞秒级的脉冲激光，激光器外光路将激光器出射激光调整为平行光，并分散激光能量密度，保护光路后面的光学元件，振镜包括内部的反射镜和出光处的聚焦镜头，通过内部的反射镜的转动，激光在焦点平面的扫描，实现加工不同部位，通过聚焦镜头聚焦激光，使激光的能量集中在某一点，并实现摆动在不同位置时，焦点始终处于同一平面；

样品夹持部分包括第一定位支柱、第二定位支柱、控制升降螺柱、垂直升降平台、样品底座、夹持装置外壳；

垂直升降平台中间设置有与样品底座相配合的定位槽，样品底座置于定位槽内，定位槽的旁边设置有半圆形，方便样品底座的取放；

夹持装置外壳包括垂直相交的两平面，垂直升降平台置于其中一平面上方，另一平面面向垂直升降平台的边缘围有挡板形成一腔体；

第一定位支柱、第二定位支柱通过孔贯穿垂直升降平台，两端通过孔分别与夹持装置外壳的一平面及另一平米上的挡板相连；

控制升降螺柱通过螺纹孔贯穿垂直升降平台，两端通过孔分别与夹持装置外壳的一平面及另一平米上的挡板相连；控制升降螺柱置于第一定位支柱和第二定位支柱中间。

2.根据权利要求1所述的激光加工PCD金刚石刀具刃磨装置，其特征在于，所述激光器为皮秒或飞秒激光器。

3.一种激光加工PCD金刚石刀具刃磨方法，应用于权利要求1-2所述的刃磨装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S01：将垂直升降平台放置于夹持装置外壳对应位置，并使需要配合的孔保持同轴；

步骤S02：将第一定位支柱、第二定位支柱从夹持装置外壳上方的孔处插入，并且通过垂直升降平台的对应孔，并加以固定；

步骤S03：将控制升降螺柱从夹持装置外壳上方插入，并与垂直升降平台螺纹啮合；将控制升降螺柱与外部电机相连，从而控制其旋转；

步骤S04：将样品底座放置于垂直升降平台的相应位置；

步骤S05：将样品放入样品底座的相应位置；

步骤S06：开启激光器，通过控制激光扫描与电动机转动，实现PCD金刚石钻头的刃磨。