JP2008515643A - Hard material processing apparatus and processing method using laser having irradiance in the range of 106 to 109 Wcm-2 and repetition rate in the range of 10 to 50 kHz - Google Patents
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Abstract
【課題】106〜109Wcm−2の範囲の放射照度と、10〜50kHzの範囲の繰返し率とを有するレーザを使用する硬質材料の加工処理装置及び加工処理方法
【解決手段】硬質材料の加工処理装置は、レーザフライス加工またはレーザ切削用途のために、スキャナ(20)を用いて材料上を走査される高繰返し率の高放射照度レーザパルスを生成するレーザ(10)を備える。
【選択図】 図1Hard material processing apparatus and processing method using laser having irradiance in the range of 10 6 to 10 9 Wcm -2 and repetition rate in the range of 10 to 50 kHz The processing apparatus comprises a laser (10) that generates a high repetition rate, high irradiance laser pulse that is scanned over the material using a scanner (20) for laser milling or laser cutting applications.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、硬質材料を加工処理する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for processing hard materials.
多結晶ダイヤモンド(PCD)、天然ダイヤモンドおよび炭化タングステン(WC)などの超硬質材料には数多くの工業用途がある。これらには、極限環境用途における、マイクロエレクトロニクス用の強固な基板だけでなく、機械加工用の工具が含まれる。しかし、 これらの材料の加工には問題が多い。 Ultra-hard materials such as polycrystalline diamond (PCD), natural diamond and tungsten carbide (WC) have numerous industrial applications. These include machining tools as well as solid substrates for microelectronics in extreme environment applications. However, there are many problems in processing these materials.
PCD切削工具は一般に、非鉄金属、木材およびゴムを加工するのに用いられる。PCDブランクは、特定の形状に切削され、切削工具(多くの場合、1つの工具に複数のPCD切刃を有する)内に組み込まれた個々のホルダにロウ付けされる。多結晶ダイヤモンド切削工具ブランクは、ダイヤモンドの硬度、耐磨耗性、耐性抵抗および熱伝導性とWCの靭性とを兼ね備えた複合材料と見なすことができる。PCDは、金属マトリックス内でランダムに配向したダイヤモンド粒子の合成の極めて硬い互いに交わって生長した塊体である。これは、選択されたダイヤモンド粒子を、高圧高温で焼結することによって作られる。焼結プロセスはダイヤモンド安定領域内で精密に制御され、極めて硬い耐摩耗性構造体が形成される。これらの特性は、磨耗部品への用途だけでなく、広範囲の材料を加工する切削工具で最もよく利用される。これらの用途では、これらの特性は工具の寿命向上に寄与し、加工の信頼性および高精度の加工公差といったさらなる技術的利点を提供する。 PCD cutting tools are commonly used to process non-ferrous metals, wood and rubber. PCD blanks are cut to a specific shape and brazed to individual holders incorporated in a cutting tool (often having multiple PCD cutting edges in one tool). A polycrystalline diamond cutting tool blank can be considered as a composite material that combines the hardness, wear resistance, resistance resistance and thermal conductivity of diamond with the toughness of WC. A PCD is a very hard, interdigitated mass of diamond particles that are randomly oriented within a metal matrix. This is made by sintering selected diamond particles at high pressure and high temperature. The sintering process is precisely controlled within the diamond stable region, resulting in a very hard wear resistant structure. These properties are most often used in cutting tools that process a wide range of materials, as well as applications for wear parts. In these applications, these properties contribute to increased tool life and provide additional technical advantages such as machining reliability and high precision machining tolerances.
しかし、工具の寿命の間にも、刃先は磨耗し(従来の切削工具よりも磨耗速度が遅いとはいえ)、このためPCD切刃の刃先を研がなければならない。これがなされない場合、寸法公差が大きくなり、切削品質が低下する。 However, even during the life of the tool, the cutting edge wears out (although at a slower rate of wear than conventional cutting tools), so the cutting edge of the PCD cutting edge must be sharpened. If this is not done, dimensional tolerances increase and cutting quality decreases.
PCD切削工具の寿命を延ばす公知の解決策には、ワイヤ電極が放電加工によってダイヤモンドを切削する放電加工機(EDM)が含まれる。この公知の解決策に伴う問題は、速度が遅く、簡単な形状物しか切削できないことである。他の公知の従来技術は、潤滑油を必要としたり、過度に工具を磨耗したりといった問題に見舞われる。 Known solutions for extending the life of PCD cutting tools include electric discharge machines (EDM) in which wire electrodes cut diamond by electric discharge machining. The problem with this known solution is that it is slow and can only cut simple shapes. Other known prior art suffers from problems such as the need for lubricating oil and excessive tool wear.
さらに、レーザを用いてダイヤモンドを切削する別の方法が提案されている。従来技術には、フラッシュ励起固体レーザ(FPSSL)の使用が含まれる。フラッシュランプ励起固体レーザ(FPSSL)は、産業界において20年以上にわたり、数100ヘルツで、ミリ秒のパルス継続時間で作動し、高出力であるが低出力密度(放射照度)を与えるのに広く用いられてきた。しかし、この機構では低電力低効率の問題に悩まされる。 Furthermore, another method for cutting diamond using a laser has been proposed. The prior art includes the use of flash pumped solid state lasers (FPSSL). Flash lamp pumped solid state lasers (FPSSL) have been operating in the industry for over 20 years, operating at hundreds of hertz, with pulse durations of milliseconds, and widely used to provide high power but low power density (irradiance) Has been used. However, this mechanism suffers from the problem of low power and low efficiency.
