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精密加工技术

超精密加工技术文献综述

杨雪情1

（1.江苏大学机械工程学院江苏镇江212013）

摘要：

天然单晶金刚石具有极高硬度和强度、超高耐磨性、极好导热性、能刃磨出锋利的刃口等一系列优异性能，使其成为超精密加工中不可代替的刀具材料。

然而，这些特点也导致了天然金刚石晶体加工效率低、损耗大、分割质量不稳定等各种加工难题。

这限制了天然金刚石晶体的利用率，使刀具的成本居高不下，制约了超精密加工技术发展。

因此，高效率高质量的分割天然单晶金刚石已成为天然金刚石刀具制造的重要基础技术之一。

关键词：

天然金刚石道具；激光切割；

LiteratureReviewofUltra-precisionMachining

YangXueqing1

（SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013）

Abstract:

Naturaldiamondhasaseriesofoutstandingperformanceslikehighhardnessandstrength,greatwearresistance,excellentthermalconductivity,minimumbladeedgesradius,etc,whichmakeNaturaldiamondanirreplaceabletoolmaterialsinultra-precisionmachining.Nevertheless,thesequalitiesofnaturaldiamondresultinsomedisadvantagesinmachiningit,forexample,theefficiencyofprocessingisverylow,thelossduringprocessingitishighandtheconsequenceofsegmentationisunstable.Theseproblemshaveincreasedthecostofthenaturaldiamondtoolsandseriouslyhamperedthedevelopmentofultra-precisionmachiningbylimitingtheutilizationofnaturaldiamondcrystals.Therefore,thekeytechnologyabouthowtosegmentnaturaldiamondwithahigh-qualityandefficientlyisbecomingmoreandmoreimportantinfabricatingnaturaldiamondtools.

Keywords:

naturaldiamondtools,lasercutting

0引言

随着机械、光学、航空、航天、军事等领域的科学技术发展，对零件的形状精度、表面质量、稳定性和可靠性、产品性能提出了更高要求，超精密加工技术应运而生。

超精密车削作为超精密加工技术的重要组成部分，在国防和尖端科技中起着重要作用。

天然单晶金刚石拥有极高硬度、耐磨性好、强度高、极好的导热性、能刃磨出锋利的刃口等一系列优异的性能，使其成为超精密切削中理想的、不可代替的刀具材料。

然而，金刚石晶体具有高硬度、脆性高、强烈的各向异性等不利于机械加工的特点，使得分割效率低、损耗大、质量不稳定，在很大程度上降低了金刚石晶体的利用率，使刀具的成本居高不下，严重制约了超精密车削技术的发展。

金刚石刀具的制备在我国研究起步较晚，因此对天然单晶金刚石切割分离机理等方面的了解欠缺，许多金刚石刀具需要进口。

本课题将以天然金刚石作为研究对象，开展激光切割加工实验研究。

拟从天然金刚石晶体的激光烧蚀阈值入手，进一步研究可提高切割效率和切割表面质量的措施，最终建立天然金刚石刀具的激光切割工艺。

该项课题研究对改进和优化天然金刚石的分割方法、研究激光切割理论及提高刀具质量有极其重要的意义。

1国内外发展现状

1.1国外研究现状

自1960年第一台激光器研制成功后以来，国外的激光技术应用一直处于领先地位。

美国、日本、德国、意大利等国家已将数控加工机床产业化，他们的激光加工系统也代表了当今世界的最高水平，并利用激光设备优势对各类金刚石材料、类金刚石材料、单晶硅、单晶锗甚至常见的诸如玻璃、陶瓷等超硬材料等进行了切割研究。

而国外的大型刀具公司，如英国ContourFineTooling等，已经开始将此技术应用于工业生产，采用先进的激光数控机床切割金刚石晶体，极大地提高了刀具的生产效率和金刚石晶体的使用率，增大了刀具的附加值。

