CN111098039B

CN111098039B - 一种pcd车齿刀的紫外纳秒激光切割方法

Info

Publication number: CN111098039B
Application number: CN201911329147.4A
Authority: CN
Inventors: 崔健磊; 方旭阳; 梅雪松; 凡正杰; 王文君; 刘斌; 段文强; 姜歌东
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN111098039A

Abstract

本发明公开了一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，包括步骤，对聚晶金刚石毛胚进行表面超声波清洗；搭建紫外纳秒激光光路及加工系统平台；调节激光相关参数并寻找焦点；将所述金刚石毛胚固定在相关分度盘上，制备PCD车齿刀；通过先横向S形进给再纵向进给的激光走刀方式进行最小拓扑结构的加工；采用分度盘进行分度，完成完整PCD车齿刀的高质量加工，并进行后处理。本发明采用紫外纳秒激光通过设定的工艺方法对PCD车齿刀进行加工，加工效率高，加工精度好，自动化程度高，所制备的PCD车齿刀具刃口整洁度高，轮廓拟合程度好，展现出传统加工方法不能比拟的优势。

Description

一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种聚晶金刚石(PCD)车齿刀的紫外纳秒激光切割方法。

背景技术

随着机械、电子、航空航天、军事等领域的快速发展，零件的尺寸愈加趋于微型化，对零件的形状精度、表面质量、稳定性和可靠性、产品性能都提出了更高的要求，对材料性能及加工技术的要求越来越高，各种新型难加工材料如高温合金、高温结构陶瓷等不断涌现。为了满足超精密加工及对难加工材料的精密制造需求，超硬刀具的高质量加工至关重要。聚晶金刚石拥有极高的硬度、耐磨性好、强度高、导热性好、可以刃磨出极其锋利的刀刃、成本低等一系列优异的性能，使其成为超精密切削中理想的、不可代替的刀具材料。

近些年，随着我国机械制造业的不断壮大和快速发展，国内各行各业对与齿轮的需求量快速增长，对齿轮的加工精度、生产效率、加工成本等方面提出了更高要求。而传统的齿轮加工方法有着各种各样的不足，如铣齿、插齿加工效率不高，滚齿一般适用于外齿轮加工，相比之下，车齿法属于连续切削，加工效率极高，加工精度好，适用于外齿轮和内齿轮的加工，是一种具有广阔应用前景的高效齿轮加工技术，因此为满足对齿轮的超精密加工需求，亟需对金刚石车齿刀的制造技术展开研究。然而金刚石具有的高硬度、高强度、耐磨性、热高温等特性，使金刚石刀具的加工制造极为困难。

传统的加工工艺，机械刃磨方法虽然工艺简单，但是对磨具的消耗较大，加工成本高，且无法加工出高精度的具有渐开线齿廓的PCD车齿刀具；超声波加工是采用金刚石微粉作游离磨粒进行加工，加工效率低，金刚石微粉消耗大，粉尘污染严重；电火花加工对材料导电性要求较高，加工质量受切削速度、PCD粒度、层厚和电极质量等影响，也不适用于对PCD车齿刀具的制造；与之相比，激光具有极高的峰值功率、精确的损伤阈值、热影响区小、加工精度高、加工范围广、非接触加工等特点，利用激光加工金刚石刀具加工变形小、表面质量高、组织损伤小，加工速度快，不受切削深度和晶粒尺寸影响，可有效加工出形状复杂的金刚石刀具。

发明内容

为克服目前金刚石车齿刀具制造技术所存在的难点问题，本发明利用金刚石材料对紫外波段激光吸收率高、加工精细，纳秒激光材料去除率高等优点，采用紫外纳秒激光进行加工，并采用设定的切割工艺，提供了一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，该方法加工效率高，加工精度高，环境污染小。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，包括以下步骤，

S1：对聚晶金刚石毛胚进行超声波清洗，去除材料表面杂质污垢；

S2：搭建紫外纳秒激光光路及加工系统平台；

S3：调节激光相关参数并寻找焦点；

S4：将聚晶金刚石毛胚固定在分度盘上；

S5：控制激光对聚晶金刚石毛胚进行最小拓扑结构的加工；

S6：采用分度盘进行分度，重复步骤S5，直至加工完成完整的PCD车齿刀。

本发明进一步的改进在于，步骤S1中对厚度为2mm，直径为42mm的聚晶金刚石毛胚依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗并风干。

本发明进一步的改进在于，步骤S2所搭建的紫外纳秒激光光路包括紫外纳秒激光器、扩束镜、小孔光阑、第一反射镜、第二反射镜和扫描振镜，紫外纳秒激光器输出的激光依次经过扩束镜、小孔光阑，并经过第一反射镜、第二反射镜射入扫描振镜，最后垂直聚焦照射在数控加工平台之上。