本発明は、特許請求の範囲に明確に記載されている。 The invention is clearly set forth in the appended claims.
次に、本発明の実施形態を、実施例によって、図を参照しながら説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described by way of example with reference to the drawings.
例えば、硬度が250kg.mm2(ビッカース硬度値)を超える硬度、より好ましくは500kg.mm2を超える、さらにより好ましくは1000kg.mm2を超える硬度の材料に加工を施すことができる。詳細には、WCの硬度は1730kg.mm2であり、PCDの硬度は5098kg.mm2である。 For example, the hardness is 250 kg. hardness exceeding mm 2 (Vickers hardness value), more preferably 500 kg. It exceeds mm 2, even more preferably 1000 kg. Processing can be performed on materials having a hardness exceeding mm 2 . Specifically, the hardness of WC is 1730 kg. mm 2 and the hardness of PCD is 5098 kg. a mm 2.
一般に、本発明は、天然ダイヤモンド、PCD、WCなどの硬質材料を、パルスレーザを用いて、極めて高い繰返し率と放射照度で加工するように構成されたレーザに関する。パラメータの特定の範囲では、極めて効果的な操作で各値が特定されてきた。以下により詳細に説明するとおり、一実施形態では、ダイオード励起固体レーザ(DPSSL)によって所望の性能を実現できることが判明している。 In general, the present invention relates to a laser configured to process hard materials such as natural diamond, PCD, WC, etc., with a very high repetition rate and irradiance using a pulsed laser. Within a specific range of parameters, each value has been specified with a very effective operation. As described in more detail below, it has been found that in one embodiment, a diode pumped solid state laser (DPSSL) can achieve the desired performance.
本発明の装置に対する2つの特定の加工用途、すなわち、初期の工具形状を切削することおよび工具の鋭さを維持することが以下に説明される。 Two specific machining applications for the apparatus of the present invention are described below: cutting an initial tool shape and maintaining the sharpness of the tool.
硬質材料を形削りまたはフライス加工する装置が図1に示されている。レーザ10は、パルスビームを生成する。パルスビームは、ミラー12、14によって方向変更され、望遠鏡(ビーム拡大器)を備える光学アレイ16、18を通して、目標物(例えば、フライス加工されるPCD材料)を横切ってビームを移動させるスキャナ20に導かれる。ビームは、整形もしくはクリップ開口または絞り24、26、28、30を通過する。さらに、例えば、HeNeアライメントレーザなどのアライメントレーザ32が、ミラー34、36によってパルスビームと同軸になるアライメントビームを生成する。ミラー36はパルスレーザビーム光路内にあるが、位置合わせが終了すると取り外すことができる。HeNeアライメントビームに関連付けて絞り23を使用し、後方反射板を用いる位置合わせを補助する。
An apparatus for shaping or milling a hard material is shown in FIG. The
レーザフライス加工の方法は、ウェストサセックス州のクローリー(Crawley,West Sussex)にあるパワーレーズ社(Powerlase Limited)から入手可能なStarlase AO2 Nd:YAG Q−switched DPSSLを、1064nmの基本波長で使用している。このパルスレーザは、繰返し率とパルス継続時間がそれぞれ3〜50kHzと20〜200nsの範囲で、最大220Wの平均出力を提供する。出力ビームパワーは、任意の適切な減衰部(図示せず)を用いて変更され、次にガリレイ望遠鏡16、18を用いて平行ビームとされ、ガルバノメータスキャナ20(ドイツのミュンヘン(Munich,Germany)のスキャンラボ社(Scanlab GmbH)から入手可能なScanLab HurryScan25)に導かれる。スキャナには、25×25mmの作業標的領域を備える、焦点距離が80mmのf−θテレセントリック対物レンズが取り付けられている。全ての加工作業は、標準的な周囲環境条件で空気中において実行され、ガスアシストを用いない。 The laser milling method uses a Starlase AO2 Nd: YAG Q-switched DPSSL available from Powerlase Limited, Crawley, West Sussex, West Sussex, at a fundamental wavelength of 1064 nm. Yes. This pulsed laser provides an average power of up to 220 W with repetition rates and pulse durations in the range of 3-50 kHz and 20-200 ns, respectively. The output beam power is changed using any suitable attenuator (not shown), then collimated using Galilei telescopes 16 and 18 and galvanometer scanner 20 (Munich, Germany). Guided to ScanLab HurryScan 25 available from Scanlab GmbH. The scanner is fitted with an f-θ telecentric objective with a focal length of 80 mm with a work target area of 25 × 25 mm. All processing operations are performed in air at standard ambient conditions and do not use gas assist.
