CN109926731A - 一种用于金刚石刀具飞秒激光制备的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于金刚石刀具飞秒激光制备的方法及装置，属于激光加工及机械加工领域。本方法采用特别设计的数控平台安装定位金刚石刀具，并可同时调节飞秒激光器振镜的角度和高度位置以满足金刚石刀具的切割及抛光要求。该过程中刀具的加工位置可以通过机床上的精密多轴定位***来调节，使得加工精度得到保证。本发明适用于圆弧刃金刚石刀具的激光加工，可以通过激光振镜的偏转和刀具底座的匀速转动实现金刚石刀头的圆弧刃激光切割和抛光加工并获得锋利完整的刀具刃口。本发明同时适用于传统的金刚石车刀铣刀及金刚石微细铣刀车刀的切割及抛光制备。专用装置则由刀具夹持装置、多轴激光加工***、飞秒激光器三部分组成。

Description

一种用于金刚石刀具飞秒激光制备的方法及装置

所属技术领域

本发明涉及一种针对金刚石刀具飞秒激光制备的方法及装置，属于激光加工及机械加工领域。

技术背景

金刚石刀具在工业上有着广泛的用途，其中金刚石刀具铣削和车削技术在军工、电子半导体及光学元器件等领域有着重要的应用。使用锋利的金刚石刀具所加工出的工件表面光洁度高，质量可靠，且刀具使用寿命远高于传统硬质合金刀具。在各类切削刀具中，硬质合金及涂层刀具由于制备较为容易所以价格低廉用量很大，然而由于金刚石材料难加工的特性，使得单晶金刚石、CVD金刚石刀具的加工相比之下更为困难，目前依然依赖价格高昂的金刚石磨床设备制造，同时由于金刚石的硬脆性使得刀头的成形加工和刃磨格外困难，导致加工效率极低，并有可能发生刀头断裂等破坏性损伤，由于这些因素使得这类刀具价格较高且生产效率较低。而激光加工具有效率高、不受材料硬度影响等优点，可以用于金刚石材料的切割加工，但传统的纳秒激光对材料的热影响大，导致金刚石会出现解理破碎等加工损伤，无法加工出光洁的刀具表面和形成锋利完整的刃口。而近年来，飞秒激光加工技术被逐渐应用到微细加工领域中来，飞秒激光是指脉宽在飞秒级别(1飞秒等于10^-15秒)的激光，其具有加工热影响区小、材料去除效率高、切割边缘精细等特点，使其在加工金刚石这类硬脆材料时其具有显著的优势。故本专利采用飞秒激光加工***配合数控刀具定位平台实现金刚石微细刀具的精密加工制备。

发明内容

本发明的目的是针对金刚石刀具制备过程中金刚石材料去除难度大、加工效率低与刃磨质量较差等问题提出一种高效、高加工质量的激光制备工艺方法与专用装置，以提高金刚石刀具的制备效率与质量。

本发明所述的一种用于金刚石微细刀具飞秒激光制备的方法，其包括如下步骤：

1)将金刚石刀具培件装夹在数控弹簧夹头上，刀头露出至少1cm长，使其被加工部分可以被激光无遮挡的聚焦；

2)调节XY向控制平台，将刀具移动到激光器振镜及同轴或不同轴CCD显微镜下方，并通过显微镜实时测量功能将刀头调节到准确的被加工位置；

3)在加工直刃金刚石刀具时，先开启激光器，然后根据刀具的切割角度调节激光振镜的转角，再通过Z轴电机调节振镜高度以实现激光精确对焦，并确定焦点位置；

4)通过振镜的激光二维扫描功能或通过下方直线电机的精确移动实现金刚石刀具刃口的直线切割和抛光加工；

5)在加工圆弧刃金刚石刀具时，则需先调节旋转平台上的超精密滑台将待加工刀具的刀刃圆弧中心调节至与底下的旋转平台中心重合，再根据刀具后角要求调节激光振镜角度并对焦；

6)通过XY轴数控平台将刀具移动到激光加工位置附近，通过XY轴数控平台和CCD显微镜的实时观测功能根据刀具圆弧半径设计要求找到加工起点，最后通过转动电机和激光***的配合完成圆弧刃的切割及抛光。

