CN114932258B - 一种微铣刀及其皮秒激光制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微铣刀及其皮秒激光制备方法,涉及微铣刀制备技术领域。该微铣刀包括刀柄、目标切削部分以及位于所述目标切削部分和所述刀柄之间的过渡部分;所述目标切削部分的外表面包括前刀面、底后刀面、侧后刀面以及非切削面;所述前刀面、所述底后刀面和所述侧后刀面均是采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理后形成的平面;所述前刀面与所述底后刀面之间形成底刃;所述前刀面与所述侧后刀面之间形成侧刃。本发明通过不同皮秒激光加工工艺制备微铣刀,以实现小直径微细铣刀的高效高质量加工目的。
Description
技术领域
本发明涉及微铣刀制备技术领域,特别是涉及一种微铣刀及其皮秒激光制备方法。
背景技术
近年来,随着航空航天、国防工业、现代医学以及生物工程技术的发展,对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性的要求越来越高,从而使得对特征尺寸在微米级到毫米级、采用多种材料、且具有一定形状精度和表面质量要求的精密三维微小零件的需求日益迫切,一些难加工结构已成为机械加工领域的一个难题。而微细铣削加工作为一种基础且高效的加工方法,完全具备加工复杂微结构的能力,但小直径的微细铣刀由于其刚度较差且结构尺寸较小,传统磨削加工由于磨削力、磨削热的影响,易出现刃口缺陷及断刀等现象。而皮秒激光在加工质量、速度与材料适应性等方面具有更突出的优势,且与常规激光相比有着极小的加工热效应。目前有人提出的激光加磨削的组合加工方法虽然可加工出高质量的微细铣刀,但加工过程较为繁琐,且当加工直径小于100微米的微铣刀时仍面临着断刀的风险。显然,现有的加工方法和刀具结构方案已经不能满足加工生产的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种微铣刀及其皮秒激光制备方法,通过不同皮秒激光加工工艺制备微铣刀,以实现小直径微细铣刀的高效高质量加工目的。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供了一种微铣刀,包括刀柄、目标切削部分以及位于所述目标切削部分和所述刀柄之间的过渡部分;所述目标切削部分的外表面包括前刀面、底后刀面、侧后刀面以及非切削面;
所述前刀面、所述底后刀面和所述侧后刀面均是采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理后形成的平面;所述非切削面为除所述前刀面、所述底后刀面、所述侧后刀面之外所述目标切削部分剩余的外表面;所述半加工切削部分为采用皮秒激光正向逐层去除方式对原始切削部分进行处理后形成的多棱柱体;所述原始切削部分为未加工且形状为圆柱体的切削部分;
所述前刀面与所述底后刀面之间形成底刃;所述前刀面与所述侧后刀面之间形成侧刃。
可选地,前角为0°,底刃后角为15°-25°,侧刃后角为20°-35°,刃倾角为7°-15°。
可选地,所述过渡部分通过焊接工艺固定在所述刀柄上,所述过渡部分的材质为硬质合金。
可选地,所述原始切削部分的材质为PCD。
可选地,所述微铣刀的整体长度为35mm,所述刀柄的直径为4mm,所述目标切削部分的有效切削直径为80-120μm,所述目标切削部分的有效长度为70-100μm,所述过渡部分的直径为75-90μm,所述过渡部分的长度为200-250μm。
本发明还提供了一种微铣刀的制备方法,包括:
将原始切削部分通过原始过渡部分固定在刀柄上;
采用皮秒激光正向逐层去除方式对所述原始切削部分及所述原始过渡部分进行处理,形成半加工切削部分及过渡部分;所述半加工切削部分与所述过渡部分均为多棱柱体;