本发明进一步的改进在于，扩束镜用于扩大激光数值孔径从而减小聚焦后的激光光斑尺寸大小；小孔光阑用于滤去多余的衍射光圈，提高光斑质量；扫描振镜用于聚焦激光束并实现高速精准的控制激光偏转，实现所需加工图案的扫描加工。

本发明进一步的改进在于，步骤S3中激光参数为，激光波长355nm，脉宽120ns，重复频率50KHz，功率12W，经扫描振镜聚焦后，激光光斑直径为20um。

本发明进一步的改进在于，步骤S5对最小拓扑结构加工过程包括以下步骤：

S51：移动数控加工平台，将激光焦点聚焦于材料表面；

S52：在振镜控制软件中绘制最小拓扑结构；

S53：在振镜控制软件中填充扫描路径并设置工艺参数；

S54：按步骤S53扫描路径及工艺参数控制激光在聚晶金刚石毛胚表面进行横向扫描；

S55：在步骤S54扫描结束后，控制数控加工平台向上方向移动，即激光焦点下移进行纵向进给，并重复步骤S54；

S56：重复步骤S54、S55，控制激光纵向进给若干次直至完全去除多余材料，完成单个最小拓扑结构的加工。

本发明进一步的改进在于，步骤S53中扫描路径采用S形线填充，工艺参数包括扫描线间距、扫描次数和扫描速度。

本发明进一步的改进在于，步骤S54中，每次横向扫描对S形扫描路径扫描15次；步骤S55所述纵向进给重复进给5次，单次进给量设置为400um。

本发明进一步的改进在于，步骤S6重复分度18次，每次分度18.9474°，加工后完整PCD车齿刀具有19个齿刃。

本发明进一步的改进在于，步骤S6中，还包括将加工完成的PCD车齿刀分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗10min，去除加工后表面残留杂质。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

与现有技术相比，本发明采用紫外纳秒激光对PCD车齿刀进行切割，不仅保证了加工精度，而且与飞秒、皮秒等激光相比，大大提高了加工效率，发明所获得的紫外纳秒激光加工PCD车齿刀具的工艺流程及工艺参数，制备出的PCD车齿刀具刃口整洁度高，轮廓拟合程度好，解决了复杂轨迹曲线PCD车齿刀具制备困难，精度难以满足要求的问题，在加工效率、加工精度等方面展现出传统加工方法不能比拟的优势。

附图说明

图1为所述紫外纳秒激光加工光路系统示意图；

图2为所述最小拓扑结构示意图；

图3为所述横向扫描路径示意图；

图4为横向扫描加工示意图；

图5为纵向进给加工示意图；

图6为单个最小拓扑结构加工完成图；

图7为分度加工示意图；

图8为PCD车齿刀加工完成示意图；

图9为实例单齿加工完成结果图；

图10为实例PCD车齿刀加工完成结果图。

附图标记说明：

1-紫外纳秒激光器；2-扩束镜；3-小孔光阑；4-第一反射镜；5-第二反射镜；6-扫描振镜；7-聚晶金刚石毛胚；8-分度盘；9-数控加工平台；10-计算机。

具体实施方式

为了更好的阐明本发明的工艺方案及优点，以下结合相关附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提供的一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，包括以下步骤：

S1：依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水对聚晶金刚石毛胚表面进行超声波清洗，去除材料表面杂质污垢，并风干表面残余水分；

S2：搭建附图1所示紫外纳秒激光光路及加工系统平台；

S3：调节激光相关参数并寻找焦点；

S4：将聚晶金刚石毛胚7固定在分度盘8上，准备制备PCD车齿刀；

S5：根据所设计的最小拓扑结构，如图2所示，通过扫描振镜6控制激光对最小拓扑结构进行加工；

S6：采用分度盘8进行分度，重复步骤S5，直至加工完成完整的PCD车齿刀。

在步骤S2中，搭建的光路系统如图1所示，包括紫外纳秒激光器1、扩束镜2、小孔光阑3、第一反射镜4、第二反射镜5、扫描振镜6、分度盘8和数控加工平台9，所述紫外纳秒激光器1输出的激光依次经过扩束镜2和小孔光阑3后，并经过第一反射镜4、第二反射镜5射入扫描振镜6，最后输出聚焦后的激光。其中，所述扩束镜2用于扩大激光数值孔径从而减小聚焦后的激光光斑尺寸大小，所述小孔光阑3用于滤去多余的衍射光圈，提高光斑质量，以便于能够更加精细的对金刚石进行加工；所述扫描振镜6用于聚焦激光束并实现高速精准的控制激光偏转，实现所需加工图案的扫描加工。

在步骤S3中，设置激光波长为355nm，脉宽120ns，重复频率50KHz，并通过刻线扫描寻找激光焦点位置；在步骤S4中，将样件固定在分度盘7上，并通过计算机10控制数控加工平台9移动，将焦点聚焦于聚晶金刚石毛胚7表面以待加工。

