CN111331259B

CN111331259B - 利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法及装置

Info

Publication number: CN111331259B
Application number: CN202010120304.7A
Authority: CN
Inventors: 姚振强; 宋嘉诚; 沈洪
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: CN111331259A

Abstract

本发明提供了一种利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法及装置，包括如下步骤：激光切除多余部分步骤：采用激光切割待加工的金刚石片材，激光采用直线切割的方式，自金刚石片材切割至金刚石刀具的轮廓外侧，切除金刚石片材的多余部分；激光直接切割步骤：对切割完多余部分的金刚石片材进行外轮廓的直接切割；半径补偿步骤：对待加工的金刚石刀具的刀头半径进行补偿。本发明先通过切除多余部分切割，再针对金刚石刀具轮廓精切割，不仅效率和准确率提高，而且避免激光切割过程中导致的裂纹、表面损伤和石墨化等缺陷；本发明采用的加工方法避免了激光在短时间内不会重复照射同一区域，从而使加工过程中的热缺陷最小化。

Description

利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体地，涉及一种利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法及装置。

背景技术

单晶金刚石刀具是塑料、金属及难切削材料超精密加工的关键工具，可满足光学、半导体、模具等行业的要求。由于金刚石在硬度、刃口锐度和热导率等方面具有优异的性能，所以金刚石刀具可以用来切割高硬度的工件，而不会造成快速刀具损伤。然而，金刚石作为最坚硬的材料，制备难度较大，在传统的磨削工艺中，只能用金刚石砂轮来进行磨削制造。金刚石刀具的制造是一个极其耗时的过程，包括粗磨、半精磨和精磨。

为了缩短金刚石刀具的生产时间，研究了几种新的加工方法，如放电加工和激光加工。然而，电火花加工和电火花磨削都适用于超硬材料的加工，但都受到电极磨损快、速度慢的限制。由于材料的无选择性，超快激光加工被认为是一种很有吸引力的硬质材料加工方法。

在激光加工过程中，高强度激光束通过光学透镜聚焦到工件表面，加热、熔化、气化被加工材料。与其他材料不同的是，除了激光引起的微裂纹和断裂等热缺陷外，石墨化也发生在加工过的金刚石刀具上。提高激光功率容易导致金刚石向石墨的过渡，影响金刚石烧蚀表面上精密结构的形成。金刚石刀具的石墨化不仅影响刀具的刀尖轮廓，而且影响刀具的强度。因此，不应该盲目地增加激光功率来提高生产效率。另外，由于激光加工去除过程的不确定性，使得加工区域的粗糙度难以提高。刀具轮廓的粗糙度是评价金刚石刀具质量的重要指标之一，在加工过程中需要考虑。

为了提高金刚石圆弧刀具的加工效率，减少加工缺陷，提出了一种超快激光加工金刚石刀具的方法。

申请号为200810138477.0的发明专利公开了一种金刚石复合刀具刃口的加工方法,其加工步骤是:将刀具基体热处理后磨削到所要求的形状和尺寸；在金刚石刀片焊接部位铲磨与刀片相吻和的刀具基体后刀面；将金刚石刀片焊接在刀具基体相应位置上；将金刚石刀片用激光切割成所需形状；将电极安装于数控电火花上；将刀具定位在机床正确的位置上；使电极旋转接近刀具,直至形成合适的放电间隙；根据刃口余量选择好电火花粗加工的电流、脉冲宽度等电源参数,使电极接近金刚石刀片时产生电蚀作用去除多余的金刚石材料；重新修整电极,选择精加工的电流、脉冲宽度等电源参数,使电极接近金刚石刀片产生电蚀起到精整作用,以获得高精度的尺寸、形状和刃口。但是上述方案耗时耗力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法及装置。

