CN114799933A - 一种激光辅助切削刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光辅助切削刀具，所述刀具包括刀粒(1)、刀柄(2)，刀粒(1)焊接于刀柄(2)的一端上。本发明所述的一种激光辅助切削刀具，激光束(3)从刀粒(1)内部，通过内反射面(14)反射到刀尖(11)和前刀面(12)靠近刀尖(11)的位置上，从刀尖(11)和前刀面(12)射出并照射到被加工件(4)上，对被加工件(4)表面材料形成激光熔化作用后有利于刀尖(11)切削出高质量的光滑表面或降低刀具磨损并延长刀具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及精密零件加工技术领域，具体涉及一种激光辅助切削刀具。
背景技术
采用单点金刚石切削技术加工硬脆材料时，往往刀具磨损较快，难以获得满意的表面质量或足够的刀具使用寿命。激光辅助加工技术通过在切削点局部形成瞬时高温，在刀尖的机械共同作用下解除工件表面材料，能在一定程度上改善单点金刚石刀具切削硬脆材料的表面质量并提高刀具使用寿命。
在单点金刚石切削领域，现有技术对激光辅助加工的运用主要有两种方式，方式一是激光从刀具外面直接照射到刀尖和被加工材料的接触区域或其附近，形成局部高温来改善切削性能，但由于切削过程中切削液等外部因素影响激光的传输路径，其改善效果欠佳；方式二是激光从金刚石刀粒内部穿过后入射到刀尖处，在后刀面上形成较小的入射角，激光可以从后刀面射出，并在刀尖极小区域内渗出到材料表面，由于此时前刀面上激光入射角度较大，受光的全反射现象限制，激光往往无法从前刀面射出，即将切削的前刀面附近材料得不到有效照射，切削效果改善欠佳。
只有刀尖及其靠近刀尖的前刀面出射激光才能充分利用激光照射的优势，尽可能发挥激光辅助的作用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种激光辅助切削刀具。本发明的目的在于激光束从刀粒内部穿过，经过内反射面反射后，以较小的入射角度入射到前刀面及刀尖处，避免激光在前刀面上发生全反射而无法射出的情况，激光从前刀面及刀尖上穿透照射到即将切削的材料区域，提高激光利用效率，在刀尖的机械切削共同作用下剥离材料，形成高质量的加工并改善刀具使用寿命。
本发明提出的技术方案如下：
一种激光辅助切削刀具，所述刀具包括刀粒(1)、刀柄(2)；所述刀粒(1)焊接于刀柄(2)的一端上；所述刀粒(1)包括刀尖(11)、前刀面(12)、后刀面(13)、内反射面(14)、激光入射面(15)、刀粒顶面(16)、刀粒底面(17)；所述刀粒顶面(16)、刀粒底面(17)分别位于刀粒(1)的上表面和下表面，且二者水平设置；所述刀粒顶面(16)前侧设有所述前刀面(12)，位于所述前刀面(12)下方且位于所述刀粒(1)前部设有所述后刀面(13)，所述刀尖(11)位于所述前刀面(12)与后刀面(13)相接处；所述内反射面(14)位于刀粒(1)内部且前后分别与后刀面(13)和刀粒底面(17)邻接，所述内反射面(14)倾斜设置；所述激光入射面(15)位于所述刀粒(1)后侧且上下分别与所述刀粒顶面(16)、刀粒底面(17)邻接；激光束(3)可以从刀粒(1)内部通过，经所述内反射面(14)反射后，入射到刀尖(11)处并覆盖刀尖(11)，部分激光束(3)经前刀面射出照射到被加工件(4)表面，从而对材料改性以利于切削。
进一步的，所述内反射面(14)具有一定倾斜角度，能够将激光束(3)偏转，并且激光束(3)在内反射面(14)上的入射角大于临界角从而发生全反射。
进一步的，刀粒(1)内由内反射面(14)反射的光入射到刀尖(11)及前刀面(12)上，并在前刀面(12)上以小于临界角的角度入射后激光束(3)出射到被加工件(4)表面。
进一步的，所述前刀面(12)与刀粒顶面(16)形成的夹角为刀具前角，所述刀具前角大小为-65至10度。