进一步的，步骤2)中的CCD显微镜可以和激光振镜的物镜同轴或不同轴安装，但不同轴安装时其焦距差值需通过装配补偿同时水平位置距离需要通过XY轴数控平台移动修正以确保刀具加工定位的准确及便捷。

进一步的，步骤3)中通过激光振镜和对应夹具的轴向相对转动(转角可以通过转动滑台标刻线确定)实现振镜偏转角度调节。

进一步的，步骤4)中若激光振镜的重复定位精度较低(大于5微米)则可设置振镜将激光只聚焦在物镜正下方一点处，并通过底下XY轴数控电机的高精度运行以切割出刀具所需要的刃口形貌。

进一步的，步骤5)转台及刀具刀刃圆弧的中心位置需要通过CCD显微镜的实时观测和测量来找到。

此外，本发明还提供了一种飞秒激光加工金刚石刀具成形制备的装置，该装置包括刀具装夹定位机床和激光加工***，其中：

刀具装夹定位机床包括床体(1)、安装在机床上的X向直线电机(2)、Y向直线电机(3)、电动旋转平台(4)、安装在旋转台上的刀具精密调节装夹装置(5)、刀具夹筒及刀柄转动电机(6)；

激光加工***包括安装于桁架(10)上的旋转滑台(7)用于调节激光振镜偏转角度、Z 轴直线电机(8)安装在(1)上、激光振镜(9)、振镜安装桁架(10)与Z轴直线电机(8) 配合安装；在振镜上加装显微测量对刀装置(11)、通过光源(13)连接(11)实现CCD显微镜采光、激光光源导入镜片组合(12)安装在桁架(10)右侧和床体(1)上、激光倍频与偏振装置(14)安装在飞秒激光器(15)的输出端并用对应光路装置导入激光、电机与显微镜软件安装在PC机(16)上并用其控制和检测刀具的加工过程。

所述电动旋转平台和旋转滑台可调旋转角度均为360度，且分辨率为0.1度，旋转滑台上标有刻度线，可以精确调整夹具的转动位置；刀柄夹头既可以通过紧固螺钉也可以通过过盈配合装夹在刀柄转动电机上。

本发明的有益效果是，该方法区别于传统的金刚石微细刀具磨削制备方式，采用飞秒激光加工的方法切割及抛光金刚石刀具，加工过程中无宏观作用力，对机床刚度无太高要求；同时采用激光振镜或数控平台使激光焦点光斑相对工件按特定线条或图案移动可实现各种形状的刀具刀刃的成形切割，并能保证较高的形位精度和刃口质量，还可通过振镜软件的二维填充扫描功能，实现刀具较大表面(＞1cm²)的飞秒激光抛光处理；且可以通过机床的转动***实现具有统一后角的圆弧刃金刚石铣刀或车刀的加工制备；由于激光加工的通用性，本装置可以加工各类金刚石或其他超硬材料刀具，包括单晶金刚石(ND)、聚晶金刚石(PCD)、 CVD金刚石、纳米聚晶金刚石(BLPCD)、PCBN和CBN刀具等等。所涉及的装置成本相对低廉、结构简单可靠、使用便捷，可以通过数控和CCD显示***实时调整刀具位置以实现不同设计结构的刀具制备，能实现各类常规金刚石车刀、铣刀及直径0.01mm至1mm的各类金刚石微细铣刀的高效、高精度和高质量制备。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种用于金刚石微细刀具飞秒激光制备的装置示意图。

图2为飞秒激光器和倍频装置安放位置示意图。

图3为CCD显微镜异轴安装形式的示意图。

其中各标号名称：1-床体，2-X轴直线电机，3-Y轴直线电机，4-精密数控旋转滑台，5-压电陶瓷精密定位滑台，6-刀具装夹装置，7-转动滑台，8-Z轴伺服直线电机，9-激光振镜，10-振镜装夹桁架，11-CCD显微镜，12-激光光路反射镜架镜片***，13-强光光源，14-激光倍频及偏振调节装置，15-飞秒激光器，16-实时监控及电机控制***。

具体实施方式

本发明涉及一种针对金刚石刀具飞秒激光制备的方法及装置，适用于PCD(聚晶金刚石)、单晶金刚石和CVD金刚石刀具的高效、高精度的制备成形和抛光。

采用本发明所述的装置制备金刚石刀具的主要步骤如下：

步骤1，将金刚石刀具培件装夹在刀具装夹装置6上，刀头露出至少1cm长，使其被加工部分可以被激光无遮挡的聚焦；

步骤2，通过数控程序调节X向直线电机2和Y向直线电机3的位置，将刀具移动到激光振镜 9及同轴或异轴CCD显微镜11下方，并通过CCD显微镜11实时测量功能将刀头调节到准确的被加工位置；