動作においては、システムは、最初に、アライメントレーザ32を用いて位置合わせられ、着脱可能なミラー36が取り外される。次に、パルスレーザ10が作動し、以下により詳細に説明する作動サイクルを実行する。パルスビームが、スキャナ20により目標物を横断して走査される。
In operation, the system is first aligned using the
スキャナ20は、図7からより詳細に理解できるであろう。図7では、スキャナはステアリングミラー50、52とフラットフィールドレンズ54とを含んでいる。挿入図56から明らかなとおり、パルスビームを走査する結果として、重なったレーザパルスを実現して、任意の所望の複雑な切削形状を可能にする。走査速度は、レーザの繰返し率とレーザパルスの空間的な重なり度合いの関数として決定される。パルスの重なり度合いは、目標物のうち任意の特定部分が受ける「熱」量を制御するために利用される。レーザパルスが目標物を照射すると、材料は加熱され、材料の一部が蒸発し、パルス後、目標物は冷却し始める。この冷却プロセスが起こっている間、次のパルスが到達し、重なりがある場合には、材料は最初のパルスよりも早く蒸発点に達し(最初のパルス後の材料温度は周囲環境温度よりも高いため)、この結果、レーザパルスは蒸発により有効になる。しかし、このプロセスには限界がある。過剰な残留熱エネルギーが目標物内に残され(蓄えられ)ると、材料は液状体になり、溶融プールが形成される。これは、かなり制御が難しく、従ってフライス加工プロセスでは望ましくない。さらに、重なりを注意深く制御することによって、フライス加工プロセスが終了した後の材料表面の質を制御することができる。重なりが大きいほど、滑らかな仕上がりとなる傾向がある。従って、実験によって所定の設定に対する適切な走査速度を決定し、所望のレベルのフライス加工を達成することができる。
The
選択された特定の動作パラメータは、2つの特定材料であるPCDとWCに関連して、本明細書で説明される。例えば、レーザを利用して、図2で示される材料などの材料をフライス加工することができる(および、以下により詳細に説明するように、切削する)。この材料は、WC基板210上にPCD層200を含み、切削/フライス加工される刃先230およびテーパ角度θ240を備える複合材料220を形成している。レーザ切削およびフライス加工プロセスは、PCDを切削工具として使用可能な切削を実現し維持しなければならない。図2は、PCD材料のダイヤモンド側に必要とされる鋭い刃先230を示している。この刃先は、正確に直線で、できる限り半径が小さくなければならない。この鋭い刃先は、切削面250上でのみ必要とされ、PCD部分の他の側では必要とされない。
The specific operating parameters selected are described herein in connection with two specific materials, PCD and WC. For example, a laser can be used to mill a material such as the material shown in FIG. 2 (and cut as described in more detail below). This material includes a
正確な動作パラメータは材料に依存し、熱伝導性、密度、熱容量、蒸発温度、蒸発の比熱および目標面の反射率などの要因、ならびに、以下に述べるとおり、特定の材料の好ましい範囲に依存している。 The exact operating parameters depend on the material, factors such as thermal conductivity, density, heat capacity, evaporation temperature, specific heat of evaporation and reflectivity of the target surface, as well as the preferred range of specific materials as described below. ing.
PCDをフライス加工する場合、好ましい放射照度範囲は、107〜109Wcm−2であり、より好ましくは100MWcm−2〜200MWcm−2である。好ましいパルス継続時間は47ns〜160nsであり、より好ましくは120ns〜160nsである。好ましい繰返し率は、10kHz(47ns)〜50kHz(160ns)の範囲であり、より好ましくは40kHz(120ns)〜50kHz(160ns)である。最大9mm3/分の除去率は、上述の特定のレーザ装置を用いて達成されるが、高出力のレーザを用いれば除去率を高くすることができる。図3は、繰返し率が10〜50kHzの範囲の放射照度において達成される除去率をより詳細に示している。
When milling PCD, the preferred irradiance range is 10 7 to 10 9 Wcm −2 , more preferably 100
予測以上に、上述のパラメータの範囲によって、特に良好な性能結果が得られる。これは、レーザフライス加工中に起こる物理学的機構のためである。この物理学的機構では、レーザパルスによって、加工物の表面が蒸気温度まで上昇する最初の融解ステージが生成され、次いで、蒸発が制御されて生じる材料除去ステージが生成される。特に、レーザパルスは、十分に強力で(すなわち、十分な放射照度を有し)、十分なパルス継続時間を有して、材料の温度を融点より高く、材料の蒸気点(沸点近く)まで上昇させなければならない。パルス継続時間におけるこの点から、蒸発が起こり、材料が制御された方法で目標物から除去される。 More than expected, a particularly good performance result is obtained by the above-mentioned parameter range. This is due to the physical mechanism that occurs during laser milling. In this physical mechanism, the laser pulse creates an initial melting stage in which the surface of the workpiece rises to the vapor temperature, and then a material removal stage with controlled evaporation. In particular, laser pulses are powerful enough (ie, have sufficient irradiance), have sufficient pulse duration, and raise the temperature of the material above the melting point to the vapor point of the material (near the boiling point) I have to let it. From this point in the pulse duration, evaporation occurs and material is removed from the target in a controlled manner.
結果的に、研磨によって材料を除去するための管理パラメータは、パルスの放射照度またはパワー密度およびパルス継続時間である。場合によっては、パルス継続時間は、レーザ繰返し率に直接関連する。繰返し率が高い場合にはパルス長は長く、繰返し率が低い場合にはパルス長は短い。従って、上述の実施形態では、上述の繰返し率の範囲は、パルス継続時間との直接的な関係により、管理パラメータを形成する。しかし、他の実施形態では、パルス継続時間自体はレーザの繰返し率とは別個に適切に制御され、所望の加工条件を達成することができる。 Consequently, the control parameters for removing material by polishing are the irradiance or power density of the pulse and the pulse duration. In some cases, the pulse duration is directly related to the laser repetition rate. When the repetition rate is high, the pulse length is long, and when the repetition rate is low, the pulse length is short. Therefore, in the above-described embodiment, the above-described repetition rate range forms a management parameter based on a direct relationship with the pulse duration. However, in other embodiments, the pulse duration itself can be appropriately controlled independently of the laser repetition rate to achieve the desired processing conditions.
