CN107127459A - 一种金刚石刀具的激光精确加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金刚石刀具的激光精确加工方法，包括以下步骤，S1：选取未加工刃口的金刚石刀具，并用清洁溶液彻底清洁金刚石刀具表面；S2：将清洁完成后的金刚石刀具固定于工作台面上；S3：调整用于对金刚石刀具进行加工处理的三维动态聚焦系统将该三维动态聚焦系统的脉冲激光聚焦在待加工的金刚石表面上；S4：采用大功率低速率激光器对金刚石刀具进行粗切切削加工；S5：采用低功率高速激光器对金刚石刀具根据刃口形状进行精加工；本方法所制备的金刚石刀具刃口整洁度高，边缘清晰，对环境污染小，加工效率高，产品良品率高，自动化可控度高，相比于其他方法，本方法无论在效率、成本及形状控制等方面皆表现出明显的优势。
Description
[技术领域]
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种对环境污染小，加工效率高，产品良品率高，自动化可控度高的金刚石刀具的激光精确加工方法。
[背景技术]
在超精密加工中，金刚石刀具是影响加工表面质量的重要因素之一。
目前常规的金刚石刀具开刃工艺主要有：机械刃磨法、电火花刃磨法和激光烧蚀法等。
机械刃磨方法是传统的金刚石刀具刃磨工艺方法，其本质就是金刚石与金刚石的对研。从工业应用角度来说，机械刃磨方法工艺最简单，设备也比较低廉。但这种刃磨方法受限于研磨转盘，无法加工出高精度的曲线形金刚石刀具。
中国专利CN105415099A公布了一种单晶刀具制备工艺。其步骤为：1)选料，选择适合刃长的刀具进行加工；2)抛面，将已经切割好的单晶片在铸铁研磨盘上研磨；3)焊接，抛光好的单晶片需清洗干净，与相应的刀体配对，以保证前刀面到刀体中心的高度，之后在真空炉内进行焊接；4)粗磨，使用金刚石砂轮进行粗磨；5)精磨，精磨加工在铸铁研磨盘上进行，研磨前，首先将金刚石粉与橄榄油或混合成研磨膏，然后涂覆在研磨盘表面，放置一段时间使研磨膏充分渗入研磨盘的铸铁孔隙中，再用一较大的金刚石在研磨盘表面进行来回预研磨，以进一步强化金刚石粉在铸铁孔隙中的镶嵌作用，研磨时，一般将研磨的金刚石装夹在夹具上，露出需研磨的面，精磨时刀刃采取逆磨，也就是研磨方向从刀刃指向刀体，并且在进给量给定的前提下，适当的增加研磨时间。机械刃磨可以高效的加工得到表面整洁的金刚石刀具，但是该方法无法加工出曲线形的金刚石刀具，且由于机械刃磨具有不连续的冲击作用，得到的金刚石刀具锯齿度和变质层厚度较大，表面粗糙度也较大。
电火花刃磨通过两电极间高频脉冲放电的电腐蚀作用实现材料的去除。即加工时工件和工具各作为电极的一方在加工介质中借助高频脉冲电源的能量，对被加工材料产生放电腐蚀作用，这种腐蚀作用的实质是加工介质电离形成的电子或正离子高速运动的摩擦发热，和撞击电极作用所产生局部高温的瞬间融化和爆破作用。
中国专利CN101327564A公布了一种金刚石刀具刃口的加工方法。其步骤为：a)将刀具基体热处理后磨削到所要求的形状和尺寸；b)在金刚石刀片焊接部位铲磨与刀片相吻合的刀具基体后刀面，刀具基体应比金刚石刀片成型尺寸减0.05-0.2mm，以便在对刀具进行刃口加工时，不加工到刀具基体；c)准确地将金刚石刀片焊接在刀具基体相应位置上；d)将金刚石刀片用激光切割成所需形状，均匀流出0.15mm的余量；e)将铜棒了按金刚石刀片刃口的尺寸和形状精车成电极，安装于数控电火花上；f)将刀具定位在机床正确的位置上，保证能和电极正确的吻合；g)使电极旋转接近刀具，直至形成合适的放电间隙；h)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；i)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。电蚀作用加工刃口，并未使刃口的直线度和光洁度有明显提高。