图1-1是ContourFineTooling公司生产的圆弧刃金刚石车刀。

图1-1ContourFineTooling公司的金刚石刀具

Tokarev等人使用准分子激光切割金刚石膜，建立了该加工过程的理论解析模型，对比研究了激光功率、激光入射角度以及激光脉冲数对加工效果的影响。

Lin等人通过建立激光烧蚀金刚石的三维温度分布模型，研究了不同进给速度、功率时金刚石膜表面的石墨损伤层厚度，得到了三维温度分布模型的一般解后，分析了激光参数对金刚石石墨化和烧蚀深度的影响。

他们的理论分析和相关试验对研究激光切割金刚石材料有一定的指导作用。

Gloor等人使用波长248nm的准分子激光加工PCD金刚石，并使用原子力显微镜检测加工孔的深度和宽度。

最终加工出了亚微米孔径的圆孔，并给出了可将孔径减小的措施。

Sudheer等人使用了四种激光器来加工单晶金刚石，研究了波长、光束质量因子、功率密度等参数对加工质量的影响，通过观测微裂纹的数目及破损率的大小，认为使用调Q的YAG激光器是高效率、高精度、低破损率加工单晶金刚石的首选激光器。

此外，国外研究人员还对硅晶体等金刚石结构材料、玻璃、陶瓷等超硬材料的激光切割技术做了大量的研究。

Shiuann等人研究了使用Nd:

YAG二倍频激光器加工硅晶片的工艺，通过分析激光功率密度与槽深、槽宽的关系，得到了实现最大深宽比的最优功率密度，在此基础上实现了高效率高质量的硅晶片切割。

德国汉诺威激光中心实验室针对不同脉宽的激光器加工质量做了对比，通过加工大量半导体材料，分析了脉宽对加工质量的影响。

实现了使用飞秒、皮秒、纳秒激光在硅片上打孔，如图1-2所示。

结果说明脉宽越小，越接近冷加工，加工质量越好。

图1-2飞秒、皮秒、纳秒激光环切硅片质量

1.2国内本领域发展状况

我国对激光器的研究基本和国外同步，长春光学精密机械研究所的王之江等人研制的红宝石激光器仅比梅曼发明的激光器晚了约一年时间。

但受制于相关物理理论的发展，在激光切割应用方面与国外仍存在差距，只有少数能够用于工业生产。

近年来，国内也有一些研究人员开始对激光切割金刚石材料的工艺进行探索和验证，取得了许多研究成果。

王亚等人对CVD金刚石膜的激光切割工艺进行了

研究，分析了激光焦点位置，不同气体切割环境对金刚石厚膜切割的影响。

他们发现在使用激光器切割金刚石膜时，焦点位置对切缝的宽度会产生影响，如图1-3所示。

通过优化激光焦点位置、增加合适光栏、激光功率等参数后，他们获得了高切割面质量的窄切缝。

图1-3不同焦点位置时切缝的比较

徐铮等人对CVD金刚石膜的加工工艺进行了探索，分析了激光蚀除金刚石膜的基本规律。

通过对金刚石表面进行拉曼光谱分析，得到了不同激光工艺参数对切割质量的影响。

发现较小的进给速度可获得较好的断面质量，而进给速度提高时则会出现较明显的切割痕迹，导致断面质量下降。

目前，国内的研究人员对激光切割天然金刚石进行的研究较少。

但是国内研究人员对其他超硬材料的激光加工技术进行了许多探索，也建立了许多模型来解释加工机理。

如袁鑫等人[27]在制备了SiC纳米晶须时建立了激光照射模型，并使用ANSYS对该过程进行了仿真，用以指导实验中激光参数的选择。

XieX等人进行了激光加工蓝宝石的研究，分析了激光功率、进给速度、重复频率、扫描次数等参数与槽深槽宽的关系，给出了优化的工艺参数，并证明了激光切割是蓝宝石的极佳切割工艺。

2激光切割在金刚石刀具制造中的应用

2.1引言

由于激光器精度问题，切割出的金刚石不能达到直接使用要求，但是通过激光切割将金刚石粗加工至预定的轮廓后再使用常规工艺进行加工，也将极大的提升总体加工效率。

激光加工可以实现较复杂轨迹的切割，若需要某些特定形状的金刚石，或者需要去除较大体积的金刚石时，可以考虑使用激光进行预切，只要预留一定的余量即可，然后再使用专用刃磨机进行精磨，这样可以极大的节约时间，降低加工成本。

