聚晶金剛石復(fù)合片數(shù)控激光切割機(jī)床的研究*

柯 良 惠相君 陳水明 馬宇峰

(①浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000;②同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compacts，PDC)是一種新型超硬材料，通過(guò)在高溫高壓條件下將金剛石微粉與用作催化劑的金屬均勻混合并燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上制備而成［1］。PDC 以其極高的硬度、耐磨性以及良好的焊接性能而被廣泛應(yīng)用于切削加工、地質(zhì)鉆探、石材加工等領(lǐng)域的工具制備［2］。隨著數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，普通高速鋼、硬質(zhì)合金刀具在很多場(chǎng)合已無(wú)法滿(mǎn)足高切削速度、高刀具耐用度及低加工成本的要求［3］，PDC 刀具以硬度高、摩擦系數(shù)小、熱變形小、加工精度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)在精密切削等領(lǐng)域應(yīng)用逐漸增多。但是，由于PDC 本身的高硬度和高耐磨性，使其切割加工非常困難，傳統(tǒng)的加工方法無(wú)法對(duì)其加工。

目前，切割PDC 的主要方法有電火花線(xiàn)切割、磨料水射流切割和激光切割［4］。國(guó)內(nèi)對(duì)電火花線(xiàn)切割研究較多，但在使用電火花線(xiàn)切割加工PDC 時(shí)，由于放電強(qiáng)度難以控制，會(huì)對(duì)PDC 材料表面造成損傷［5］，不僅影響了切削面質(zhì)量，增加了刀具刃磨余量，同時(shí)也影響刀具的壽命，而且電火花線(xiàn)切割速度要比激光切割慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)，效果不甚理想。磨料水射流切割耗材多、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高、工藝復(fù)雜、精度低。相比之下，激光切割是一種無(wú)接觸式加工，具有切縫小、效率高、熱影響區(qū)域小、切縫邊緣無(wú)機(jī)械應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是切割PDC 的一種理想方法。

1 PDC 的激光切割機(jī)理和工藝

PDC 刀具的制造過(guò)程如圖1 所示，主要包括兩個(gè)階段:

(1)PDC 的制造:PDC 是由天然或人工合成的金剛石粉末與結(jié)合劑按一定比例在高溫、高壓下燒結(jié)而成。

(2)PDC 刀片的加工:PDC 刀片的加工主要包括復(fù)合片的切割、刀片的焊接、刀片的刃磨等步驟。

PDC 的切割加工是PDC 刀片加工的第一步，切割面的完整性和表面質(zhì)量直接影響刀片焊接的效率和PDC 刀具整體的質(zhì)量。

圖1 PDC 刀具制造過(guò)程［6］

激光切割PDC 時(shí)，激光器發(fā)射出的激光束，經(jīng)外電路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束，高功率密度的激光束通過(guò)光學(xué)元件的傳導(dǎo)照射到PDC 表面上，激光束的能量分配如圖2 所示，R、A、T 分別代表工件表面反射、工件內(nèi)部吸收和通過(guò)工件傳導(dǎo)的能量分量。每個(gè)能量分量都是工件材料、工件溫度和激光輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。

反射率R 可用下式估算:

圖2 激光能量分配

式中:n 和k 分別是復(fù)數(shù)折射率的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分。用Nd:YAG 固體激光器加工聚晶金剛石時(shí)，反射率R小于20%，大部分激光能量被吸收，并且吸收的能量隨工件的溫度上升而增加，效果優(yōu)于CO2激光器。

工件內(nèi)部吸收的激光束能量分量AI0迅速轉(zhuǎn)化成熱能，使照射斑點(diǎn)區(qū)域的溫度上升，由于聚焦后的激光束能量密度極高，中心部位溫度可達(dá)10 000～20 000℃，瞬間的高溫使PDC 局部迅速熔化以至汽化并形成孔洞，再輔之以一定的激光束和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便可使PDC 形成切縫，最終將PDC 切割成要求的形狀。

圖3 激光加工中主要影響的工藝因素

圖3 是激光通過(guò)透鏡后在工件表面上聚焦的情況，它反映了在激光加工過(guò)程中，對(duì)切割工件質(zhì)量有影響的各主要因素［7］:

(1)不同的激光波長(zhǎng)和透鏡焦點(diǎn)距離會(huì)產(chǎn)生大小不同的斑點(diǎn)尺寸;

(2)激光束的強(qiáng)度和斑點(diǎn)直徑?jīng)Q定工件表面上的能量密度;

(3)工件的材質(zhì)、表面狀態(tài)和激光波長(zhǎng)決定反射率的變化和輸入能量的吸收率，以及由此影響表面溫度;

(4)工件的傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率影響熱量在工件內(nèi)部的傳遞。

因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)激光切割的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要包括激光功率、光路、切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體及切割路徑等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)后，能使激光切割PDC 的切縫寬度小于0.08 mm，切割速度達(dá)到50 mm/min。

2 光學(xué)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

光學(xué)系統(tǒng)的主要功能是將激光輸送到加工部位，通過(guò)調(diào)整輻射參數(shù)，構(gòu)成高功率密度的光束。光路系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)如圖4 所示，可分為激光束參數(shù)變換系統(tǒng)和觀(guān)測(cè)定位光學(xué)系統(tǒng)兩大部分。

圖4 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

2.1 激光束參數(shù)變換系統(tǒng)

Nd:YAG 激光器輸出的1 064 nm 波長(zhǎng)的激光極易被金剛石材料吸收，且峰值功率高、熱影響區(qū)小、結(jié)構(gòu)緊湊，非常適合PDC 的切割加工。本文選擇Nd:YAG 固體激光器作為PDC 數(shù)控激光切割機(jī)床的激光發(fā)生器，工作物質(zhì)選用為φ8 mm ×180 mm 的特優(yōu)級(jí)Nd:YAG 晶體棒，諧振腔腔長(zhǎng)為330 mm，腔型為平凹腔，選用氙燈泵浦，聚光腔為雙橢圓柱腔。