激光烧蚀法采用1-100Hz的单束或多束Nd-YAG激光照射金刚石刀具表面使照射表面在局部高温作用下发生烧蚀。利用激光超高的瞬间功率密度特性，能够瞬间对金刚石刀具产生微小破坏，而且由于激光的加工特性，激光破坏区域较小，获得刀具表面光洁，边缘清晰。
[发明内容]
为克服现有技术所存在的问题，本发明提供一种对环境污染小，加工效率高，产品良品率高，自动化可控度高的金刚石刀具的激光精确加工方法。
本发明解决技术问题的方案是提供一种金刚石刀具的激光精确加工方法，包括以下步骤，
S1：选取未加工刃口的金刚石刀具，并用清洁溶液彻底清洁金刚石刀具表面，确保刀具表面无杂质；
S2：将步骤S1中清洁完成后的金刚石刀具稳定固定于工作台面上；
S3：调整用于对金刚石刀具进行加工处理的三维动态聚焦系统，并同步调节激光焦点，将该三维动态聚焦系统的脉冲激光聚焦在待加工的金刚石表面上，并伴随着激光异形扫描金刚石；
S4：采用大功率低速率激光器沿着预定轮廓对金刚石刀具进行粗切切削加工，并确保预留10-20μm的加工余量；
S5：采用低功率高速激光器对步骤S4加工完成的金刚石刀具根据刃口形状进行刀具刃口的精加工；
S6：重复步骤S5，直至加工得到所需的金刚石刀具刃口。
优选地，所述步骤S3之前，采用吹气装置对金刚石刀具侧上方吹送氧气，吹走加工过程中金刚石刀具表面产生的熔渣和粉尘颗粒。
优选地，所述步骤S1中对金刚石刀具表面进行清洁的清洁溶液为酒精或丙酮等溶液。
优选地，所述步骤S4、S5和S6中采用激光器对金刚石表面的加工过程都呈现螺旋状加工方式；且该三维动态聚焦系统在保证外部光路不变的情况下，激光的聚焦平面具有10mm的焦深。
优选地，所述步骤S4中对金刚石刀具进行粗加工的激光器为1-200W 1064nm的激光器，脉宽1ps-10ns，加工速度50-200mm/s。
优选地，所述步骤S5中对金刚石刀具进行粗加工的激光器为1-100W 1064nm的激光器，脉宽1ps-10ns，加工速度10-100mm/s。
优选地，所述步骤S2中，将待加工的金刚石刀具固定于工作台面上之后，采用CCD辅助检测系统对金刚石刀具的位置进行检测，实现精密可调可控自动化加工。
优选地，所述三维动态聚焦系统包括激光器、移动镜头、聚焦镜头以及振镜；激光器发射的光线通过移动镜头后到达聚焦镜头进行聚焦，聚焦完成的激光光线在振镜部位发生方向改变，并最终聚焦在待加工的金刚石表面上。
优选地，所述金刚石刀具刃口包括前刀面、前角、后角、刃口、螺旋角、主后面、副后面、副切削刃和排削槽。
与现有技术相比，本发明一种金刚石刀具的激光精确加工方法通过采用不同功率和速率的激光器对金刚石刀具进行粗加工和精加工，且利用三维动态聚焦系统在金刚石刀具表面形成激光异形加工面，不仅实现了高效低廉的高精度金刚石刀具加工工艺，而且可以解决曲线金刚石刀具制备困难，难以满足精度要求等问题，所制备的金刚石刀具刃口整洁度高，边缘清晰，对环境污染小，加工效率高，产品良品率高，自动化可控度高，相比于其他方法，本方法无论在效率、成本及形状控制等方面皆表现出明显的优势。
[附图说明]
图1是本发明一种金刚石刀具的激光精确加工方法的工艺流程图。
[具体实施方式]
为使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定此发明。
请参阅图1，本发明一种金刚石刀具的激光精确加工方法，包括以下步骤，
S1：选取未加工刃口的金刚石刀具，并用清洁溶液彻底清洁金刚石刀具表面，确保刀具表面无杂质；