2.2圆弧刃车刀粗加工

将完整的金刚石颗粒切割开后，会得到两个锥形的金刚石。

通过粗磨工艺将金刚石磨掉切割损伤层，并进行定向后使用钎焊工艺将金刚石焊接在刀柄上，即可得到金刚石刀具的毛坯件，如图2-1所示。

面对不同的加工需求，需要对刀具进行特定的设计。

例如在超精密加工时，为了控制加工表面的粗糙度，经常使用圆弧刃金刚石车刀，并且要保证圆弧刃车刀的刀尖圆弧圆度。

而在金刚石刀具的毛坯件上直接刃磨出圆弧，将会耗费较多的人力物力，且由于金刚石强烈的各向异性和超硬特性，不容易刃磨出较好的圆弧轮廓。

图2-1金刚石刀具毛胚

使用激光加工可以较好的解决这个问题，在AUTOCAD中将需要加工的圆弧设计出来后导出到激光切割软件PROCESS中，设置好激光参数和工作台参数后就可以进行切割。

需要注意的是，在AUTOCAD中设计刀具形状应按照1:

1比例设计，并使刀具圆弧圆心与坐标系重合，以减少在PROCESS软件中进行坐标系偏移等操作。

图2-2是激光器在加工圆弧刃金刚石车刀。

图2-2使用激光切割圆弧刃车刀

使用光学显微镜检测切割后的刀尖形貌，发现激光切割去除了后续需刃磨的金刚石，刀尖圆弧形状非常规则，适合进行精磨工序。

2.3微铣刀粗加工

在微细铣削加工某些微结构、微小传感器部件时会用到微铣刀进行加工。

目前，该技术领域使用的微铣刀多为硬质合金材质，刀头和刀柄材料一致，回转半径从0.1mm-1mm不等。

但由于刀具材料的硬度、导热性能、抗磨损性等限制，加工质量仍待提高。

相比较而言，天然金刚石微铣刀的切削性能优于硬质合金，能够实现高质量的铣削加工。

但由于金刚石微铣刀的制造工艺复杂，技术难度大，成本较高，国内研究也较少。

天然金刚石微铣刀是通过钎焊工艺将正六面体的金刚石颗粒焊接在碳化钨刀柄上，如图2-3所示。

图2-3天然金刚石微铣刀毛胚

碳化钨作为常见的铣刀材料，其硬度非常大，加工困难。

需要使用激光在其顶端打上小孔，用于安放金刚石及焊料。

激光在切割碳化钨时，功率相对较大，可提高压缩空气的压力将熔融残渣及时吹出。

由于金刚石颗粒尺寸限制，在钎焊工艺中焊接面非常小，故使用磨刀机对其进行研磨时必须降低研磨压力，且进给量不能太大。

将微铣刀与研磨盘按照图2-4所示位姿布置时，由于焊接面积相对较小，在焊接边缘承受较大的应力，导致研磨过程中容易与刀柄脱落。

同时，由于机床振动以及研磨时发热量大也会导致焊接面松脱，使加工出的微铣刀存在某些缺陷。

所以，在进行刃磨微铣刀时，需要控制进给量和研磨压力，这将导致刃磨微铣刀的过程十分耗时，而且效率低，成本相对提高。

图2-4金刚石微铣刀研磨示意图

若能使用激光切割出微铣刀的轮廓，切掉在刃磨时需要去除的大部分晶体，再使用磨刀机将预留余量精磨掉，可以极大的提高加工效率。

但是，激光切割的质量需要控制在允许范围内。

考虑到金刚石与铣刀柄的导热能力差异较大，若激光作用在金刚石上的时间过长，可能会因金刚石体积较小引起热量堆积在焊接面，导致焊料融化，金刚石在压缩空气的作用下脱落。

故在激光粗切微铣刀时必须加入必要的空行程，给金刚石必要的散热时间。

另外，应将压缩空气的压强适当增大，增加压缩气体带走的热量，提高对流换热。

加工时，将金刚石微铣刀装夹在小型三爪卡盘上，如图2-5的左图所示，三爪卡盘可以通过步进电机进行指定角度的旋转。

为了提高加工精度，需要使用百分表进行三爪卡盘的调心，保证微铣刀在回转时不产生过大跳动。

