[发明专利]一种用于金刚石刀具飞秒激光制备的方法及装置

说明书

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系统来调节，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、多轴激光加工系统、飞秒激光器三部分组成。

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系统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系统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。