采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理,形成前刀面、底后刀面和侧后刀面;所述前刀面、所述底后刀面和所述侧后刀面均为平面,且所述前刀面由弧面过渡至所述过渡部分。
可选地,所述采用皮秒激光正向逐层去除方式对所述原始切削部分及原始过渡部分进行处理,形成半加工切削部分及过渡部分,具体包括:
采用与所述原始切削部分表面垂直的皮秒激光加工策略,不断沿着皮秒激光出射方向逐层往下去除材料,并根据设定需求改变皮秒激光轨迹,进而形成过渡部分及粗制的半加工切削部分;
采用与粗制的所述半加工切削部分表面平行的皮秒激光加工策略,从粗制的所述半加工切削部分的最外层逐层切向去除表面材料,进而形成精致的半加工切削部分;
其中,每层去除材料的厚度小于5微米。
可选地,所述采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理,形成前刀面、底后刀面和侧后刀面,具体包括:
采用与精致的所述半加工切削部分表面平行的皮秒激光加工策略,从精致的所述半加工切削部分的最外层逐层切向去除表面材料,并根据设定需求改变皮秒激光轨迹以及采用皮秒激光出射端成型刀尖,进而形成前刀面、底后刀面和侧后刀面;其中,每层去除材料的厚度小于5微米。
可选地,所述皮秒激光为脉冲长度为10皮秒、波长为532nm的脉冲激光。
可选地,在皮秒激光正向逐层去除方式中,所述皮秒激光的单脉冲能量为5-30μJ,扫描速度为50-500mm/s;
在皮秒激光切向逐层去除方式中,所述皮秒激光的单脉冲能量为60-120μJ,扫描速度为2-30mm/s。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明基于高质量微铣刀的制备需求,公开了一种微铣刀及其皮秒激光制备方法。本发明用于实现较小直径的微铣刀的加工制造,提高了微铣刀的加工效率和加工质量,采用不同加工策略的组合加工可实现复杂结构微细刀具的高精度、高质量成型,实现高性能微细铣刀的皮秒激光直接成型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种微铣刀的皮秒激光制备方法的过程示意图;
图2为本发明高精度刀具外形成型方法的过程示意图;
图3为本发明高质量表面成型方法的过程示意图;
图4为本发明高锋利度刀尖成型方法的过程示意图;
图5为本发明微铣刀的结构示意图;
图6为本发明底刃后角的示意图;
图7为本发明侧刃后角的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供了一种微铣刀的皮秒激光制备方法,主要包括刀具外形成型方法、高质量表面成型方法和高锋利度刀尖成型方法。
如图1所示,本实施例提供了一种微铣刀的皮秒激光制备方法包括:
将PCD与硬质合金的复合片通过焊接固定在刀柄上,并经过砂轮进行粗加工形成直径200μm的原始切削部分及原始过渡部分。所述原始过渡部分的材质为硬质合金基底。所述原始切削部分的材质为PCD。
高精度刀具外形成型方法;采用皮秒激光正向逐层去除方式对所述原始切削部分及原始过渡部分进行处理,形成半加工切削部分和过渡部分;所述半加工切削部分与所述过渡部分均为多棱柱体,具体为:如图2所示,采用与所述原始切削部分与原始过渡部分表面垂直的皮秒激光加工策略,不断沿着皮秒激光出射方向逐层往下去除材料,并根据设定需求改变皮秒激光轨迹,用以实现刀具三维微细结构的成型,即形成过渡部分与粗制的半加工切削部分。
高质量表面成型方法;采用皮秒激光切向逐层去除方式对粗制的所述半加工切削部分进行处理,形成精致的半加工切削部分;具体为:如图3所示,采用与粗制的所述半加工切削部分表面平行的皮秒激光加工策略,从粗制的所述半加工切削部分的最外层逐层切向去除表面材料,进而形成精致的半加工切削部分,用于实现高质量表面成型。
