激光對(duì)堅(jiān)硬物質(zhì)的材料加工應(yīng)用

1、激光對(duì)堅(jiān)硬物質(zhì)的材料加工應(yīng)用材料到底有多硬？物理加工中的硬度到底有多大？微加工行業(yè)正急切需要使用或生產(chǎn)由超硬材料制成的零件。這帶來了一系列的問題：這些材料如何能以經(jīng)濟(jì)的方式被加工或用來制造高質(zhì)量產(chǎn)品，且同時(shí)又能滿足今天全世界對(duì)環(huán)境的日益關(guān)注？對(duì)于材料來說，“堅(jiān)硬”意味著純金剛石（C）、多晶鉆（PcD）、立方氮化硼（cBN）和氮化硅（Si3N4）這是人類以前所知道的四種最堅(jiān)硬的材料。直到今天它們才被人們新發(fā)現(xiàn)的仍然 材料到底有多硬？物理加工中的硬度到底有多大？微加工行業(yè)正急切需要使用或生產(chǎn)由超硬材料制成的零件。這帶來了一系列的問題：這些材料如何能以經(jīng)濟(jì)的方式被加工或用來制造高質(zhì)量產(chǎn)品，且同時(shí)又能

2、滿足今天全世界對(duì)環(huán)境的日益關(guān)注？ 對(duì)于材料來說，“堅(jiān)硬”意味著純金剛石（C）、多晶鉆（PcD）、立方氮化硼（cBN）和氮化硅（Si3N4）這是人類以前所知道的四種最堅(jiān)硬的材料。直到今天它們才被人們新發(fā)現(xiàn)的仍然罕見的材料所替代，如金剛石納米棒聚合體（ADNR）和超硬富勒烯(C60)。物理意義上的堅(jiān)硬指的是將這些超硬材料成形用于所需的應(yīng)用（如刀具微加工），具有非常復(fù)雜輪廓的對(duì)象，同時(shí)要考慮工藝的經(jīng)濟(jì)性。 目前，較流行的制造方法包括激光、磨削、放電加工EDM，或電化學(xué)加工ECM，也被稱為化學(xué)磨削或濕式蝕刻法。但所有的這些方法都有著不同的缺點(diǎn)。厚材料不能通過干式激光切割，因?yàn)樗鼈儠?huì)在切割區(qū)域附近產(chǎn)生錐

3、形切口以及熱影響區(qū)，從而降低最終產(chǎn)品的質(zhì)量及使用性能。磨削是一種可接受的方法，但速度慢且磨具價(jià)格昂貴，而且同樣會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，此外磨削僅限于線性方向，這使其不適合用于復(fù)雜形狀的加工。EDM是一種已證實(shí)可用的方法，但僅能用于導(dǎo)電材料的加工；此外，EDM速度慢且加工表面不平滑。而ECM的問題在于采用了高腐蝕性的材料，對(duì)健康、安全和環(huán)境造成負(fù)面影響；并且和 EDM一樣，只能用于導(dǎo)電材料加工。 由于除了激光鉆孔之外，金剛石不能用于以上任何一種方法，這里我們將主要著重于刀具行業(yè)三種最常用的材料：PcD, cBN, 和 Si3N4。 PcD是一種使用金剛石微粒和化學(xué)粘合劑混合之后，在高溫高壓環(huán)境下沉積為相

4、干結(jié)構(gòu)的人造材料。它被用于加工不含鐵的材料，如鋁和鋁合金、碳化鎢、陶瓷、石材、塑料、光纖玻璃和木制材料。 而純cBN，或是它的來自PcBN的多晶體，主要用于加工高溫及具有氧化環(huán)境的含鐵材料。PcBN是一種由cBN微粒和陶瓷或金屬觸媒粘合劑在高溫高壓下沉積而成的聚合體。 Si3N4氮化硅是一種具有高抗碎性能的陶瓷材料，因其具有的硬度、熱穩(wěn)定性和抗磨損性能同樣被用于刀具材料。該材料特別被用于高速加工鑄鐵，在加工鋼材的應(yīng)用中，它通常都以化學(xué)氣相沉積方法（CVD）鍍上氮化鈦鍍層，以增強(qiáng)抗化學(xué)腐蝕性。Si3N4 還被用于如高檔滑雪板軸承和燃?xì)庠O(shè)備點(diǎn)火裝置的應(yīng)用中。 將這些材料應(yīng)用于刀具行業(yè)中需要用到前面