パルスエネルギーだけでなく、むしろ放射照度の重要性が生じる。この理由は、目標材料の容積体への伝導損失を低減することにより、実際に加工するためのエネルギーをより少なくし、かつ実際に液状体の融解プールを形成できるようにするために、短い継続時間(ナノ秒程度の)のパルス内にパルスエネルギーを集中させなければならないからである。PCDの場合、上述の特定の範囲の下限を下回る放射照度レベルは、材料の除去に限界があるため、材料を融解する以外はほとんど材料に影響を及ぼさないことが判明している。逆に、パルス放射照度の上限は、目標物への送出ビームを遮断するプラズマ吸収効果によって決定される(レーザ誘導吸収波(LAW))。 The importance of irradiance rather than just pulse energy arises. The reason for this is that by reducing the conduction loss of the target material to the volume, less energy is actually processed, and in order to be able to actually form a molten pool of liquid, This is because the pulse energy must be concentrated in a pulse of time (on the order of nanoseconds). In the case of PCD, it has been found that irradiance levels below the lower limit of the specific range described above have little effect on the material other than melting the material due to the limited material removal. On the contrary, the upper limit of the pulse irradiance is determined by the plasma absorption effect that blocks the beam to be delivered to the target (laser induced absorption wave (LAW)).
同様に、レーザの繰返し率が大きくなるにつれて、パルス継続時間は増加するが、放射照度とパルスエネルギーは減少し、このため、最大繰返し率限度は放射照度の低いしきい値によって決定される。同様に、レーザパルス放射照度は、吸収プラズマが上述のように生成されるまで低い繰返し率で増加するため、パルス繰返し率の下限は、LAWの始まりによっても決定される。しかし、さらに別の要因が考慮されなければならない。すなわち、レーザの繰返し率が下がるにつれて、パルス継続時間は減少し、放射照度は増えることである。パルスごとの材料除去は、放射照度が増えるにつれて増加するが(材料はより速く蒸発温度に達するため)、パルス継続時間は減少し、これによってこの増加した除去率が時間短縮に役立つ。さらに、繰返し率が減少すると、パルスごとの除去量は増加するが、パルスが減少するために、全体の除去量は増加しない可能性もある。 Similarly, as the laser repetition rate increases, the pulse duration increases, but the irradiance and pulse energy decrease, so the maximum repetition rate limit is determined by the low irradiance threshold. Similarly, since the laser pulse irradiance increases at a low repetition rate until the absorbing plasma is generated as described above, the lower limit of the pulse repetition rate is also determined by the beginning of the LAW. But yet another factor must be considered. That is, as the laser repetition rate decreases, the pulse duration decreases and the irradiance increases. Although material removal per pulse increases with increasing irradiance (because the material reaches the evaporation temperature faster), the pulse duration decreases, and this increased removal rate helps to reduce time. Furthermore, when the repetition rate decreases, the removal amount for each pulse increases, but since the number of pulses decreases, the overall removal amount may not increase.
従って、高速の繰返し率は、最速のPCD除去率を達成する主要な要因となることが判明している。レーザ繰返し率が大きくなるほど、フライス加工された領域の底部が滑らかになることも判明している。この結果は、最良のレーザフライス加工条件が決定され、高出力のナノ秒−キロヘルツ操作領域がPCDをフライス加工するのに効果的であることを示している。 Thus, it has been found that fast repetition rate is a major factor in achieving the fastest PCD removal rate. It has also been found that the greater the laser repetition rate, the smoother the bottom of the milled area. This result shows that the best laser milling conditions are determined and that the high power nanosecond-kilohertz operating area is effective for milling PCD.
次にWCに注目すると、PCDの場合よりも低い除去率が達成される。低周波数の繰返し率(高いパルス放射照度を有する)によって高い除去率が達成されるのに対して、50kHzの最高繰返し率は、材料が全く除去されないため、利用可能なパルス放射照度での除去には使用できない場合がある。図4を参照すると、パルス放射照度と除去率との関係が、種々の繰返し率の範囲で示されている。驚くべきことは、放射照度に対する好ましい範囲は、108Wcm−2〜109Wcm−2であり、より好ましくは、パルス継続時間が47ns〜160ns、より好ましくは120ns〜160nsに対して500〜700MWcm−2で、繰返し率が10〜50kHz(47〜160ns)、より好ましくは10〜30kHzであり、最高除去率は、10〜20kHz(47〜63ns)の範囲で生じることである。 Turning now to WC, a lower removal rate is achieved than with PCD. A high removal rate is achieved with a low frequency repetition rate (with high pulse irradiance), whereas a maximum repetition rate of 50 kHz does not remove any material, thus eliminating removal with available pulse irradiance. May not be available. Referring to FIG. 4, the relationship between pulse irradiance and removal rate is shown in various repetition rate ranges. Surprisingly, the preferred range for irradiance is 10 8 Wcm −2 to 10 9 Wcm −2 , more preferably, pulse duration 47 ns to 160 ns, more preferably 500 ns to 700 MWcm for 120 ns to 160 ns. -2 , the repetition rate is 10 to 50 kHz (47 to 160 ns), more preferably 10 to 30 kHz, and the highest removal rate is in the range of 10 to 20 kHz (47 to 63 ns).