高锋利度刀尖成型方法;采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理,形成前刀面、底后刀面和侧后刀面;所述前刀面为弧面;所述底后刀面和所述侧后刀面均为平面;具有为:如图4所示,采用与精致的所述半加工切削部分表面平行的皮秒激光加工策略,从精致的所述半加工切削部分的最外层逐层切向去除表面材料,并根据设定需求改变皮秒激光轨迹以及采用皮秒激光出射端成型刀尖,进而形成前刀面、底后刀面和侧后刀面。
其中,采用皮秒激光出射端成型刀尖,用以避开皮秒激光切入端激光能量堆积对刀尖圆弧的影响,以实现刀尖圆弧半径小于1μm的高锋利度刀尖成型。
由于激光能量的高斯分布,加工表面时会产生7°左右的斜坡,加工时需要进行角度修正。
在本实施例中,每层去除材料的厚度小于5微米,尽量保持在1-5微米,避免因多组分材料阈值不同而导致的表面缺陷,并在每次去除材料之后,相应的降低焦点位置,用以保持每次去除材料厚度和质量的一致性。
在本实施例中,皮秒激光为脉冲长度为10皮秒、波长为532nm的脉冲激光,采用该激光进行刀具的加工,用以降低激光加工的热影响,提高刀具的加工质量。
在皮秒激光正向逐层去除方式中,采用略高于PCD材料激光加工阈值的脉冲能量(单脉冲能量为5-30μJ,扫描速度为50-500mm/s)去除材料,用以实现在去除材料的同时保证一定的加工质量。
在皮秒激光切向逐层去除方式中,采用60-120μJ的较高激光单脉冲能量和2-30mm/s的激光扫描速度对进行刀具材料去除加工,用以保证较高的表面质量。
在本实施例中,根据目标外形确定每个去除层相应的激光加工轨迹,使得加工轨迹随着去除层数而改变,用以实现刀具三维外形的精确成型。
实施例二
采用实施例一所述方法制备了如图5所示的一种微铣刀,包括刀柄、目标切削部分以及位于所述目标切削部分和所述刀柄之间的过渡部分;所述目标切削部分的外表面包括前刀面1、底后刀面2、侧后刀面4以及非切削面。
所述前刀面1、所述底后刀面2和所述侧后刀面4均是采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理后形成的平面;所述非切削面为除所述前刀面1、所述底后刀面2、所述侧后刀面4之外所述目标切削部分剩余的外表面;所述半加工切削部分为采用皮秒激光正向逐层去除方式对原始切削部分进行处理后形成的多棱柱体;所述原始切削部分为未加工且形状为圆柱体的切削部分。所述前刀面1与所述底后刀面2之间形成底刃3;所述前刀面1与所述侧后刀面4之间形成侧刃5。
其中,如图6和7所示,前角为0°,底刃后角为15°-25°,侧刃后角为20°-35°,刃倾角为7°-15°。所述过渡部分通过焊接工艺固定在所述刀柄上,所述过渡部分的材质为硬质合金以保证其具有足够的强度。所述微铣刀的整体长度为35mm,所述刀柄的直径为4mm,所述目标切削部分的有效切削直径为80-120μm,所述目标切削部分的有效长度为70-100μm,所述过渡部分的直径为75-90μm,所述过渡部分的长度为200-250μm。
优选地,该多棱柱体为八棱柱结构,在保证强度的同时,降低加工难度。
实施例三
本实施例提供了一种适用于直径小于100微米的微铣刀复合直刃结构,刀头参与切削的部分为材料为PCD,以保证其优秀的切削性能,后面部分为硬质合金,以保证其具有足够的强度;刀具整体长度为L=35mm,刀柄直径为4mm,切削部分直径为100μm,有效长度为70μm,硬质合金部分为直径90μm,有效长度为230μm,整体采用八棱柱结构,在保证强度的同时,降低加工难度;端部切削部分如图5所示采用直刃结构,包括前刀面1、底后刀面2、底刃3、侧后刀面4、侧刃5;底刃后角为15°,侧刃后角为30°,刃倾角为7°。
下面通过对上述微铣刀的制备过程进行说明,来进一步阐述所述刀具外形成型方法、高质量表面成型方法和高锋利度刀尖成型方法。该方法主要包括刀具外形成型方法、高质量表面成型方法和高锋利度刀尖成型方法。
刀具的整体制备流程如图1所示,刀头部分由PCD复合片构成,采用焊接的方法连接在在刀柄上,复合片基底为硬质合金材料;焊接完成后,再通过磨削进一步减小刀头的尺寸,刀头直径减小至200微米完成毛坯的制备;最后通过皮秒激光完成刀具的最终制备。