步骤3，在加工直刃金刚石刀具时，先开启飞秒激光器15，然后根据刀具的切割角度通过转动滑台7调节激光振镜9的对应转角，再通过Z轴伺服直线电机8调节激光振镜9的高度并在刀具需要去除的部分实现激光精确对焦，并通过XYZ三轴电机的数控程序位置检测功能确定焦点在三维坐标系中的位置，最后通过激光振镜9的二维扫描功能或通过数控程序控制下方XY轴直线电机的精确移动实现金刚石刀具刃口的直线切割和抛光加工；

步骤4，在加工圆弧刃金刚石刀具时，则需通过CCD显微镜11的实时观测和测量功能调节精密数控旋转滑台4上的压电陶瓷精密定位滑台5将待加工的刀具圆弧中心调节至与底下的旋转平台中心重合，再根据刀具后角要求调节激光振镜9转动角度，开启飞秒激光器15，在刀具需要去除的部分实现激光精确对焦，同时确定焦点在三维坐标系中的位置；

步骤5，通过XY轴数控平台将刀具移动到激光焦点位置附近，通过CCD显微镜11实时测量功能并根据刀具圆弧半径设计要求确定加工起点，最后通过精密数控旋转滑台4的匀速转动及激光焦点的能量去除材料以完成刀具圆弧刃的切割及抛光。

上述飞秒激光器应选用适用于金刚石材料切割加工的型号，一般采用具有较低重频 (1KHz`10KHz)和较高的单脉冲能量(≥100μJ)的飞秒激光器。

如图1、图2和图3，一种用于金刚石微细刀具飞秒激光制备的装置，该装置包括1、安装在机床上的X向直线电机2、Y向直线电机3、电动旋转平台4、安装在旋转台上的刀具精密调节装夹装置5、刀具夹筒及刀柄转动电机6、安装于桁架10上的旋转滑台7用于调节激光振镜偏转角度、Z轴直线电机8安装在1上、激光振镜9、振镜安装桁架10与Z轴直线电机8配合安装；在振镜上加装显微测量对刀装置11、通过光源13连接11实现CCD显微镜采光、激光光源导入镜片组合12安装在桁架10右侧和床体1上、激光倍频与偏振装置14安装在飞秒激光器15的输出端并用对应光路装置导入激光、电机与显微镜软件安装在PC机16上并用其控制和检测刀具的加工过程。

上述精密数控旋转滑台4和转动滑台7可调旋转角度均为360度，且分辨率为0.1度，转动滑台7上标有刻度线，可以精确调整夹具的转动位置；Z轴伺服直线电机8移动行程需大于 30mm，X轴直线电机和Y轴直线电机移动行程均需大于50mm。刀柄夹头既可以通过紧固螺钉也可以通过过盈配合装夹在刀柄转动电机或转动滑台上，也可以选用步进电机驱动的旋转工作台用于夹持刀具和调节刀具轴向转角。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于直刃及圆弧刃金刚石刀具飞秒激光制备的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将金刚石刀具培件装夹在数控弹簧夹头上，刀头露出至少1cm长，使其被加工部分可以被激光无遮挡的聚焦；

2)调节XY向控制平台，将刀具移动到激光器振镜及同轴CCD显微镜下方，并通过显微镜实时测量功能将刀头调节到准确的被加工位置；

3)在加工直刃金刚石刀具时，先开启激光器，然后根据刀具的切割角度调节激光振镜的转角，再通过Z轴电机调节振镜高度以实现激光精确对焦，并确定焦点位置；

4)通过振镜的激光二维扫描功能或通过下方直线电机的精确移动实现金刚石刀具刃口的直线切割和抛光加工；

5)在加工圆弧刃金刚石刀具时，则需先调节旋转平台上的超精密滑台将待加工的刀具圆弧中心调节至与底下的旋转平台中心重合实现精密定位，再根据刀具后角要求调节激光振镜角度并对焦；

