CN116944822B - 一种pcd微钻加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PCD微钻加工方法及加工装置，涉及钻具加工技术领域。包括如下步骤：S1、通过焊接方式将PCD钻尖与硬质合金钻柄连接在一起，焊接后得到PCD微钻的毛坯；S2、在PCD微钻的毛坯表面镀覆一层适于与金刚石产生化学反应的反应物和催化剂镀层，总厚度在5~20μm；S3、利用多轴超快激光加工带有所述镀层的所述PCD微钻，通过激光产生高温，使金刚石与反应物化学反应形成碳化物，以加快金刚石在激光加工过程中的去除速率；S4、激光加工完毕后，去除残余在PCD微钻表面的镀层，完成PCD微钻加工。本发明还提供了一种PCD微钻加工装置。通过本发明方案可以大大提高PCD微钻的加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及钻具加工技术领域，具体而言，涉及一种PCD微钻加工方法及加工装置。
背景技术
钻头是进行钻削加工的必备工具，微钻是指直径在1mm以下的钻头。近年来，随着科技快速发展，工程陶瓷、单晶硅等硬脆材料被大量应用在航天航空、半导体、3C电子等行业中，这些材料具有硬度高、脆性大等特性，是典型的难加工材料，硬质合金微钻在加工这些硬脆材料时，存在切削力大、刀具磨损快、孔位精度差等问题，只有聚晶金刚石（PCD）等超硬刀具材料才能适应这些材料的加工，因此PCD超硬微钻在硬脆难加工材料的微孔加工中具有很大的应用需求。
PCD材料的硬度接近天然金刚石，磨削加工的载荷大、效率低；PCD材料的导电性差，电火花线切割表面质量差、难以加工螺旋槽等复杂形状。相比而言，激光加工在超硬材料加工方面具有独特优势，不仅没有磨削力作用，而且结合多轴运动系统容易实现螺旋槽等复杂形状结构的高效加工，是解决PCD微钻高效加工难题的最具潜力途径。传统的激光加工直接把激光束聚焦在PCD微钻表面，激光作用高温下金刚石颗粒发生石墨化，以石墨化的形式去除金刚石。常用的纳秒激光热影响区域大，会在PCD微钻表面产生较大的热损伤区和残余应力，容易引起材料热裂纹，影响PCD微钻使用性能。皮秒、飞秒等超快激光的热影响区域小，比较适合PCD微钻的加工，但是由于PCD材料的激光吸收率低，使得加工效率相对较低，限制了激光加工效率，这些问题是PCD微钻激光加工中面临的主要难题。
发明内容
本发明公开了一种PCD微钻加工方法，操作便利，旨在改善PCD材料的激光吸收率低，使得加工效率相对较低的问题。
本发明采用了如下方案：
本申请提供了一种PCD微钻加工方法，包括如下步骤：
S1、通过焊接方式将PCD钻尖与硬质合金钻柄连接在一起，焊接后得到PCD微钻的毛坯；
S2、在PCD微钻的毛坯表面镀覆一层适于与金刚石产生化学反应的反应物和催化剂镀层，总厚度在5~20μm；
S3、利用多轴超快激光加工带有所述镀层的所述PCD微钻毛坯，通过激光产生高温，使PCD微钻内的金刚石与反应物化学反应形成碳化物，以加快金刚石在激光加工过程中的去除速率；
S4、激光加工完毕后，去除残余在PCD微钻表面的镀层，完成PCD微钻加工。
进一步地，所述反应物为Fe或者Ti或者Fe与Ti的混合物。
进一步地，所述催化剂为Co或者Ni或者Co与Ni的混合物。
进一步地，所述镀层的厚度为12μm。
进一步地，在S1中，所述PCD钻尖与所述硬质合金钻柄通过高频感应钎焊的方式焊接。
本发明还提供了一种用于实现上述任意一项所述的PCD微钻加工方法的加工装置，包括上下料模块、化学镀覆模块、激光加工模块、化学脱镀模块，其中，所述上下料模块包括桁架机械手，所述桁架机械手适于抓取所述毛坯并依次在所述化学镀覆模块、激光加工模块、化学脱镀模块之间移动；所述化学镀覆模块适于对毛坯进行反应物和催化剂镀层的镀覆；所述激光加工模块适于接收具有镀层的所述毛坯，并通过对所述毛坯进行激光加工以形成PCD微钻；所述化学脱镀模块适于对激光加工完毕的PCD微钻进行脱镀处理，使残余镀层脱落。
进一步地，所述激光加工模块包括五轴机床系统和超快激光器，所述超快激光器连接在所述五轴机床系统上，以在所述五轴机床系统的驱动下运动。
进一步地，所述化学脱镀模块包括脱镀容器和盛放于所述脱镀容器内的脱镀溶液，所述脱镀溶液用于去除PCD微钻表面的残留镀层。