本实施例主要描述皮秒激光的最终加工工艺,具体包括以下步骤:
步骤一:刀具外形成型。采用如图2所示的正向逐层去除的方式对刀具的三维结构进行成型,首先根据刀具的毛坯形状和目标形状进行激光轨迹的规划,使得激光轨迹随着去除层数的改变而变化,完成刀头PCD部分的初步成型以及剩余硬质合金部分的直接成型。具体加工工艺参数为激光扫描间距为2微米,扫描速度为100mm/s,频率为300kHz,光斑能量为25μJ,每层去除厚度为3微米。
步骤二:高质量表面成型,即刀具前刀面成型。采用如图3所示的切向逐层去除的方式进行刀具前刀面的成型,以避免PCD由于材料各组分激光去除阈值的不同而产生的表面缺陷。具体加工工艺参数为光斑能量为62μJ,扫描速度4.5mm/s,频率300kHz,每次去除材料厚度为2微米。
步骤三:高锋利度刀尖成型,即后刀面成型。为避免激光热量堆积以及能量分布不均的影响,采用如图4所示的加工方法从相对于前刀面的方向进行刀尖以及后刀面的成型,以实现刀尖圆弧半径小于1微米的刀尖的制造。激光加工工艺参数与步骤二相同。最终得到切削直径为100微米的直刃微细铣刀。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种微铣刀的皮秒激光制备方法,其特征在于,包括:
将原始切削部分通过原始过渡部分固定在刀柄上;
采用皮秒激光正向逐层去除方式对所述原始切削部分及所述原始过渡部分进行处理,形成半加工切削部分及过渡部分;所述半加工切削部分与所述过渡部分均为多棱柱体;
采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理,形成前刀面、底后刀面和侧后刀面;所述前刀面、所述底后刀面和所述侧后刀面均为平面,且所述前刀面由弧面过渡至所述过渡部分。
2.根据权利要求1所述的一种微铣刀的皮秒激光制备方法,其特征在于,所述采用皮秒激光正向逐层去除方式对所述原始切削部分及所述原始过渡部分进行处理,形成半加工切削部分及过渡部分,具体包括:
采用与所述原始切削部分表面垂直的皮秒激光加工策略,不断沿着皮秒激光出射方向逐层往下去除材料,并根据设定需求改变皮秒激光轨迹,进而形成过渡部分和粗制的半加工切削部分;
采用与粗制的所述半加工切削部分表面平行的皮秒激光加工策略,从粗制的所述半加工切削部分的最外层逐层切向去除表面材料,进而形成精致的半加工切削部分;
其中,每层去除材料的厚度小于5微米。
3.根据权利要求2所述的一种微铣刀的皮秒激光制备方法,其特征在于,所述采用皮秒激光切向逐层去除方式对所述半加工切削部分进行处理,形成前刀面、底后刀面和侧后刀面,具体包括:
采用与精致的所述半加工切削部分表面平行的皮秒激光加工策略,从精致的所述半加工切削部分的最外层逐层切向去除表面材料,并根据设定需求改变皮秒激光轨迹以及采用皮秒激光出射端成型刀尖,进而形成前刀面、底后刀面和侧后刀面;其中,每层去除材料的厚度小于5微米。
4.根据权利要求1所述的一种微铣刀的皮秒激光制备方法,其特征在于,所述皮秒激光为脉冲长度为10皮秒、波长为532nm的脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的一种微铣刀的皮秒激光制备方法,其特征在于,在皮秒激光正向逐层去除方式中,所述皮秒激光的单脉冲能量为5-30μJ,扫描速度为50-500mm/s;
在皮秒激光切向逐层去除方式中,所述皮秒激光的单脉冲能量为60-120μJ,扫描速度为2-30mm/s。
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单晶金刚石微铣刀的飞秒制造研究;陈俊云等;《燕山大学学报》(第2022年5月第46卷第3期期);第200-207页 * |
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