CN110480188A - 一种纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法，包括以下步骤：将ntD块材钎焊到硬质合金刀柄上，然后将焊接好的ntD刀柄放置于具有5自由度的实验加工平台，然后采用带振镜的飞秒激光对实验加工平台上的ntD块材先后对其后刀面和前刀面分步进行平行粗加工，然后采用不带振镜的飞秒激光对上述步骤加工后形成的ntD微刀具的后刀面和前刀面依照前后顺序进行平行精加工，直至得到符合要求的纳米孪晶金刚石微刀具。本发明加工质量好、效率高。

Description

一种纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法
技术领域
本发明属于纳米孪晶金刚石微刀具的加工领域，尤其涉及一种纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法。
背景技术
纳米孪晶金刚石(nanotwinned Diamond,ntD)是近年来新合成的超硬材料，维氏硬度达到了220GPa，其硬度接近于单晶金刚石(Single Crystal Diamond,SCD)硬度的两倍。纳米孪晶金刚石具有各向异性、无解理特征，同时在物理性能上导热性优异和耐磨性能好等优势。结合上述优点，纳米孪晶金刚石新兴的超硬材料将会在超精密机械加工和航天航空等方向上的应用上取代单晶金刚石和聚晶金刚石的工业地位。传统机械研磨工艺ntD微刀具容易出现由于晶粒破损形成的凹坑，严重影响刀具的加工质量；同时传统机械加工超硬材料纳米孪晶金刚石效率太低，为了实现纳米孪晶金刚石在工业上的应用，目前急需探索一种纳米孪晶金刚石微刀具的制造加工技术和高效成型工艺。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种加工质量好、效率高纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：本发明涉及一种纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法包括括以下步骤：步骤一：将ntD块材钎焊到硬质合金刀柄上，然后将焊接好的ntD刀柄放置于具有5自由度的实验加工平台，使其能够实现X、Y、Z三个轴方向的平动以及Y、Z轴向的转动；步骤二：然后采用带振镜的飞秒激光对实验加工平台上的ntD块材的后刀面进行平行粗加工，通过调整实验加工平台，将刀柄水平倒置，激光光束从背部开始进给加工后刀面，重复加工直至后刀面出现圆弧刃；步骤三：采用与步骤二中相同的激光参数对步骤二加工后的ntD块材的前刀面进行平行粗加工，通过调整实验加工平台，将刀柄垂直倒置，激光光束从背部开始进给加工前刀面，重复加工直至加工完成后ntD块材具有平整的前刀面，通过步骤二和步骤三的加工将ntD块材加工成ntD微刀具胚材；步骤四：采用不带振镜的飞秒激光对上述步骤三加工后形成的ntD微刀具的后刀面进行平行精加工，通过调整实验加工平台，将刀柄水平倒置，同时ntD微刀具整体倾斜，飞秒激光光束平行后刀面，按照多次轨迹进给方式从背部开始进给加工ntD微刀具的后刀面，直至加工出带有倾角的圆弧刃后刀面；步骤五：利用与步骤四中相同的飞秒激光加工参数对步骤四加工后的ntD微刀具的前刀面进行平行精加工，将刀柄竖直倒置，飞秒激光光束平行前刀面，按照多次轨迹进给方式从背部开始进给加工ntD微刀具的前刀面。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：相对于机械研磨加工工艺，采用激光平行加工工艺，利用带振镜的飞秒激光对ntD块材进行粗加工，使其具备圆弧刃微刀具基本外形轮廓，粗加工有效提高加工过程中材料去除率提高效率；采用激光平行加工工艺，利用不带振镜的飞秒激光对ntD微刀具胚材进行精加工的方法，使得加工ntD微刀具的表面无热损伤、刃口表面质量好。
优选地：所述的步骤二中飞秒激光的参数为，激光频率50k Hz，功率300mW，扫描速度0.6mm/s，振镜振动频率为800Hz，波长343nm。
优选地：所述步骤四中的飞秒激光的参数为，采用激光频率50k Hz、激光功率60mW、扫描速度0.4mm/s、波长343nm。
优选地：所述步骤四中对后刀面进行平行精加工时根据ntD微刀具胚材圆弧周长设置加工轨迹，在同一平面将飞秒激光定位在后刀面初始加工位置后，将激光聚焦光斑位置提前0.1mm，按照激光加工轨迹，单次行走半圆周长，重复三次。
优选地：所述步骤五中对前刀面进行平行精加工时根据ntD微刀具胚材最大直径确定，在同一水平面，按照激光加工轨迹，单次行走直径长度，重复三次。
附图说明
图1为本发明飞秒激光粗加工后刀面完成后形貌图；
图2为本发明飞秒粗加工ntD微刀具轮廓图；
图3为本发明飞秒激光精加工ntD微刀具后刀面示意图；
图4为本发明飞秒激光精加工ntD微刀具前刀面示意图。
图中：1、刀柄；2、ntD块材；3、激光光束；4、后刀面；5、加工轨迹；6、前刀面。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明如下：
1、刀柄；2、ntD块材；3、激光光束；4、后刀面；5、加工路径；6、前刀面。
请参见图1-图4，一种纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：将ntD块材2钎焊到硬质合金刀柄1上，然后将焊接好的刀柄1放置于具有5自由度的实验加工平台，使其能够实现X、Y、Z三个轴方向的平动以及Y、Z轴向的转动；本实施例中，ntD块材直径为1.5mm，厚度约为1mm的圆柱形。