これは、上述のように、基本にある物理学的機構に起因している。50kHzの場合、パルスは相対的に長いが、パルス放射照度は小さく、多くの場合、WCに対する蒸発温度はパルス継続時間内では達成されない。パルス放射照度が最大のときのみ材料除去ステージに到達する。実際、除去率が、通常、50kHzの繰返し率でゼロまで下がり、パルス放射照度は材料がこの蒸発温度に達するのに十分ではない。そのため、蒸発も、従って材料除去も起こらない。これは、最小のパルス放射照度の境界条件に達していないことを意味している。繰返し率が低い場合のみ、材料が除去される。この場合、パルス放射照度レベルは、パルス継続時間内で蒸発温度に到達するのに十分高くなる。例えば、30kHzの場合、パルス継続時間は短くなるが、パルス放射照度はかなり大きくなり、パルス継続時間内でより速く材料除去ステージに達する。 This is due to the underlying physical mechanism as described above. At 50 kHz, the pulse is relatively long but the pulse irradiance is small and in many cases the evaporation temperature for WC is not achieved within the pulse duration. The material removal stage is reached only when the pulse irradiance is maximum. In fact, the removal rate usually drops to zero at a repetition rate of 50 kHz and the pulse irradiance is not sufficient for the material to reach this evaporation temperature. Therefore, neither evaporation nor material removal takes place. This means that the minimum pulse irradiance boundary condition has not been reached. Only when the repetition rate is low, material is removed. In this case, the pulse irradiance level is high enough to reach the evaporation temperature within the pulse duration. For example, at 30 kHz, the pulse duration is shorter, but the pulse irradiance is much larger and reaches the material removal stage faster within the pulse duration.
これらの両方の場合とも、レーザ出力パワーは同一になることに留意することは重要である。このことは、レーザ出力パワーを維持し、他のレーザパラメータを変更することによって、材料除去率をかなり大幅に改善することができる。 It is important to note that in both these cases the laser output power will be the same. This can significantly improve the material removal rate by maintaining the laser output power and changing other laser parameters.
次に工具の別の用途に注目し、図5を参照して、切削について以下に説明する。図5は、図1に示したレーザ切削装置と同様の特性のレーザ切削装置を示し、同様の参照符号は同様の部分に関係する。主な相違点は、ガスアシスト切削ヘッド40が設けられていることである。
Next, focusing on another application of the tool, cutting will be described below with reference to FIG. FIG. 5 shows a laser cutting device having the same characteristics as the laser cutting device shown in FIG. 1, and like reference numerals relate to like parts. The main difference is that a gas-assisted
レーザ穿孔および切削方法は、ウェストサセックス州のクローリーにあるパワーレーズ社から入手可能な、より高出力のStarlase AO4 Nd:YAG Q−switched DPSSLを、1064nmの基本波長で使用している。このパルスレーザは、3〜50kHzの繰返し率の範囲で、20〜200nsのパルス継続時間で、最大420Wの平均出力を提供する。出力ビームパワーは、減衰部を用いて変更し、ガリレイ望遠鏡16、18を用いて平行ビームにし、ミラー42によって、AnoradXYZ動作ステージ11(英国、ベーシングストーク、ロックウェルオートメーション(Rockwell Automation,Basingstoke,UK)のアノラッドUK社(Anorad UK)から入手可能)方向に向けられる。このステージでは、目標物をXY方向に移動し、集光ヘッドをZ方向に移動する。Anoradシステムは強固に取り付けられ、450×450mmのXY移動を+/−1μmの精度で、可能な最高速度2m/sで直線駆動する。レーザビームは、100mm〜203mmの焦点距離の種々のレンズ46で集光される。例えば、焦点距離が149mmのレンズは、最良の焦点で、200μmの直径スポットを生成する。切削ヘッド40は、同軸のガスジェット48を用いて切削プロセスを補助することを可能にする。ガスジェット48は、圧縮空気、酸素または窒素であってもよく、最大10Barの圧力で加工物に供給可能である。
The laser drilling and cutting method uses a higher power Starlase AO4 Nd: YAG Q-switched DPSSL available from Powerraise, Crawley, West Sussex, at a fundamental wavelength of 1064 nm. This pulsed laser provides an average power of up to 420 W with a pulse duration of 20-200 ns in the range of repetition rates of 3-50 kHz. The output beam power is changed using an attenuator, and is converted into a parallel beam using Galilean telescopes 16 and 18, and an anoradXYZ operation stage 11 (UK, Basingstoke, Rockwell Automation (Rockwell Automation, Basingstoke, UK) ) (Available from Anorad UK). In this stage, the target is moved in the XY directions, and the condensing head is moved in the Z direction. The Anorad system is rigidly mounted and linearly drives 450 x 450 mm XY movement with an accuracy of +/- 1 μm at the highest possible speed of 2 m / s. The laser beam is collected by
採用された切削技術は、「融解燃焼および吹付け(melt burn and blow)」として知られる反応溶融切削を含む。反応溶融切削では、レーザビームが融解プールを生成し、同軸のガスジェットが切削部の底部から液体を噴出する。ガスジェットは、融解された材料と発熱反応し、別の熱源をプロセスに追加し、融解プールの生成、従って切削速度を促進する。この方法によって、酸素または空気のいずれかをガスジェットとして用いて、優れた垂直な刃先品質が提供される。 The cutting technique employed includes reactive melt cutting known as “melt burn and blow”. In reactive melt cutting, the laser beam creates a melt pool and a coaxial gas jet ejects liquid from the bottom of the cut. The gas jet reacts exothermically with the melted material and adds another heat source to the process, facilitating the creation of a melt pool and thus cutting speed. This method provides excellent vertical cutting edge quality using either oxygen or air as the gas jet.