进一步的，所述后刀面(13)为圆柱面或圆锥面。
本发明的刀粒采用硬质透激光材料制作，多采用金刚石，但不限于金刚石。本发明中，激光束垂直或以一定角度入射到激光入射表面后，经过该表面折射后入射到刀粒内部。由于刀粒具有内反射面结构，经过激光入射面射入的激光束在内反射面上发生全反射，进而改变激光的方向，将激光束射到刀尖及前刀面靠近刀尖的位置，激光束包覆刀尖及其周围区域。
进一步地，激光束从刀尖及前刀面出射照射到即将切削的材料表面，形成对材料的热效应以改善切削性能。受全反射影响，当刀具前后刀面夹角较小时，激光往往不能直接从后刀面射出。激光在前刀面的入射角度应小于激光在该表面上发生全反射的临界角，并考虑一定的入射角度容差。
本发明具有以下有益效果：
(1)由于本发明的刀粒内部具有全反射面用于改变激光束的传输方向，激光束能够以小于全反射临界角的角度入射到刀具前刀面上，使得激光束能穿透前刀面照射到被加工的材料。
(2)由于本发明中激光束能从前刀面靠近刀尖的位置射出，并照射到即将切削的区域，改善了刀尖即将切削的材料的性能，因而能提高激光辅助的效果，并能提高被切削材料的表面质量和刀具的使用寿命。
(3)由于本发明中内反射面的角度可以根据刀具前角大小设计调整，因而刀具前角及后角设计可按被加工件的形状设计，刀具更具有设计灵活性。
附图说明
图1为本发明一种激光辅助切削刀具的结构及应用场景三维图；
图2为本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒结构及光路传输图；
图3为本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒前刀面展示图；
图4为本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒内反射面展示图；
图5为本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒内部光路传输原理图；
图6为本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒内部光路传输三维示意图；
图中：1为刀粒，11为刀尖，12为前刀面，13为后刀面，14为内反射面，15为激光入射面，16为刀粒顶面，17为刀粒底面；2为刀柄；3为激光束，31为入射光束，32为折射光束，33为反射光束，34为前刀面出射光束；4为被加工件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为本发明一种激光辅助切削刀具的结构及应用场景三维图，包括：刀粒1和刀柄2。刀柄2为常规性结构，一般按照机床的刀具架设计尺寸，在此不再赘述。
图2为本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒结构及光路传输图，刀粒1由硬质透激光的材料制作，通常为单晶金刚石，但不限于该材料。刀粒1具有特殊的结构，包括：刀尖11、前刀面12、后刀面13、内反射面14、激光入射面15、刀粒顶面16、刀粒底面17。前刀面12与刀粒顶面16形成的夹角为刀具前角，前角大小一般为-65至10度，视待加工件的材料确定，但不限于该角度范围。后刀面13通常为圆柱面或圆锥面。前刀面12与后刀面13与常规的单点切削刀具基本相同，在此不在赘述。激光束3自激光入射面15垂直或倾斜入射到内反射面14上，在内反射面14上发生全反射后激光束3入射到刀尖11上，由于激光束3具有一定直径，因而激光束3同样会有部分覆盖在前刀面12及后刀面13靠近刀尖11的位置。本发明中激光束3不会在前刀面12上发生全反射，激光束3会穿过前刀面12折射到被加工件4靠近刀尖11处即将被切削的材料表面。对材料进行瞬间加热，随后被刀尖11在机床的带动下切削掉。
