毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具的深加工方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及飛秒激光微納加工領(lǐng)域，特別涉及利用一種飛秒激光直寫，在超硬的金剛石刀具刀刃上加工得到一系列微米級缺口。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著科學技術(shù)的日新月異，通訊、航空和航天等領(lǐng)域各項技術(shù)得到了飛速發(fā)展。相應(yīng)地，其對材料性能及加工技術(shù)的要求也日益提高。各式各樣的新型材料，如陶瓷、超硬玻璃材料(藍寶石玻璃等)、碳纖維增強塑料及顆粒增強金屬基復(fù)合材料，得到了廣泛的應(yīng)用。這些材料具有許多良好的特性:如耐磨性極好、強度高、熱膨脹系數(shù)小等，因而，也決定了對它們進行加工時要求刀具質(zhì)量非常高。金剛石刀具具有超高的硬度及高導(dǎo)熱率等特性，它是一種理想的新型材料加工工具。然而，也正是由于金剛石刀具的這種超硬特性，使得對金剛石刀具本身的加工遭遇到了極大的挑戰(zhàn)。
[0003]金剛石刀具在切削光滑物體時會產(chǎn)生“打滑”現(xiàn)象，嚴重影響切削質(zhì)量。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要對金剛石刀具刃口進行特殊地再加工。目前主要的金剛石刀具刃口加工方法有傳統(tǒng)的機械加工方法，真空等離子拋光法，離子濺蝕法等；盡管這些工藝能夠得到刃口直線度很小(0.1?0.01微米)的金剛石刀具，但是隨著刃口直線度的減小，加工難度和加工成本將大大提高，極大地制約了金剛石刀具的工業(yè)生產(chǎn)。另外，可以在金剛石刃口上加工周期性的微齒輪的結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效地防止“打滑”現(xiàn)象地發(fā)生，而且相對于直線度較小的刀具其使用壽命得到了很大地提高。然而，上述的加工方法很難在刃口上加工得到周期性地微小凹槽結(jié)構(gòu)，尤其對于體積較小的金剛石刀具(毫米以及亞毫米量級)，且這些加工方法一般加工效率都比較低，很難實現(xiàn)大規(guī)模地工業(yè)生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒激光制備技術(shù)的金剛石刀具加工方法，設(shè)計一整套的加工系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)方法在微小金剛石刀具刃口制備周期性微米級齒輪的難題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0006]毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具的深加工方法及系統(tǒng)，包括以下步驟:
[0007]I)選取未加工刃口的毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具，徹底清潔；
[0008]2)將清潔后環(huán)形金剛石刀具固定于圓柱形支撐棒上；
[0009]3)將圓柱形支撐棒的一端通過夾具固定在具有旋轉(zhuǎn)軸的三維平移臺上；
[0010]4)通過快門控制激光通斷以及在平行于圓柱形支撐棒中心軸的方向上移動三維平移臺，使環(huán)形金剛石刀具刃口頂端通過飛秒激光焦點，然后控制旋轉(zhuǎn)軸使環(huán)形金剛石刀具旋轉(zhuǎn)2-5度，再反方向移動三維平移臺，仍然使環(huán)形金剛石刀具刃口頂端通過飛秒激光隹占.V w ，
[0011 ] 所述飛秒激光焦點采用脈沖重復(fù)頻率為100到10k赫茲、脈沖寬度為20fs-100ps、波長為325到1064納米、功率為0.1到20毫瓦的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0.3至0.9的物鏡聚焦；
[0012]5)重復(fù)步驟4，直至在環(huán)形金剛石刀具的刃口上得到周期性的微小凹槽結(jié)構(gòu)。
[0013]上述飛秒激光焦點選用脈沖重復(fù)頻率為IK赫茲、脈沖寬度為50fs、波長為800納米、功率為2毫瓦的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0.5的物鏡聚焦。
[0014]金剛石刀具每次旋轉(zhuǎn)的角度為3度。
[0015]—種毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具的深加工方法，其特殊之處在于:
[0016]I)選取多個未加工刃口的毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具，徹底清潔；
[0017]2)將清潔后環(huán)形金剛石刀具并排固定于圓柱形支撐棒上；
[0018]3)將圓柱形支撐棒的一端通過夾具固定在具有旋轉(zhuǎn)軸的三維平移臺上；