S2：将步骤S1中清洁完成后的金刚石刀具稳定固定于工作台面上；
S3：调整用于对金刚石刀具进行加工处理的三维动态聚焦系统，并同步调节激光焦点，将该三维动态聚焦系统的脉冲激光聚焦在待加工的金刚石表面上，并伴随着激光异形扫描金刚石；脉冲激光聚焦在金刚石上，伴随着激光异形扫描金刚石，焦点随着优化处理后的图层同步移动，加工优化的异形图层所需形状可以为槽状和任意曲线形状图形。
S4：采用大功率低速率激光器沿着预定轮廓对金刚石刀具进行粗切切削加工，并确保预留10-20μm的加工余量；
S5：采用低功率高速激光器对步骤S4加工完成的金刚石刀具根据刃口形状进行刀具刃口的精加工；
S6：重复步骤S5，直至加工得到所需的金刚石刀具刃口。
本申请通过采用不同功率和速率的激光器对金刚石刀具进行粗加工和精加工，且利用三维动态聚焦系统在金刚石刀具表面形成激光异形加工面，不仅实现了高效低廉的高精度金刚石刀具加工工艺，而且可以解决曲线金刚石刀具制备困难，难以满足精度要求等问题，所制备的金刚石刀具刃口整洁度高，边缘清晰，对环境污染小，加工效率高，产品良品率高，自动化可控度高，相比于其他方法，本方法无论在效率、成本及形状控制等方面皆表现出明显的优势。
优选地，所述步骤S3之前，采用吹气装置对金刚石刀具侧上方吹送氧气，吹走加工过程中金刚石刀具表面产生的熔渣和粉尘颗粒。吹气装置的应用一方面可以提高激光刻蚀金刚石的效率及精度，另一方面在加工过程中可以将金刚石刀具表面的熔渣和粉尘颗粒吹走，避免金刚石加工时的熔渣形成凝固层和金刚石颗粒飞溅到未加工区域，导致刀具表面产生微裂纹，降低金刚石刀具的表面光洁度。
优选地，所述步骤S1中对金刚石刀具表面进行清洁的清洁溶液为酒精或丙酮等溶液。保证刀具表面整洁。
优选地，所述步骤S4、S5和S6中采用激光器对金刚石表面的加工过程都呈现螺旋状加工方式；且该三维动态聚焦系统在保证外部光路不变的情况下，激光的聚焦平面具有10mm的焦深。
优选地，所述步骤S4中对金刚石刀具进行粗加工的激光器为1-200W 1064nm的激光器，脉宽1ps-10ns，加工速度50-200mm/s。
优选地，所述步骤S5中对金刚石刀具进行粗加工的激光器为1-100W 1064nm的激光器，脉宽1ps-10ns，加工速度10-100mm/s。
优选地，所述步骤S2中，将待加工的金刚石刀具固定于工作台面上之后，采用CCD辅助检测系统对金刚石刀具的位置进行检测，实现精密可调可控自动化加工。
优选地，所述三维动态聚焦系统包括激光器、移动镜头、聚焦镜头以及振镜；激光器发射的光线通过移动镜头后到达聚焦镜头进行聚焦，聚焦完成的激光光线在振镜部位发生方向改变，并最终聚焦在待加工的金刚石表面上。
优选地，所述金刚石刀具刃口包括前刀面、前角、后角、刃口、螺旋角、主后面、副后面、副切削刃和排削槽。其结构可为任意曲面。
本发明的优点在于：
1)激光具有非接触、无污染环境、易控制等特性，容易实现自动化控制及绿色环保工艺要求；
2)加工图形和加工路径可控制化和易编程化，效率高，自动化程度高；
3)本发明所制备的刃口表面光滑、轮廓清晰。利用激光超高的瞬间功率密度特性，能够瞬间对金刚石刀具产生微小破坏，而且由于激光的加工特性，激光破坏区域较小(可以达到几个微米甚至亚微米量级)，对破坏区域周围材料的影响较小，形成一个非常光滑的破坏区域；
4)本发明通过三维动态聚焦系统实现金刚石内的任意位置聚焦，根据动态聚焦的长焦深特点实现在金刚石内任意区域加工任何形状，极大的减轻了传统异形刀具加工通过多轴联动进行多余金刚石去除的工作量并提高了成型精度，大大提升了激光加工的效率和质量；
6)本发明所制备的刃口均人为可控。通过控制激光能量、激光扫描速度等参数可以实现刃口的宽度及深度；
