激光對堅硬物質的材料加工應用

1、激光對堅硬物質的材料加工應用材料到底有多硬？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濟的方式被加工或用來制造高質量產品，且同時又能滿足今天全世界對環(huán)境的日益關注？對于材料來說，“堅硬”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硬的材料。直到今天它們才被人們新發(fā)現的仍然 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濟的方式被加工或用來制造高質量產品，且同時又能

2、滿足今天全世界對環(huán)境的日益關注？ 對于材料來說，“堅硬”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硬的材料。直到今天它們才被人們新發(fā)現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)。物理意義上的堅硬指的是將這些超硬材料成形用于所需的應用（如刀具微加工），具有非常復雜輪廓的對象，同時要考慮工藝的經濟性。 目前，較流行的制造方法包括激光、磨削、放電加工EDM，或電化學加工ECM，也被稱為化學磨削或濕式蝕刻法。但所有的這些方法都有著不同的缺點。厚材料不能通過干式激光切割，因為它們會在切割區(qū)域附近產生錐

3、形切口以及熱影響區(qū)，從而降低最終產品的質量及使用性能。磨削是一種可接受的方法，但速度慢且磨具價格昂貴，而且同樣會產生熱影響區(qū)，此外磨削僅限于線性方向，這使其不適合用于復雜形狀的加工。EDM是一種已證實可用的方法，但僅能用于導電材料的加工；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，對健康、安全和環(huán)境造成負面影響；并且和 EDM一樣，只能用于導電材料加工。 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粘合劑混合之后，在高溫高壓環(huán)境下沉積為相

4、干結構的人造材料。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，在加工鋼材的應用中，它通常都以化學氣相沉積方法（CVD）鍍上氮化鈦鍍層，以增強抗化學腐蝕性。Si3N4 還被用于如高檔滑雪板軸承和燃氣設備點火裝置的應用中。 將這些材料應用于刀具行業(yè)中需要用到前面

5、提到的一種或更多的方法?，F在隨著水導引激光技術的出現，帶來了一種非常成功的方法。該技術又被稱為微水刀激光，是由一家瑞士公司Synova設計并制造的專利技術。 微水刀激光技術采用了低壓、發(fā)絲般細的水射流（起到類似于光纖的作用），將一束波長在1064或532納米的緊密聚焦短脈沖高效半導體泵浦固態(tài)Nd:YAG激光束導引至工件上。該組合能有效切割數公分厚的材料，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，同時也在脈沖間隔時為切口及周邊區(qū)域提供了足夠的冷卻，因此工件很少或不會產生熱影響區(qū)。 在加工的同時，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層的作用，防止了熔融的材料和工件產生粘結或重鑄現象的發(fā)生。該應用中唯一損耗的是去離子水，平均值約1升/小時，壓力300bar，這在每天24小時每周7天的生產中非常重要。 具備了所有這些獨特的能力，激光束能切割復雜二維形狀的含鐵或不含鐵材料，產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電性。在切割堅硬材料時，加工臺尺寸為300300 mm的機器能以高達1000 mm/s的速度進行切割，絕對精度為3m，重復定位精度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 1/4到1/2尺寸的圓片。對于該應用，使用一個雙脈沖DPSS激光器，采用532nm波長的激光束，平均功率140W，并且設備裝配了直徑80m噴嘴。該切割過程以30mm/s的速度進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）。 另外一個例子是使用cBN刀具從一個5mm厚的碳化鎢圓碟上切割出圣誕樹形狀的刀片（見圖4）。該切割再次通過產生532nm 波長光束的雙脈沖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，每個刀片共需要耗費6分鐘完成。 第三個例子是對Si3N4 材料進行鉆孔。8mm厚的材料被切出一個直徑3mm的孔。該加工采用產生532nm波長光束的雙脈沖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部樣本用于展示目的（見圖7）。被加工材料是一個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。該應用還采用雙脈沖DPSS激光器產生 532nm波長激光，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。 這四個例子顯示了微水刀激光技術在切割超硬材料時的出色能力。加工速度快，精度高，產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、污損和沉積現象出現，因此無需進