実際には、切削作業は2つの異なったステージを有することが見出されている。穿孔ステージは、パーカッションドリル穴が形成される切削線の最初に生じる。この作業の大部分では、穴はメクラ穴であり、穿孔作業から破片が穴の入口から出て舞い上がり、その結果、穴の回りの材料表面にクズ領域ができる。穿孔の後に、切削ステージが続く。レーザ切削ヘッドが、一定の速度で材料の上方を移動し、一回の走査で材料が切削される。角度のある切削前方部が形成され、これは、レーザビームが吸収される場所である。レーザビームは、材料の厚みを通して導波される。 In practice, it has been found that the cutting operation has two different stages. The drilling stage occurs at the beginning of the cutting line where the percussion drill hole is formed. For most of this work, the hole is a mechla hole, and the debris from the drilling work will rise out of the hole entrance, resulting in a scraped area on the material surface around the hole. After the drilling, a cutting stage follows. The laser cutting head moves over the material at a constant speed, and the material is cut in a single scan. An angled cutting front is formed, which is where the laser beam is absorbed. The laser beam is guided through the thickness of the material.
システムの動作は、レーザフライス加工に関しては、原理的に上述の通りであるが、特定の動作パラメータを用いて、特にPCDに関連して、以下により詳細に説明する。 The operation of the system is in principle as described above for laser milling, but will be described in more detail below using specific operating parameters, particularly in connection with PCD.
詳細には、好ましいパルス繰返し率は、10〜50kHz、より好ましくは40〜50kHzの範囲であり、パルス継続時間は、好ましくは30〜200nsであり、より好ましくは100〜200nsである。平均レーザ出力は、300W〜1kWであり、より好ましくは350〜400Wである。放射照度は、好ましくは106〜108Wcm−2の範囲であり、より好ましくは100MWcm−2の大きさ程度であり、最も好ましくは110MWcm−2(穿孔時)、118MWcm−2(切削時)である。好ましいアシストガスの圧力は、1〜10バールの範囲であり、より好ましくは8バールである。図6を参照すると、穿孔中のPCD深さと試験時間との関係が、ある範囲の繰返し率に対して示されている。 Specifically, the preferred pulse repetition rate is in the range of 10-50 kHz, more preferably 40-50 kHz, and the pulse duration is preferably 30-200 ns, more preferably 100-200 ns. The average laser output is 300 W to 1 kW, more preferably 350 to 400 W. The irradiance is preferably in the range of 10 6 to 10 8 Wcm −2 , more preferably about 100 MWcm −2 , and most preferably 110 MWcm −2 (drilling), 118 MWcm −2 (during cutting). It is. A preferred assist gas pressure is in the range of 1 to 10 bar, more preferably 8 bar. Referring to FIG. 6, the relationship between PCD depth during drilling and test time is shown for a range of repetition rates.
切削される材料を横断するビームの走査速度の点においては、高速で作動することが好ましい。この理由は、このことによって、生産速度が上がるばかりでなく、熱が横向きに拡散する時間を短くすることができ、より狭い熱影響部(HAZ)を形成するからである。最適な速度範囲は、21〜27mm/分であり、約24mm/分で最良の刃先品質が得られる。切削速度の限界は、ガスジェットがもはや融解材料を放出することができない時点であり、その時点では、反応性の拡散切削作業は失敗する。 In terms of the scanning speed of the beam across the material to be cut, it is preferable to operate at high speed. This is because this not only increases the production rate, but also shortens the time for the heat to diffuse laterally and forms a narrower heat affected zone (HAZ). The optimum speed range is 21 to 27 mm / min, and the best cutting edge quality is obtained at about 24 mm / min. The limit of the cutting speed is the point at which the gas jet can no longer release the molten material, at which point the reactive diffusion cutting operation fails.