与现有技术相比，本发明一种金刚石刀具的激光精确加工方法通过采用不同功率和速率的激光器对金刚石刀具进行粗加工和精加工，且利用三维动态聚焦系统在金刚石刀具表面形成激光异形加工面，不仅实现了高效低廉的高精度金刚石刀具加工工艺，而且可以解决曲线金刚石刀具制备困难，难以满足精度要求等问题，所制备的金刚石刀具刃口整洁度高，边缘清晰，对环境污染小，加工效率高，产品良品率高，自动化可控度高，相比于其他方法，本方法无论在效率、成本及形状控制等方面皆表现出明显的优势。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：选取未加工刃口的金刚石刀具，并用清洁溶液彻底清洁金刚石刀具表面，确保刀具表面无杂质；
S2：将步骤S1中清洁完成后的金刚石刀具稳定固定于工作台面上；
S3：调整用于对金刚石刀具进行加工处理的三维动态聚焦系统，并同步调节激光焦点，将该三维动态聚焦系统的脉冲激光聚焦在待加工的金刚石表面上，并伴随着激光异形扫描金刚石；
S4：采用大功率低速率激光器沿着预定轮廓对金刚石刀具进行粗切切削加工，并确保预留10-20μm的加工余量；
S5：采用低功率高速激光器对步骤S4加工完成的金刚石刀具根据刃口形状进行刀具刃口的精加工；
S6：重复步骤S5，直至加工得到所需的金刚石刀具刃口。
2.如权利要求1所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述步骤S3之前，采用吹气装置对金刚石刀具侧上方吹送氧气，吹走加工过程中金刚石刀具表面产生的熔渣和粉尘颗粒。
3.如权利要求1所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述步骤S1中对金刚石刀具表面进行清洁的清洁溶液为酒精或丙酮。
4.如权利要求1或2所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述步骤S4、S5和S6中采用激光器对金刚石表面的加工过程都呈现螺旋状加工方式；且该三维动态聚焦系统在保证外部光路不变的情况下，激光的聚焦平面具有10mm的焦深。
5.如权利要求1所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述步骤S4中对金刚石刀具进行粗加工的激光器为1-200W 1064nm的激光器，脉宽1ps-10ns，加工速度50-200mm/s。
6.如权利要求1或5所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述步骤S5中对金刚石刀具进行粗加工的激光器为1-100W 1064nm的激光器，脉宽1ps-10ns，加工速度10-100mm/s。
7.如权利要求1所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述步骤S2中，将待加工的金刚石刀具固定于工作台面上之后，采用CCD辅助检测系统对金刚石刀具的位置进行检测，实现精密可调可控自动化加工。
8.如权利要求1所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述三维动态聚焦系统包括激光器、移动镜头、聚焦镜头以及振镜；激光器发射的光线通过移动镜头后到达聚焦镜头进行聚焦，聚焦完成的激光光线在振镜部位发生方向改变，并最终聚焦在待加工的金刚石表面上。
9.如权利要求1所述的一种金刚石刀具的激光精确加工方法，其特征在于：所述金刚石刀具刃口包括前刀面、前角、后角、刃口、螺旋角、主后面、副后面、副切削刃和排削槽。
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