5、提到的一種或更多的方法?，F(xiàn)在隨著水導(dǎo)引激光技術(shù)的出現(xiàn)，帶來了一種非常成功的方法。該技術(shù)又被稱為微水刀激光，是由一家瑞士公司Synova設(shè)計(jì)并制造的專利技術(shù)。 微水刀激光技術(shù)采用了低壓、發(fā)絲般細(xì)的水射流（起到類似于光纖的作用），將一束波長(zhǎng)在1064或532納米的緊密聚焦短脈沖高效半導(dǎo)體泵浦固態(tài)Nd:YAG激光束導(dǎo)引至工件上。該組合能有效切割數(shù)公分厚的材料，切口寬度在25到120微米之間（見圖1）。該水射流不僅導(dǎo)引了激光束以避免傳統(tǒng)激光器常見的光束偏離問題出現(xiàn)，同時(shí)也在脈沖間隔時(shí)為切口及周邊區(qū)域提供了足夠的冷卻，因此工件很少或不會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)。 在加工的同時(shí)，水射流將熔融的材料從切口上去除，使切割

6、區(qū)域得以清理。材料表面覆蓋的水膜起到了保護(hù)層的作用，防止了熔融的材料和工件產(chǎn)生粘結(jié)或重鑄現(xiàn)象的發(fā)生。該應(yīng)用中唯一損耗的是去離子水，平均值約1升/小時(shí)，壓力300bar，這在每天24小時(shí)每周7天的生產(chǎn)中非常重要。 具備了所有這些獨(dú)特的能力，激光束能切割復(fù)雜二維形狀的含鐵或不含鐵材料，產(chǎn)生完美的平行切割壁，無毛刺，污損或重鑄。值得注意的是，微水刀激光并不要求材料具有導(dǎo)電性。在切割堅(jiān)硬材料時(shí)，加工臺(tái)尺寸為300300 mm的機(jī)器能以高達(dá)1000 mm/s的速度進(jìn)行切割，絕對(duì)精度為3m，重復(fù)定位精度1m。該微水刀激光加工通過使用Synova的LCS300系列激光切割系統(tǒng)完成。 使用微水刀激光 舉例來說

7、，微水刀激光被用來切割一個(gè)直徑59mm，厚1.6mm，基底材料為碳化鎢，表面為PCD涂層的圓碟。它被切割為36個(gè) 1/4到1/2尺寸的圓片。對(duì)于該應(yīng)用，使用一個(gè)雙脈沖DPSS激光器，采用532nm波長(zhǎng)的激光束，平均功率140W，并且設(shè)備裝配了直徑80m噴嘴。該切割過程以30mm/s的速度進(jìn)行多道模式的加工需要總共60道分別大致以14和16mm/min的速度完成直線和圓弧切割（見圖2和3）。 另外一個(gè)例子是使用cBN刀具從一個(gè)5mm厚的碳化鎢圓碟上切割出圣誕樹形狀的刀片（見圖4）。該切割再次通過產(chǎn)生532nm 波長(zhǎng)光束的雙脈沖DPSS激光器，平均功率140W，配備80m噴嘴的微水刀激光系統(tǒng)完成。

8、加工速度為10mm/s，要求完成220道加工，每個(gè)刀片共需要耗費(fèi)6分鐘完成。 第三個(gè)例子是對(duì)Si3N4 材料進(jìn)行鉆孔。8mm厚的材料被切出一個(gè)直徑3mm的孔。該加工采用產(chǎn)生532nm波長(zhǎng)光束的雙脈沖DPSS激光器，平均功率150W，配備75m微水刀激光噴嘴。該切割在約2分鐘內(nèi)完成，速度為20mm/s，需250道加工。（見圖5和6） 最后，微水刀激光被用來切割內(nèi)部樣本用于展示目的（見圖7）。被加工材料是一個(gè)6cm直徑的圓碟，基底材料為碳化鎢，表面為厚約0.8mm的cBN涂層，總厚度為3.8mm。切口寬度為85m，深度2.6mm，不同切槽間的距離為250m。該應(yīng)用還采用雙脈沖DPSS激光器產(chǎn)生 532nm波長(zhǎng)激光，平均功率140W，配備80m微水刀激光噴嘴。每根切槽的完成需要100道加工，切割速度30mm/s。該實(shí)例特別說明了通過微水刀激光能獲得非常高的深寬比以及完全平行的切割壁。 這四個(gè)例子顯示了微水刀激光技術(shù)在切割超硬材料時(shí)的出色能力。加工速度快，精度高，產(chǎn)生完美的平行切割壁且無熱影響區(qū)。此外，完成的工件無任何毛刺、起邊、污損和沉積現(xiàn)象出現(xiàn)，因此無需進(jìn)