有益效果：
在PCD微钻毛坯表面镀覆反应物和催化物的镀层，在激光辐照产生的高温下，Fe、Ti等金属反应物与金刚石发生化学反应形成碳化物，加快金刚石在激光加工过程中的去除速率。同时，Co、Ni等金属材料可起到催化剂作用，对金刚石的石墨化过程产生强烈的催化作用，加速金刚石的石墨化过程。利用超快激光加工PCD微钻，进行开槽、磨尖、清边等工序，完成PCD微钻的钻尖、螺旋槽等复杂三维结构的多轴超快激光加工，通过全激光加工高效率高质量地制备PCD微钻。
附图说明
图1是本发明实施例一种PCD微钻加工方法的加工过程示意图；
图2是本发明实施例一种PCD微钻加工装置的结构示意图；
附图标记：底座1；桁架机械手2；上料箱3；化学镀覆模块4；X轴5；Y轴6；第四轴7；第五轴8；毛坯9；超快激光器10；Z轴11；化学脱镀模块12；下料箱13。
具体实施方式
实施例1
结合图1，本实施例提供了一种PCD微钻加工方法，包括如下步骤：
S1、通过焊接方式将PCD钻尖与硬质合金钻柄连接在一起，焊接后得到PCD微钻的毛坯9；
S2、在PCD微钻的毛坯9表面镀覆一层适于与金刚石产生化学反应的反应物和催化剂镀层，总厚度在5~20μm；
S3、利用多轴超快激光加工带有所述镀层的所述PCD微钻，通过激光产生高温，使金刚石与反应物化学反应形成碳化物，以加快金刚石在激光加工过程中的去除速率；
S4、激光加工完毕后，去除残余在PCD微钻表面的镀层,完成PCD微钻加工。
本实施例中，在步骤S1中，采用高频感应钎焊的方法进行毛坯9的焊接，采用银铜钎料作为焊接剂，利用氩气作为保护气，避免焊接过程中的氧化问题。经过优化焊接参数，采用焊接温度为790℃、保温时间为15s、焊接压力为2MPa,可以获得240MPa的焊接强度。
所述反应物和催化剂镀层可以通过将Fe、Ti、Co、Ni等金属粉末材料直接涂覆在所述毛坯9的PCD钻尖上，或者加入具有粘性的物质例如聚乙烯、EVA热熔胶等热熔胶，或者其他粘结剂使其粘附在所述毛坯9的PCD钻尖，也可以通过电镀的方式使反应物和催化剂在所述毛坯9的PCD钻尖上形成镀层。当然，这里反应物不局限于Fe、Ti，能在高温下与金刚石进行化学反应即可；所述催化物也不局限于Co、Ni。该镀层可以是单一材料的金属层，例如只使用Fe或者只使用Ti金属粉末涂覆，也可以是多材料混合的金属层，例如采用Fe、Ti、Co、Ni等金属粉料混合后涂覆在毛坯表面。另外所述镀层的总厚度在5~20μm，优选在12μm左右，使得镀层材料足够进行整个PCD微钻的加工，同时又有利于加工完毕后在脱镀模块快速进行脱镀。这里可以通过控制每次涂覆的金属粉料的量来控制整体的厚度，也可以通过多次涂覆的方式控制厚度，例如每次涂覆一层薄薄的金属粉末，涂完后测量厚度，厚度不足时在已经涂完一层镀层的表面继续涂覆另一层的金属粉末，直到满足厚度需求；另外这里还可以在毛坯9上施加粘结剂用于粘附金属粉末，通过控制粘结剂的量也可以控制每次涂层镀覆的厚度。
本实施例中，通过增加反应物和催化物镀层来提高激光加工效率的原理为：通过在激光辐照高温下，Fe、Ti等金属反应物与金刚石发生化学反应形成碳化物，如（1）、（2）所述的化学式，从而可以加快金刚石在激光加工过程中的去除速率。同时，Cu、Ni等金属材料可起到催化剂作用，对金刚石的石墨化过程产生强烈的催化作用，加速金刚石的石墨化过程。利用超快激光加工PCD微钻，进行开槽、磨尖、清边等工序，完成PCD微钻的钻尖、螺旋槽等复杂三维结构的多轴超快激光加工，通过全激光加工高效率高质量地制备PCD微钻。
（1）2Fe+C+2 2Fe/>+/>；
（2）Ti+CTiC;
本实施例中，可以通过现有的脱镀溶液对激光加工完毕后PCD微钻进行脱镀，使残余在PCD微钻表面的反应物与催化物的镀层溶解脱落，以防止镀层对PCD微钻性能的影响。这里所述的脱镀溶液为：硫酸、硝酸以及双氧水的混合溶液，或者可以参考公开号为CN108893724A的一种硬质合金中钴元素闪脱方法中所公开的配比。通过本实施例，大大提高了激光加工所述PCD微钻时的效率。
实施例2