一般激光切割機(jī)床都采用單極激光器輸出，產(chǎn)生的激光功率密度較低，切割PDC 的最大厚度只能達(dá)到2～3 mm，且切割速度較慢，無(wú)法完全滿(mǎn)足刀具制造企業(yè)的要求。為了增大輸出激光的功率密度，本文提出了一種“一級(jí)震蕩，一級(jí)放大”結(jié)構(gòu)的兩級(jí)激光輸出技術(shù)，如圖4 所示。通過(guò)震蕩YAG 激光器調(diào)節(jié)激光脈沖寬度、光束發(fā)散角等模參數(shù)，由放大YAG 激光器調(diào)節(jié)脈沖能量或功率，由兩級(jí)激光器輸出的激光束，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡將激光束的直徑擴(kuò)大，通過(guò)反射鏡將擴(kuò)大后的光束引導(dǎo)至聚焦鏡表面，經(jīng)聚焦后，在被加工件表面得到滿(mǎn)足加工使用要求的激光功率密度和光斑直徑。

采用兩級(jí)激光輸出技術(shù)，可大大提高激光的輸出功率，其功率可達(dá)到一般激光切割機(jī)床的2～3 倍，并使激光具有更好的光斑模式，光束發(fā)散角小于0.8 mrad，從而使激光切割PDC 的最大厚度從3 mm 提高到5 mm 左右，同時(shí)極大提高PDC 的切割效率。

2.2 觀(guān)測(cè)定位光學(xué)系統(tǒng)

激光切割PDC 時(shí)，操作人員可在觀(guān)測(cè)定位光學(xué)系統(tǒng)的協(xié)助下定期觀(guān)察PDC 的成形情況，同時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整激光瞄準(zhǔn)定位。觀(guān)測(cè)定位光學(xué)系統(tǒng)包括高清CCD、監(jiān)視器和監(jiān)控軟件。激光束照射到PDC 表面上，可見(jiàn)光被加工表面反射，并通過(guò)聚焦鏡、反射鏡、物鏡進(jìn)入CCD 攝像機(jī)，操作者便可通過(guò)觀(guān)察屏幕裝置，實(shí)時(shí)觀(guān)察PDC 激光切割過(guò)程，并可按切割情況實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)，避免產(chǎn)生廢片，保證切割的質(zhì)量。

3 激光切割數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了對(duì)PDC 進(jìn)行激光精密切割，必須確保機(jī)床床身有足夠的剛度、不易受環(huán)境溫度影響，同時(shí)還需能精確定位，準(zhǔn)確進(jìn)給的精密工作臺(tái)與之配合。機(jī)械傳動(dòng)鏈必須滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)靈活、傳動(dòng)平穩(wěn)、系統(tǒng)精度高等要求。PDC 數(shù)控激光切割機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要包括機(jī)床床身、數(shù)控工作臺(tái)、Z 軸調(diào)焦系統(tǒng)、激光器支架等部件。

圖5 PDC 數(shù)控激光切割機(jī)床的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)床床身

根據(jù)PDC 切割精度及光路系統(tǒng)要求對(duì)機(jī)床床身機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖5 所示，確保整機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位、平穩(wěn)運(yùn)行和高可靠性［8］。

3.2 數(shù)控工作臺(tái)

在激光切割機(jī)床對(duì)PDC 材料進(jìn)行激光切割時(shí)，數(shù)控工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)工件精確定位和切割加工。數(shù)控工作臺(tái)采用高精度導(dǎo)軌、小螺距絲杠，確保各軸運(yùn)動(dòng)的平行度、直線(xiàn)度及垂直度。通過(guò)機(jī)床專(zhuān)用的工控計(jì)算機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確控制，保證激光光束與材料的精確相對(duì)位置和加工線(xiàn)條的流暢性。

3.3 Z 軸調(diào)焦系統(tǒng)

配備激光頭升降系統(tǒng)，采用可調(diào)節(jié)高度的Z 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在PDC 激光切割過(guò)程中，根據(jù)工件不同的厚度和加工要求，調(diào)節(jié)Z 軸調(diào)焦系統(tǒng)，使激光的焦點(diǎn)處于最佳位置。

4 數(shù)控激光切割系統(tǒng)

激光切割的優(yōu)點(diǎn)之一就是便于與數(shù)控系統(tǒng)整合，易于實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，使機(jī)床具有更好的加工柔性。用戶(hù)只需將PDC 形狀、光斑直徑、切削參數(shù)以及輔助功能按照規(guī)定的圖形或數(shù)據(jù)格式輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控激光切割自動(dòng)編程軟件系統(tǒng)就能自動(dòng)編寫(xiě)加工程序單，控制激光的運(yùn)動(dòng)路徑、激光器的開(kāi)關(guān)、激光功率的大小、輔助氣體的壓強(qiáng)和冷卻系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)等等。使加工過(guò)程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高了加工精度和生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足將來(lái)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)PDC 數(shù)控激光切割機(jī)床進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PDC 的高精度激光切割。提出了一種“一級(jí)振蕩、一級(jí)放大”的兩級(jí)激光輸出技術(shù)，其功率可達(dá)到一般激光切割機(jī)的2～3 倍，提高了激光切割PDC 的最大厚度，同時(shí)提升PDC 的切割效率。根據(jù)高精度切割要求，設(shè)計(jì)了數(shù)控激光切割機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)了適用于PDC 切割的數(shù)控系統(tǒng)，保證了機(jī)床的自動(dòng)、精確、平穩(wěn)的運(yùn)行。

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