図2で示された種類の複合PCD/WC材料の場合、100MWcm−2で、PCDの除去率は7.6mm3/分であり、一方、WCは除去のしきい値である。切削目的に関しては、これは、WC側の上方への、切削ノズル近くおよび最良の焦点では、放射照度の好ましい範囲は108〜109Wcm−2であり、最も好ましくは120MWcm−2であり、より好ましくは100〜200MWcm−2であり、繰返し率は40〜50kHzであり、最も好ましくは45Hzであり、パルス継続時間は41ns〜200nsであり、より好ましくは155ns〜200nsであり、パルスエネルギーは6.7mJであり、酸素ガスアシストは8バールであることを意味している。これらの値は、WCを直接切削する場合にも好ましい。
For a composite PCD / WC material of the type shown in FIG. 2, at 100 MWcm −2 , the PCD removal rate is 7.6 mm 3 / min, while WC is the removal threshold. For cutting purposes, this is above the WC side, near the cutting nozzle and at the best focus, the preferred range of irradiance is 10 8 to 10 9 Wcm −2 , most preferably 120 MWcm −2 , More preferably 100-200 MWcm −2 , repetition rate 40-50 kHz, most preferably 45 Hz, pulse duration 41 ns-200 ns, more preferably 155 ns-200 ns,
しかし、WC側を上向きに切削する場合、反応性溶融ガスの切削プロセスによって条線が生じることが判明している。この問題は、材料を上下逆にしてPCD側が切削ノズルに最も近くなるようすることで克服可能である。最良の焦点位置は、この位置方向で、すなわちWCを半分まで通過して維持される。この結果、アシストガスは、PCD層を通り抜けてWCに到達し、これにより、PCD上にほとんど堆積されず、PCDを大部分クリーンで、クズが無い状態に維持する。この方法によって、大幅に改良され、PCDの条線が減り、切削刃先に直線の鋭い刃先を形成する。PCD層はクズがなく、PCD層とWC層との間には切れ目が形成されない。条線を除去することによって、切削刃先の直線性が劣化することが減る。クズが形成されないことによって、使用前にPCD切削ツールを保持器に取り付けるロウ付けプロセスでの干渉を確実に減少させる。そうでなければ、ロウ付け接合が弱くなる。PCD−WC界面の段差または切れ目を除去することによって、切削工具の初期故障の原因となり得る、材料間の界面の弱さが解消される。なお、条線はいくらか依然として存在しているが、他の層にはクズがなく、条線は、接合するためのロウ付けプロセスにより大きな表面面積を与えることによって、ロウ付けプロセスを補助する。 However, it has been found that when cutting the WC side upwards, streaks are produced by the reactive molten gas cutting process. This problem can be overcome by turning the material upside down so that the PCD side is closest to the cutting nozzle. The best focus position is maintained in this position direction, i.e. halfway through the WC. As a result, the assist gas passes through the PCD layer and reaches the WC, so that the assist gas is hardly deposited on the PCD, and the PCD is kept mostly clean and free from scratches. This method is greatly improved, reduces the PCD line, and forms a sharp cutting edge at the cutting edge. The PCD layer has no scratches, and no cut is formed between the PCD layer and the WC layer. By removing the streak, the linearity of the cutting edge is reduced. The absence of debris ensures that interference in the brazing process of attaching the PCD cutting tool to the cage prior to use is reduced. Otherwise, the brazing joint will be weak. By removing the step or cut at the PCD-WC interface, the weakness of the interface between materials, which can cause initial failure of the cutting tool, is eliminated. It should be noted that some streaks are still present, but the other layers are free of scratches and the streaks assist the brazing process by providing a larger surface area for the brazing process to join.
パラメータ範囲によって極めて良好な動作が与えられる。この理由は、放射照度が大きいほど、レーザパルスは、反応する酸素に対して、融解および蒸発WCを高繰返し率で生成するからである。この燃焼反応は、全ての方向でレーザの焦点から外側に進み、それによって燃焼反応が燃料源(集束レーザビームおよび同軸のガスジェット)から大きく離れて移動するまで条線を引き起こす。この時までに、レーザ切削ヘッドは、燃焼プロセスが再び始まるPCDの新しい部分まで移動している。切削速度が「燃焼反応」速度に対して増加するに伴い、条線の形成は減る。 The parameter range gives very good operation. This is because the greater the irradiance, the more the laser pulse produces melting and evaporation WC at a high repetition rate for the reacting oxygen. This combustion reaction proceeds outward from the laser focus in all directions, thereby causing streaking until the combustion reaction has moved significantly away from the fuel source (focused laser beam and coaxial gas jet). By this time, the laser cutting head has moved to a new part of the PCD where the combustion process begins again. As the cutting speed increases with respect to the “burning reaction” speed, the formation of streaks decreases.
成功した切削試験(118MWcm−2)で用いられたパルス放射照度は、図4に示されているとおり、蒸発によるWC除去のしきい値のちょうど上にある。切削プロセスは、酸素アシストガスが融解でなくWC蒸気と直接反応している状態で、この蒸発によって強化されていると考えられている。これによって、はるかに大きな発熱反応が導かれ、それによって切削が速くなる。 The pulse irradiance used in a successful cutting test (118 MWcm −2 ) is just above the threshold for WC removal by evaporation, as shown in FIG. The cutting process is believed to be enhanced by this evaporation with the oxygen assist gas reacting directly with the WC vapor rather than melting. This leads to a much greater exothermic reaction, thereby cutting faster.
好ましい1つの方法においては、切削プロセスは、例えば第1および第2走査など、複数の走査で適用される。この場合、各走査は、切削ノズルの最上部の/最近傍のPCD層において、上述の設定を用いてもよい。その場合、第1走査は、PCDの切削に用いられ、第2走査はPCDの切削刃先の品質を向上するために用いられる。 In one preferred method, the cutting process is applied in multiple scans, eg, first and second scans. In this case, each scan may use the above settings in the top / nearest PCD layer of the cutting nozzle. In this case, the first scan is used for cutting the PCD, and the second scan is used for improving the quality of the cutting edge of the PCD.
好ましい一実施形態においては、異なる走査間の動的集束の変化を用いて、改良された結果を提供する。例えば、第1走査では、上述のように、焦点位置はWC層内に位置していてもよい。しかし、第2走査に関しては、焦点はPCDの最上面まで上げることができる。この方法は、特にPCDの切削刃先の品質を向上させることが判明している。第2走査に対する焦点位置を、WC層またはPCD層のいずれかにおいて代替位置まで移動することもできる。 In a preferred embodiment, dynamic focusing changes between different scans are used to provide improved results. For example, in the first scanning, as described above, the focal position may be located in the WC layer. However, for the second scan, the focus can be raised to the top surface of the PCD. This method has been found to improve the quality of PCD cutting edges, in particular. The focus position for the second scan can also be moved to an alternative position in either the WC layer or the PCD layer.