结合图2所示，本实施例提供了一种用于实现所述的PCD微钻加工方法的加工装置，包括上下料模块、化学镀覆模块4、激光加工模块、化学脱镀模块12，其中，所述上下料模块包括桁架机械手2，所述桁架机械手2适于抓取所述毛坯9并依次在所述化学镀覆模块4、激光加工模块、化学脱镀模块12之间移动；所述化学镀覆模块4适于对毛坯9进行反应物和催化剂镀层的镀覆；所述激光加工模块适于接收具有镀层的所述毛坯9，并对所述毛坯9进行激光加工以形成成品的PCD微钻；所述化学脱镀模块12适于对激光加工完毕的PCD微钻进行脱镀处理，使残余镀层脱落。
本实施例中，所述上下料模块采用桁架机械手2结构，包括桁架机械手2、上料箱3和下料箱13。其中桁架机械手2可升降，且适于在各个模块中运转，以起到转移毛坯9的作用。所述上料箱3和下料箱13分别设置在加工装置的两端，上料箱3用于盛放未加工的毛坯9，下料箱13用于盛放加工完毕的PCD微钻。所述化学镀覆模块4包括用于盛放反应物和催化剂的容器，使毛坯9在容器内进行镀层的镀覆，这里可以将Fe、Ti、Co、Ni的金属粉末通过粘结剂溶液在化学镀覆模块4内搅拌混合，然后直接将毛坯9伸入化学镀覆模块4粘附反应物和催化剂即可，也可以在化学镀覆模块4内直接放置混合的反应物和催化剂金属粉末，然后在毛坯9上刷一层薄薄的粘结剂，再将毛坯9伸入化学镀覆模块4内粘附反应物与催化物粉末即可。
所述的激光加工模块包括现有的五轴机床系统和超快激光器10，所述五轴机床系统包括底座1、X轴5、Y轴6、第四轴7、第五轴8和Z轴11，可以实现五轴运动，所述激光加工模块可以实现PCD微钻的激光加工功能，完成PCD微钻毛坯9的开槽、磨尖、清边等工序。所述超快激光器10可以是皮秒激光器等，其设置在所述五轴机床系统上，在五轴机床系统的控制下可以进行运动和位置的调整。
所述化学脱镀模块12包括脱镀容器和盛放于所述脱镀容器内的脱镀溶液，所述脱镀溶液用于去除PCD微钻表面的残留镀层。这里脱镀溶液为现有材料，不再赘述。本实施例中，所述化学镀覆模块4与所述脱镀容器设置在所述激光加工模块的两侧，且与所述上料箱3和下料箱13位于同一直线上，便于桁架机械手2进行快速的抓取放置。
该加工装置的工作过程为：将焊接后的PCD微钻毛坯9放入上料箱3中，桁架机械手2抓取PCD微钻毛坯9移动到化学镀覆模块4中，化学镀覆模块4内的反应物和催化剂粉末在PCD微钻毛坯9表面产生镀覆一层Ti金属层或者Fe金属层或者Fe、Ti、Co、Ni混合的金属层；涂覆后可以通过外部烘干机对粘结剂进行快速烘干，使反应物与催化剂粉末固定在毛坯9上，烘干时间长短根据粘结剂的种类以及用量进行调整。之后桁架机械手2抓取PCD微钻工件移动到五轴机床系统的超快激光器10的加工平台中，超快激光器10加工对PCD微钻毛坯9进行加工，完成开槽、磨尖、清边等工序，得到加工后的PCD微钻工件。随后，桁架机械手2抓取PCD微钻工件移动到化学脱镀模块12中，装置中的脱镀溶液把PCD微钻表面残留的镀覆金属层溶解，进行烘干后，桁架机械手2抓取PCD微钻工件移动到下料箱13中，完成PCD微钻的加工过程。
通过本实施例方案，结构简单，且可以大大提高PCD微钻的加工效率。
应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
Claims (3)
1.一种PCD微钻加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过焊接方式将PCD钻尖与硬质合金钻柄连接在一起，焊接后得到PCD微钻的毛坯；
S2、在PCD微钻的毛坯表面镀覆一层适于与金刚石产生化学反应的反应物和催化剂镀层，总厚度在5~20μm；所述反应物为Fe或者Fe与Ti的混合物；所述催化剂为Co或者Co与Ni的混合物；所述反应物适于与金刚石在发生如下反应：
（1）2Fe+C+2 2Fe/>+/>；
（2）Ti+CTiC;
S3、利用多轴超快激光加工带有所述镀层的所述PCD微钻毛坯，通过激光产生高温，使金刚石与反应物化学反应形成碳化物，以加快金刚石在激光加工过程中的去除速率；
S4、激光加工完毕后，去除残余在PCD微钻表面的镀层，完成PCD微钻加工。
2.根据权利要求1所述的PCD微钻加工方法，其特征在于，所述镀层的厚度为12μm。
3.根据权利要求1所述的PCD微钻加工方法，其特征在于，在S1中，所述PCD钻尖与所述硬质合金钻柄通过高频感应钎焊的方式焊接。
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