[0019]4)通過快門控制激光通斷以及在平行于圓柱形支撐棒中心軸的方向上移動三維平移臺，使多個環(huán)形金剛石刀具刃口頂端依次通過飛秒激光焦點，然后控制旋轉(zhuǎn)軸使環(huán)形金剛石刀具旋轉(zhuǎn)2-5°，再反方向移動三維平移臺，仍然使多個環(huán)形金剛石刀具刃口頂端依次通過飛秒激光焦點；
[0020]所述飛秒激光焦點選用脈沖重復(fù)頻率為100到10k赫茲、脈沖寬度為20fs-100ps、波長為325到1064納米、功率為0.1到20毫瓦的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0.3至0.9的物鏡聚焦；
[0021]5)重復(fù)步驟4，直至在多個環(huán)形金剛石刀具的刃口上均得到周期性的微小凹槽結(jié)構(gòu)。
[0022]上述飛秒激光焦點選用脈沖重復(fù)頻率為IK赫茲、脈沖寬度為50fs、波長為800納米，功率為2毫瓦的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0.5的物鏡聚焦。
[0023]金剛石刀具每次旋轉(zhuǎn)的角度為3度。
[0024]—種毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具的深加工系統(tǒng)，其特殊之處在于:包括驅(qū)動部件和飛秒激光直寫部件；
[0025]所述驅(qū)動部件包括具有旋轉(zhuǎn)軸的三維平移臺、固定在三維平移臺旋轉(zhuǎn)軸上的夾具、一端固定在夾具上的圓柱形支撐棒；所述圓柱形支撐棒用于固定毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具；所述三維平移臺可帶動支撐棒沿自身中心軸方向移動及繞自身中心軸回轉(zhuǎn)；
[0026]所述飛秒激光直寫部件包括飛秒激光、物鏡；所述飛秒激光為脈沖重復(fù)頻率為100到10k赫茲、脈沖寬度為30到150飛秒、波長為325至Ij 1064納米、功率為0.1到20毫瓦的超短脈沖激光；所述物鏡將飛秒激光聚焦于支撐棒上的環(huán)形金剛石刀具的刃口上；所述物鏡的數(shù)值孔徑值為0.3至0.9。
[0027]上述飛秒激光為脈沖重復(fù)頻率為IK赫茲、脈沖寬度為50fs、波長為800納米、功率為2毫瓦的超短脈沖激光；所述物鏡的數(shù)值孔徑值為0.5。
[0028]上述圓柱形支撐棒能夠固定多個環(huán)形金剛石刀具。
[0029]上述圓柱形支撐棒水平設(shè)置。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0031]I)本發(fā)明所制備的微小凹槽表面光滑、輪廓清晰。利用飛秒激光超高的瞬間功率密度特性，能夠瞬間對金剛石刀具刀刃產(chǎn)生微小破壞，且由于飛秒激光的加工特性，激光破壞區(qū)域較小(可以達到幾個微米甚至亞微米量級)，對破壞區(qū)域周圍材料的影響較小，形成一個非常光滑的破壞區(qū)域。
[0032]2)本發(fā)明加工效率非常高。將一系列刀具串在支撐棒上，可以一次性加工一批金剛石刀具，如圖2所示。
[0033]3)本發(fā)明所制備的微小凹槽尺寸和排列周期均人為可控。通過控制激光能量、激光掃描速度等參數(shù)可以控制產(chǎn)生的微小凹槽的寬度以及深度。通過控制旋轉(zhuǎn)軸每次旋轉(zhuǎn)角度可以控制得到的微小凹槽周期以及數(shù)量。
[0034]4)本發(fā)明所講述的是一種將前沿飛秒激光直寫工藝應(yīng)用于微小器件的超精密加工，該方法能夠解決現(xiàn)有制備工藝難以在超硬的金剛石刀具刀刃上制備微結(jié)構(gòu)的難題，且加工效率比較高，能夠一次性加工一批樣品。本發(fā)明在金剛石刀具上所制備的一系列周期排列的微小凹槽，可以有效地避免金剛石刀具在切削過程中的“打滑”現(xiàn)象，同時，也有效地增加了金剛石刀具的使用壽命。相比于其他方法，本方法不論在效率、成本及尺寸控制等方面皆表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，為金剛石刀具深加工能夠進行大規(guī)模實用化生產(chǎn)提供了一條可能的途徑。
【附圖說明】
[0035]圖1是待加工的金剛石刀具樣品圖，其中I為環(huán)形孔，2為刀刃；
[0036]圖2為加工系統(tǒng)裝置圖，其中3為三維平移臺，4為旋轉(zhuǎn)軸，5為夾具，6為物鏡，7為飛秒激光，8為環(huán)形金剛石刀具，9為圓柱形支撐棒；
[0037]圖3為深加工好的金剛石刀具示意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述:
[0039]—種基于飛秒激光制備技術(shù)的金剛石刀具的深加工方法。圖1反應(yīng)了待加工的環(huán)形金剛石刀具，其中I為環(huán)形孔，2為刃口。為得到在刃口上分布有周期性微小凹槽的金剛石刀具，選用的待加工樣品的直徑為2毫米。
[0040]加工系統(tǒng)示意圖如圖2所示:包括驅(qū)動部件和飛秒激光直寫部件；
[0041]驅(qū)動部件包括具有旋轉(zhuǎn)軸的三維平移臺3、固定在三維平移臺3旋轉(zhuǎn)軸上的夾具
5、一端固定在夾具5上的圓柱形支撐棒9;圓柱形支撐棒用于固定毫米以及亞毫米量級環(huán)形金剛石刀具8 ;三維平移臺可帶動支撐棒沿自身中心軸方向移動及繞自身中心軸回轉(zhuǎn)；
[00