激光垂直作用在微铣刀端部的金刚石上，将激光焦距聚焦在事先磨好的定位面上，按设计要求旋转特定角度后就可以开始加工。

加工轨迹如图2-5右图所示的三角形所示，其中实线部分是加工行程，而虚线部分则是空行程。

激光实际作用时间小于空行程时间，虽然会降低加工效率，但保证了金刚石有足够的时间散热，减低了金刚石松脱的可能性。

图2-5金刚石微铣刀装卡及切割轨迹

利用超景深显微镜可以检测激光切出的微铣刀毛坯形状，并可以给出深度值如图2-6所示。

从检测图像上可以看出焊接后金刚石高度在550μm左右。

在切割面高度几乎一致，虽存在明显的条纹，但能满足粗加工需求。

与定位面的60°夹角比较准确，去除了大部分需研磨的材料，最大切割深度大于700μm。

图2-6激光切割微铣刀后检测图

图2-7为激光切割微铣刀后的各角度立体图，从立体图上可以更清楚的看出激光切割的断面平整，不存在炸裂现象，侧面与底面垂直，切割质量较高。

由于切割后金刚石表面有热损伤层，包含石墨、无定形碳等物质，呈现黑色的断面。

图2-7激光切割微铣刀后各角度立体图

正常情况下，为了保证金刚石在研磨过程中不脱落，进给量取值较小。

使用刃磨机研磨出该形状同等深度的切口大约需要数小时，而在使用激光器切割此切口时，耗时大约为30分钟。

所以，在找出定位面后，首先使用激光对微铣刀进行粗加工，将大部分多余晶体去除。

加工出设计刀头形状的毛坯后，再使用刃磨机进行精磨，去除余量并出刃，将会极大的缩短刃磨时间，提高加工效率，降低加工成本。

2.4微结构加工

本节尝试在金刚石上加工部分微结构，例如微孔、圆锥、棱锥、圆柱等。

这些微结构可以用在金刚石压头等产品上。

图2-8是使用激光器在金刚石上加工微孔的超景深检测图像。

微孔直径为500μm，深度为200μm左右。

最终得到的孔圆度较高，且深度方向上变化明显。

图2-8在天然金刚石上加工微孔

图2-9是使用激光器在天然金刚石上加工微圆台的效果图。

在微圆台加工时，需要控制激光器在远离圆心的位置去除掉更多的材料。

从超景深检测图像中可以看到微圆台的底面直径为550μm，而深度为260μm左右。

图2-9在天然金刚石上加工微圆台

通过测量其截面的深度变化，可以得到图2-10所示的曲线。

从曲线中可以看出圆台结构基本符合要求，但是由于激光不稳定等原因，在某些区域深度发生了较大变化。

在加工微结构时，激光器的稳定性对微结构的影响非常明显。

本激光器适合进行粗加工，而不适合直接进行精加工。

故在加工微结构方面，需要使用飞秒或者皮秒激光器，以实现更好的结果。

图2-10微圆台截面深度的变化趋势

3小结

天然金刚石以其优异性能在精密、超精密加工中被广泛使用。

将完整天然金刚石晶体按照预定轨迹分割是制作天然金刚石刀具过程中最基础的一环，该过程也决定金刚石的使用率及制作刀具的质量。

所以如何实现高效率高质量的切割天然金刚石是制造金刚石刀具的关键技术之一。

本文主要介绍了天然金刚石在刃磨过程中耗时比较多的加工项目，如圆弧刃车刀粗加工、微铣刀粗加工及微结构加工，详细介绍了激光加工过程中的参数设置。

结果表明，激光加工在金刚石刀具加工中有着独特优势，有着更高的效率及更好的经济性，在金刚石刀具加工领域有着广泛的应用前景。

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