6)通过XY轴数控平台将刀具移动到激光加工位置附近，通过XY轴数控平台和CCD显微镜的实时观测功能根据刀具圆弧半径设计要求找到加工起点，最后通过转动电机和激光***的配合完成圆弧刃的切割及抛光。

2.根据权利要求1所述的用于直刃及圆弧刃金刚石刀具飞秒激光制备的方法，其特征在于：步骤2)中的CCD显微镜可以和激光振镜的物镜同轴或不同轴安装，但不同轴安装时其焦距差值需通过装配补偿同时水平位置距离需要通过XY轴数控平台移动修正以确保刀具加工定位的准确及便捷。

3.根据权利要求1或2所述的用于直刃及圆弧刃金刚石刀具飞秒激光制备的方法，其特征在于：步骤3)中如通过激光光斑亮度大小判断焦点位置时可在金刚石刀头需要去除部分选择对焦点以保证刀具有效部分不受损伤。

4.根据权利要求1或2所述的用于直刃及圆弧刃金刚石刀具飞秒激光制备的方法，其特征在于：步骤5)中刀具圆弧中心的调节需要通过CCD显微镜的在线精确测量实现。

5.根据权利要求1或2所述的用于直刃及圆弧刃金刚石刀具飞秒激光制备的方法，其特征在于：步骤6)中转动电机的转速需要依据刀具圆弧半径的大小及加工所需的线速度调节。

6.一种实现权利要求1所述用于飞秒激光加工金刚石刀具成形制备的装置，其特征在于：该装置包括刀具装夹定位机床和激光加工***，其中：

刀具装夹定位机床包括床体(1)、安装在机床上的X向直线电机(2)、Y向直线电机(3)、电动旋转平台(4)、安装在旋转台上的刀具精密调节装夹装置(5)、刀具夹筒及刀柄转动滑台(6)；

激光加工***包括安装于桁架(10)上的旋转滑台(7)用于调节激光振镜偏转角度、Z轴直线电机(8)安装在(1)上、激光振镜(9)、振镜安装桁架(10)与Z轴直线电机(8)配合安装；在振镜上加装显微测量对刀装置(11)、通过光源(13)连接(11)实现CCD显微镜采光、激光光源导入镜片组合(12)安装在桁架(10)右侧和床体(1)上、激光倍频与偏振装置(14)安装在飞秒激光器(15)的输出端并用对应光路装置导入激光、电机与显微镜软件安装在PC机(16)上并用其控制和检测刀具的加工过程。

7.根据权利要求6所述的飞秒激光加工金刚石刀具成形制备的装置，其特征在于：电动旋转平台(4)可调旋转角度为360°，且分辨率为0.001°，转台由伺服马达控制，可以精确调整刀具的转动位置。

8.根据权利要求6或7所述的实现飞秒激光加工金刚石刀具成形制备的装置，其特征在于：Z轴直线电机(8)带动激光振镜运动，滑动行程为50cm，定位精度达1μm。

9.根据权利要求6或7所述的实现皮秒激光加工金刚石微细铣刀成形制备的装置，其特征在于：旋转滑台(7)可调旋转角度为±180°，分辨率为0.01°，转台可由电机控制或手动控制以调整振镜的转动角度。

10.根据权利要求6所述的实现飞秒激光加工金刚石微细铣刀成形制备的装置，其特征在于：机床的X向与Y向直线电机行程都达20cm以上，定位精度达到1μm，最大运行速度超过100mm/s。

11.根据权利要求6所述的实现飞秒激光加工金刚石微细铣刀成形制备的装置，其特征在于：显微测量对刀装置(11)可以垂直安装在振镜(9)上以便与振镜的物镜同轴方便观测和对焦，或者CCD显微镜可以和振镜的物镜不同轴安装，但不同轴安装时其焦距差值需通过装配补偿或滑台调节，同时水平位置距离需要通过XY轴数控平台移动修正以确保刀具加工定位的准确及便捷。

12.根据权利要求6所述的实现飞秒激光加工金刚石微细铣刀成形制备的装置，其特征在于：激光倍频与偏振装置(14)可采用专用倍频晶体实现飞秒激光器(15)输出光源(一般为1064nm或800nm波长)的2倍频、3倍频，以实现红外飞秒激光向绿光、近紫外光的转化；该装置还需配有四分之一波片及其轴向转动机构以实现激光光源由线偏振转为圆偏振以提高被加工面质量。