さらなる改良においては、材料の切削刃先に負のテーパが形成されてもよく、これによって、図8に示されているとおり、前縁の切削刃先が下側の刃先より突き出る。詳細には、全体に70で示されている切削ノズルは、PCD/WC層複合体76近くに設けられており、PCD層72は、最も上でノズルの最も近くにあることが見られよう。PCD層の前縁の切削刃先74はWC層より突き出ており、これにより、一般にθで示される負のテーパが形成される。一般にXで示され、WC層を半分通過した点から、一般にYで示され、PCD層の上面の点まで焦点を変更することによって、負のテーパの形成を助けることができることが判明している。テーパの量は、PCDの特性およびPCDが加工に用いられる材料(木材、銅、アルミニウムなど)によって変化する。テーパの角度は、典型的には7度であるが、通常、15度を超えることはない。
In a further refinement, the material cutting edge may be formed with a negative taper so that the leading edge cutting edge protrudes from the lower edge as shown in FIG. In particular, it will be seen that a cutting nozzle, generally designated 70, is provided near the PCD /
上述の方法によって多くの利点が得られる。従来技術よりも高速度で硬質材料を加工して、工具の磨耗や潤滑といった問題に対処する必要なく、同等の品質を達成することができることが見出された。この技術は、これらの材料を同時加工で切削およびフライス加工することができ、これによって製造設計に新しい柔軟性を提供する。 Many advantages are obtained by the method described above. It has been found that hard materials can be processed at higher speeds than the prior art to achieve comparable quality without having to deal with problems such as tool wear and lubrication. This technology allows these materials to be cut and milled simultaneously, thereby providing new flexibility in manufacturing design.
DPSSLでは極めて大きなエネルギー強度が可能であり、ナノ秒−キロヘルツの動作形態が、多くの難しいレーザ材料加工用途を大幅に改良する。短いパルスは熱効果を抑え、加工品質を向上する。一方、大きいフルエンスは、材料結合および加工効率を向上する。DPSSLはさらに、良好なビーム品質と、高効率と、強固な構造と、長時間のダイオード寿命との組み合わせを提供する。これによって、マクロスケールとミクロスケールの両方での製造が可能となる。PCDのレーザ切削は、代替技術よりも大幅に速い切削速度でDPSSレーザを用いて可能である。 DPSSL allows for very large energy intensities, and the nanosecond-kilohertz mode of operation greatly improves many difficult laser material processing applications. Short pulses reduce thermal effects and improve machining quality. On the other hand, a large fluence improves material bonding and processing efficiency. DPSSL further provides a combination of good beam quality, high efficiency, robust structure and long diode life. This makes it possible to manufacture on both macro and micro scales. Laser cutting of PCD is possible with a DPSS laser at a much faster cutting speed than alternative techniques.
例えば、EDMと比較すると、EDMを用いた対応速度よりも4倍速い、24mm/分のレーザ切削速度が達成される。さらに、レーザおよびスキャナステージを用いると、全方向で切削することができる。 For example, compared to EDM, a laser cutting speed of 24 mm / min is achieved, which is four times faster than the corresponding speed using EDM. Furthermore, if a laser and a scanner stage are used, cutting can be performed in all directions.
積層構造は、PCDおよびWCディスクがEDMと同一品質またはFPSSよりも良好な切削品質を達成するような技術を用いて、切削することができる。このような積層構造には、deBeersから入手可能なSyndite(登録商標)や、好ましくは厚さが0.5mm〜3.2mmの範囲にある単一層または複合構造、例えばWC基板の上に0.5mmのPCDがある、厚さが1.6、2.0または3.2mmの複合構造が含まれる。 Laminated structures can be cut using techniques such that PCD and WC discs achieve the same quality as EDM or better cutting quality than FPSS. Such laminated structures include Syndite (R) available from deBeers or a single layer or composite structure, preferably having a thickness in the range of 0.5 mm to 3.2 mm, such as 0.8 on a WC substrate. Composite structures with a thickness of 1.6, 2.0 or 3.2 mm with a PCD of 5 mm are included.
本明細書で説明した技術は、任意の適切な硬質材料に拡張することができ、また任意のレーザを使用して本明細書で提示した特定のパラメータを達成可能なことに拡張できることは理解されよう。任意の材料加工応用法を利用して、PCD材料の消えないマーク付けおよび穿孔などの切削およびフライス加工に加えて、例えば微細な孔を用いて、線引きダイスや3Dフライス加工により3D形状を形成することができる。 It is understood that the techniques described herein can be extended to any suitable rigid material and can be extended to achieve the specific parameters presented herein using any laser. Like. Use any material processing application to form 3D shapes by drawing dies or 3D milling using fine holes, for example, in addition to cutting and milling such as permanent marking and drilling of PCD material be able to.
Claims (32)
前記第1および第2の点は異なっている、請求項15に記載の方法。 In a first scan, the laser beam is focused at a first point in the WC layer, and in a second scan, the beam is focused at a second point in the WC layer;
The method of claim 15, wherein the first and second points are different.
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