刀粒1材料以金刚石为例，激光束3采用波长为1064nm的激光作为辅助激光对本发明做进一步说明。金刚石材料在1064nm激光波长处的折射率为2.391，空气折射率约为1。
根据光的折射定律，光由光密介质入射到光疏介质时才可能发生全反射，全反射的临界角为：
其中，n1为光密介质折射率，n2为光疏介质折射率。由此计算波长为1064nm的激光由金刚石内射到与空气的交界面上时，其临界角为24.72°。由此可见，如图5本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒内部光路传输原理图，当激光束3的入射光束31从激光入射面15入射后得到折射光束32，该折射光束32在内反射面14上入射时，其入射角a应大于24.72°，才能使激光束3全部发生反射；反射出的反射光束33入射到前刀面12上时，其入射角b应小于24.72°，才能使照射到前刀面12上的光束透射到被加工件4的材料表面。
根据以上计算，本发明一种激光辅助切削刀具的刀粒1的一种具体实现方式如下：刀粒1的材料为金刚石单晶，刀粒1总宽2毫米，总长3毫米，刀粒1的前角为-20°，后角为10°，激光入射面15与刀粒底面17垂直，内反射面14与刀粒底面17夹角155°。在此参数条件下，当激光束3与刀粒底面17平行入射时，在内反射面上的入射角为65°，在前刀面12上的入射角为20°。使用时调节入射激光束31的高度使激光束覆盖刀尖11和前刀面12。由于内反射面14上的入射角为65°大于临界角24.72°，因而在该面上能够发生全反射；由于在前刀面12上的入射角为20°小于临界角，因而在该面上不能发生全反射，激光将透过前刀面12出射到被加工件4的表面上，并形成对表面材料的作用。在空气中出射角c为54.86°。此即能将激光束3经过刀粒1传输到被加工件4的被加工区域，以达到改善切削特性的目的。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种激光辅助切削刀具，其特征在于，所述刀具包括刀粒(1)、刀柄(2)；所述刀粒(1)焊接于刀柄(2)的一端上；
所述刀粒(1)包括刀尖(11)、前刀面(12)、后刀面(13)、内反射面(14)、激光入射面(15)、刀粒顶面(16)、刀粒底面(17)；所述刀粒顶面(16)、刀粒底面(17)分别位于刀粒(1)的上表面和下表面，且二者水平设置；所述刀粒顶面(16)前侧设有所述前刀面(12)，位于所述前刀面(12)下方且位于所述刀粒(1)前部设有所述后刀面(13)，所述刀尖(11)位于所述前刀面(12)与后刀面(13)相接处；所述内反射面(14)位于刀粒(1)内部且前后分别与后刀面(13)和刀粒底面(17)邻接，所述内反射面(14)倾斜设置；所述激光入射面(15)位于所述刀粒(1)后侧且上下分别与所述刀粒顶面(16)、刀粒底面(17)邻接；激光束(3)可以从刀粒(1)内部通过，经所述内反射面(14)反射后，入射到刀尖(11)处并覆盖刀尖(11)，部分激光束(3)经前刀面射出照射到被加工件(4)表面，从而对材料改性以利于切削。
2.根据权利要求1所述的一种激光辅助切削刀具，其特征在于，所述内反射面(14)具有一定倾斜角度，能够将激光束(3)偏转，并且激光束(3)在内反射面(14)上的入射角大于临界角从而发生全反射。
3.根据权利要求2所述的一种激光辅助切削刀具，其特征在于，刀粒(1)内由内反射面(14)反射的光入射到刀尖(11)及前刀面(12)上，并在前刀面(12)上以小于临界角的角度入射后激光束(3)出射到被加工件(4)表面。
4.根据权利要求1所述的一种激光辅助切削刀具，其特征在于，
所述前刀面(12)与刀粒顶面(16)形成的夹角为刀具前角，所述刀具前角大小为-65至10度。
5.根据权利要求1所述的一种激光辅助切削刀具，其特征在于，
所述后刀面(13)为圆柱面或圆锥面。
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