根据本发明提供的一种利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法，包括如下步骤：

激光切除多余部分步骤：采用激光切割待加工的金刚石片材，激光采用直线切割的方式，自金刚石片材切割至金刚石刀具的轮廓外侧，切除金刚石片材的多余部分；

激光直接切割步骤：对切割完多余部分的金刚石片材进行外轮廓的直接切割；

半径补偿步骤：对待加工的金刚石刀具的刀头半径进行补偿。

优选地，所述半径补偿步骤包括：对工艺路径半径R_P进行补偿：

R_P＝R_D+(R_D-R_A)＝2R_D-R_A

其中：R_A表示实际刀头半径；R_D表示设计值半径。

优选地，切除金刚石片材的多余部分后，金刚石刀具外轮廓呈阶梯状。

根据本发明提供的一种利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的装置，包括激光源、光学系统、振镜、转动电机以及三维线性机械运动平台，其中：

转动电机设置在三维线性机械运动平台上；

转动电机包括转动轴，转动轴上设置有安装平面，金刚石片材设置在所述安装平面上；

激光源射出的激光束通过振镜和光学系统的配合下作用在安装平面上。

优选地，所述激光束竖直角度作用在金刚石片材上。

优选地，所述激光束的波长为1030nm，频率为400kHz，光束质量因数M2小于等于1.09，脉冲持续时间为8ps，最大功率为50W。

优选地，激光束的直径为20μm。

优选地，振镜的焦距为100mm。

优选地，激光束切割速度为250mm/s，激光频率为200kHz。

优选地，所述转动电机的旋转轴保持在10°。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明先通过切除多余部分切割，再针对金刚石刀具轮廓精切割，不仅效率和准确率提高，降低了单晶金刚石圆弧刀具的生产时间和成本；而且避免激光切割过程中导致的裂纹、表面损伤和石墨化等缺陷；

2、本发明采用的加工方法避免了激光在短时间内不会重复照射同一区域，从而使加工过程中的热缺陷最小化。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为不同的激光加工路径及其加工出的特征示意图；

图2为本发明的金刚石刀具超快激光加工步骤流程图；

图3为本发明的加工装置机械结构图。

图中示出：

振镜1

激光束2

转动电机3

安装平面4

三轴线性平台5

金刚石片材6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法及装置，首先优化激光加工路径，其次对路径半径进行补偿。具体的：

在金刚石加工过程中，金刚石圆弧刀具的圆弧部分的波纹度对已加工表面的轮廓精度和表面质量有很大的影响。因此，在激光加工金刚石刀具时，必须注意圆弧部分的波纹度。用超快激光从单晶金刚石薄板上切割金刚石刀具有两种方法，一种是沿着刀具的轮廓轨迹进行直接切割，具体参见图1(1)，另一种是切除多余部分，具体参见图1(2)。

直接切割法加工轨迹简单，是对板材进行多次开槽切割。在开槽过程中，侧壁通常与上表面不垂直，如图1(1)所示。高能量密度的激光光斑在平面上进行辐照，在多个加工周期中只有一次能形成良好的加工效果。在后续的加工阶段，激光光斑只能照射在倾斜的侧壁上，导致光斑被严重拉长，能量密度明显降低。随着槽深的增加，金刚石的去除率大大降低。因此，虽然直接切割法的加工策略简单，但是这种方法的加工效率既不一致也不高。更严重的是，在同一区域重复激光加工会导致加工缺陷，如裂纹、表面损伤和石墨化。由于加工区域正临近刀具的切削刃口，这些缺陷会对金刚石刀头的形貌和力学性能产生较大的影响。

为了使多余的金刚石烧蚀，激光的加工路径是一系列直线，以接近激光光斑直径的步距覆盖欲加工区域。沿每条线激光加工后仍会产生倾斜的侧壁，但由于线间距略小于槽宽，在加工过程中倾斜的侧壁不断消失，在槽底形成新的表面。这个新的表面是一个有轻微激光痕迹的平面，如图1(2)所示。经过多个加工周期后，在近似平面上辐照的激光保持了较高的能量密度，对金刚石的去除效果良好。虽然由于轨迹的复杂性，单次加工需要的时间较多，但该方法的加工效率实际上要高于直接切割法。此外，激光在短时间内不会重复照射同一区域，从而使加工过程中的热缺陷最小化。事实上，在从薄板上切割工具时，去除工具刀口周围的材料，将工具与金刚石薄板分离，比去除整个多余部分更有效。将加工面积缩小到刀具周围面积的改进可以进一步提高加工效率。将刀具与板材分离后，再采用直接切割法精加工金刚石刀具边缘的轮廓。因此本发明通过以上两种工艺，可以实现去除相对较少的残余量，从而实现圆弧部分形状的准确和加工效率的提高(图2)。