所述步骤S5对最小拓扑结构的加工，包括以下步骤：

S51：移动数控加工平台9，将激光焦点聚焦于聚晶金刚石毛胚7材料表面；

S52：在振镜控制软件ScanMaster Designer中绘制最小拓扑结构，如图2所示；

S53：在图2所示最小拓扑结构中填充图3所示S形扫描路径并设置工艺参数；

S54：按步骤S53所述扫描路径及工艺参数控制激光在金刚石表面进行横向扫描，如图4所示；

S55：在所述步骤S54扫描结束后，控制数控加工平台9向上方向移动，即激光焦点下移进行纵向进给，并重复步骤S54，如图5所示；

S56：重复步骤S54、S55，控制激光纵向进给若干次直至完全去除多余材料，完成单个最小拓扑结构的加工，加工完成后示意图如图6所示。

所述步骤S54中，每次横向扫描对S形扫描路径扫描15次；步骤S55所述纵向进给重复进给5次，单次进给量设置为400um。

为保证每个齿刃加工的一致性，在所述步骤S6中，在每次加工完单个最小拓扑结构后采用分度装置对金刚石毛胚进行分度，如图7所示，重复分度18次，每次分度18.9474°，加工完成后PCD车齿刀示意图如图8所示。

步骤S7所述加工后处理包括，将加工完成的PCD车齿刀分别置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声波清洗10min，去除加工后表面残留杂质。

对加工完成后的PCD车齿刀采用扫描电子显微镜进行检测观察，如图9所示，刃口整洁无瑕疵，轮廓拟合程度好，整体PCD车齿刀如图10所示。

本发明的优点在于：使用紫外纳秒激光对PCD车齿刀进行切割，材料去除率高、激光影响区小、对刀具表面损伤小；根据所设计的拓扑结构、扫描路径及工艺参数进行加工，形成的刃口表面平整光滑、轮廓清晰拟合程度好；通过振镜高速动态的对激光进行偏转控制，并结合分度装置，可以实现PCD车齿刀的高质量加工，自动化程度高、路径易于控制，大大简化了车齿刀的制造工艺，提高了PCD车齿刀的制造效率及精度。

与现有技术相比，本发明提供的一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，制备出的PCD车齿刀具刃口整洁度高，轮廓拟合程度好，解决了复杂轨迹曲线PCD车齿刀具制备困难，精度难以满足要求的问题，在加工效率、加工精度等方面展现出传统加工方法不能比拟的优势。

以上所述本发明的实施方式，对本发明是说明性的，并不对本发明所保护范围进行限制。任何在本发明的精神和原则范围内进行的等效替换、修改和改进等，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：对厚度为2mm，直径为42mm的聚晶金刚石毛胚依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声波清洗并风干；

S2：搭建紫外纳秒激光光路及加工系统平台；所搭建的紫外纳秒激光光路包括紫外纳秒激光器、扩束镜、小孔光阑、第一反射镜、第二反射镜和扫描振镜，紫外纳秒激光器输出的激光依次经过扩束镜、小孔光阑，并经过第一反射镜、第二反射镜射入扫描振镜，最后垂直聚焦照射在数控加工平台之上；

S3：调节激光相关参数并寻找焦点；激光参数为：激光波长355nm，脉宽120ns，重复频率50KHz，功率12W，经扫描振镜聚焦后，激光光斑直径为20um；

S4：将聚晶金刚石毛胚固定在分度盘上；

S5：控制激光对聚晶金刚石毛胚进行最小拓扑结构的加工；对最小拓扑结构加工过程包括以下步骤：

S51：移动数控加工平台，将激光焦点聚焦于材料表面；

S52：在振镜控制软件中绘制最小拓扑结构；

S53：在振镜控制软件中填充扫描路径并设置工艺参数；扫描路径采用S形线填充，工艺参数包括扫描线间距、扫描次数和扫描速度；

S56：重复步骤S54、S55，控制激光纵向进给若干次直至完全去除多余材料，完成单个最小拓扑结构的加工；

2.根据权利要求1所述的一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，其特征在于，扩束镜用于扩大激光数值孔径从而减小聚焦后的激光光斑尺寸大小；小孔光阑用于滤去多余的衍射光圈，提高光斑质量；扫描振镜用于聚焦激光束并实现高速精准的控制激光偏转，实现所需加工图案的扫描加工。

3.根据权利要求1所述的一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，其特征在于，步骤S54中，每次横向扫描对S形扫描路径扫描15次；步骤S55所述纵向进给重复进给5次，单次进给量设置为400μm。

4.根据权利要求1所述的一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，其特征在于，步骤S6重复分度18次，每次分度18.9474°，加工后完整PCD车齿刀具有19个齿刃。

5.根据权利要求1所述的一种PCD车齿刀的紫外纳秒激光切割方法，其特征在于，步骤S6中，还包括将加工完成的PCD车齿刀分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗10min，去除加工后表面残留杂质。