步骤二：然后采用带振镜的飞秒激光对实验加工平台上的ntD块材2的后刀面4进行平行粗加工，通过调整实验加工平台，将刀柄1水平倒置，激光光束3从背部开始进给加工后刀面4，重复加工直至后刀面4出现圆弧刃，如图1中所示；本实施例中，步骤二中飞秒激光的参数为激光频率50k Hz，功率300mW，扫描速度0.6mm/s，振镜振动频率为800Hz，波长343nm，通过带振镜的大功率飞秒激光可有效提高加工过程中ntD块材2材料去除率、从而提高效率。
步骤三：采用与步骤二中相同的激光参数对步骤二加工后的ntD块材2的前刀面6进行平行粗加工，通过调整实验加工平台，将刀柄1垂直倒置，激光光束3从背部开始进给加工前刀面6，重复加工直至加工完成后ntD块材2具有平整的前刀面6，通过步骤二和步骤三的加工将ntD块材2加工成ntD微刀具胚材，如图2所示；
步骤四：采用不带振镜的飞秒激光对上述步骤三加工后形成的ntD微刀具的后刀面4进行平行精加工，通过调整实验加工平台，将刀柄1水平倒置，同时ntD微刀具整体倾斜，飞秒激光光束3平行后刀面4，按照多次轨迹进给方式从背部开始进给加工ntD微刀具的后刀面4，直至加工出带有倾角的圆弧刃后刀面4；本实施例中，步骤四中的飞秒激光的参数为激光频率50k Hz、激光功率60mW、扫描速度0.4mm/s、波长343nm，步骤四中的ntD微刀具角度不唯一，可以是正值或是负值，没有具体范围，一般由切削需要而定，常见的角度-30°～30°，本实施例中，步骤四的ntD微刀具角度选取7°。如图3所示，步骤四中对后刀面4进行平行精加工时根据ntD微刀具胚材圆弧周长设置加工轨迹5，在同一平面将飞秒激光定位在后刀面初始加工位置后，将激光聚焦光斑位置提前0.1mm，按照激光加工轨迹5，单次行走半圆周长，重复三次；同时，为了避免激光加工ntD块材未完成即停止，将加工深度的总进给量为1.2mm，飞秒激光每次循环加工深度进给选择0.03mm。
步骤五：利用与步骤四中相同的飞秒激光加工参数对步骤四加工后的ntD微刀具的前刀面6进行平行精加工，将刀柄竖直倒置，飞秒激光光束3平行前刀面6，按照多次轨迹进给方式从背部开始进给加工ntD微刀具的前刀面6。如图4所示，在同一水平面，按照激光加工轨迹5，单次行走直径长度，重复三次；为了避免激光加工ntD块材2未完成即停止，将深度的进给量增加到1.6mm，每次循环加工深度进给0.03mm。
通过上述步骤，最终得到前刀面6和后刀面4表面粗糙度都在200nm左右的ntD微刀具，此ntD微刀具可在工业上应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一：将ntD块材钎焊到硬质合金刀柄上，然后将焊接好的ntD刀柄放置于具有5自由度的实验加工平台，使其能够实现X、Y、Z三个轴方向的平动以及Y、Z轴向的转动；
步骤二：然后采用带振镜的飞秒激光对实验加工平台上的ntD块材的后刀面进行平行粗加工，通过调整实验加工平台，将刀柄水平倒置，激光光束从背部开始进给加工后刀面，重复加工直至后刀面出现圆弧刃；
步骤三：采用与步骤二中相同的激光参数对步骤二加工后的ntD块材的前刀面进行平行粗加工，通过调整实验加工平台，将刀柄垂直倒置，激光光束从背部开始进给加工前刀面，重复加工直至加工完成后ntD块材具有平整的前刀面，通过步骤二和步骤三的加工将ntD块材加工成ntD微刀具胚材；
步骤四：采用不带振镜的飞秒激光对上述步骤三加工后形成的ntD微刀具的后刀面进行平行精加工，通过调整实验加工平台，将刀柄水平倒置，同时ntD微刀具整体倾斜，飞秒激光光束平行后刀面，按照多次轨迹进给方式从背部开始进给加工ntD微刀具的后刀面，直至加工出带有倾角的圆弧刃后刀面；
步骤五：利用与步骤四中相同的飞秒激光加工参数对步骤四加工后的ntD微刀具的前刀面进行平行精加工，将刀柄竖直倒置，飞秒激光光束平行前刀面，按照多次轨迹进给方式从背部开始进给加工ntD微刀具的前刀面。
2.如权利要求1所述的纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法，其特征是：所述的步骤二中飞秒激光的参数为，激光频率50k Hz，功率300mW，扫描速度0.6mm/s，振镜振动频率为800Hz，波长343nm。
3.如权利要求1所述的纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法，其特征是：所述步骤四中的飞秒激光的参数为，采用激光频率50k Hz、激光功率60mW、扫描速度0.4mm/s、波长343nm。
4.如权利要求1所述的纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法，其特征是：所述步骤四中对后刀面进行平行精加工时根据ntD微刀具胚材圆弧周长设置加工轨迹，在同一平面将飞秒激光定位在后刀面初始加工位置后，将激光聚焦光斑位置提前0.1mm，按照激光加工轨迹，单次行走半圆周长，重复三次。
5.如权利要求1所述的纳米孪晶金刚石微刀具快速成型的加工方法，其特征是：所述步骤五中对前刀面进行平行精加工时根据ntD微刀具胚材最大直径确定，在同一水平面，按照激光加工轨迹，单次行走直径长度，重复三次。
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