进一步的，本发明设置路径半径补偿，刀头的波纹度直接影响被加工工件的轮廓精度和表面质量。通过光学显微镜观察金刚石刀具的前刀面，可以对其进行分析。由于激光点半径和激光烧蚀的存在，实际刀头半径R_A略小于设计值R_D，但这种差异是相对一致的，可以得到补偿。为了减小实际刀头半径与设计值之间的差值，采用下式对工艺路径半径R_P进行补偿。

R_P＝R_D+(R_D-R_A)＝2R_D-R_A。

本发明还提供了利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的装置，包括利用激光源、光学系统、振镜、三维线性机械运动平台的超快激光加工系统验证超快激光加工技术在高精度单晶金刚石圆弧刀具的可行性。另外还安装了一个旋转电机来实现金刚石片材的倾斜和控制金刚石刀具的后角，如图3所示。金刚石工具是从单晶金刚石片材上切割下来的。本发明使用的单晶金刚石片材厚度为1.2mm，为高压高温合成人造金刚石。加工过程中，采用三维线性机械运动平台通过X-Y运动调整金刚石片的位置，通过Z运动保持金刚石片在激光聚焦深度范围内，位置精度0.1mm。通过集成光学系统和振镜实现高速、高精度的激光运动。根据金刚石刀具的加工原理，将角度精度为0.05°的旋转轴安装在三维线性机械平台上，以控制刀具后角。激光束的波长为1030nm，频率为400kHz，光束质量因数M2小于等于1.09，脉冲持续时间短至8ps，最大功率为50W。直径约为20μm的激光光束通过焦距为100mm的振镜聚焦在金刚石片材的上表面。激光切割速度选择为250mm/s，激光频率选择为200kHz。控制旋转轴保持在10°，使金刚石刀具的后角为10°。如表1所示，为机械结构的重要参数。

表1机械结构重要参数表

经过路径优化和半径补偿后，用功率最优的激光来制作单晶金刚石刀具。通过金刚石刀具的切削试验，验证了该工艺的可行性。测量结果表明，所加工的单晶金刚石刀具具有亚微米级的波纹度和光滑的后刀面，金刚石刀具内无裂纹和石墨化现象。

综上所述，本发明提出了一种用超快激光加工金刚石刀具的新方法，并建立了相应的实验装置。研究了不同激光功率和激光加工路径下金刚石板材的加工效率和质量。激光通过振镜的运动，实现了高效率的切割。加工路径补偿后,该方法加工出的单晶金刚石圆弧道具的圆弧波纹度小于0.6μm，后刀面粗糙度小于0.3μm。实践证明，激光加工满足了半精磨的要求，可以代替传统加工中的粗、半精磨，将这部分时间从12小时缩短到15分钟，大大提高了生产效率，降低了单晶金刚石圆弧刀具的生产时间和成本。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法，其特征在于，包括如下步骤：

半径补偿步骤：对待加工的金刚石刀具的刀头半径进行补偿；

所述半径补偿步骤包括：对工艺路径半径R_P进行补偿：

R_P＝R_D+(R_D-R_A)＝2R_D-R_A

其中：R_A表示实际刀头半径；R_D表示设计值半径；

切除金刚石片材的多余部分后，金刚石刀具外轮廓呈阶梯状。

2.一种能够实现如权利要求1所述的利用激光加工高精度单晶金刚石圆弧刀具的方法的装置，其特征在于，包括激光源、光学系统、振镜、转动电机以及三维线性机械运动平台，其中：

转动电机设置在三维线性机械运动平台上；

激光源射出的激光束通过振镜和光学系统的配合下作用在安装平面上，对金刚石片材进行切割。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光束竖直角度作用在金刚石片材上。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光束的波长为1030nm，频率为400kHz，光束质量因数M2小于等于1.09，脉冲持续时间为8ps，最大功率为50W。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，激光束的直径为20μm。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，激光束切割速度为250mm/s，激光频率为200kHz。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述转动电机的旋转轴保持在10°。