加工超硬材料刀具的方法及其实现技术

本发明专利技术公开了一种加工超硬材料刀具的方法及其实现方式，用超快激光作用在材料时升华现象以及激光产生高温下，气体和超硬材料发生化学反应，例如C+O2=CO2,C+2H2=CH4,联合作用高效加工超硬材料刀具。在至多五轴工件轴，配有测量头和气体喷嘴的至多三轴的激光轴组成的可密闭的数控激光机床内，装夹超硬材料刀具，在软硬件配合下，完成刀具的加工。或者用激光加工超硬材料部分，在另一台数控机床上，完成刀具基体部分的加工。或者加工好刀具基体，钎焊超硬材料，在数控激光机床上完成超硬材料部分的加工。该发明专利技术实现了超硬材料刀具的高效、超精密加工。该发明专利技术也适用于超硬材料其他用途的高效、精密加工。

The method and Realization of machining super hard material tool

The invention discloses a method for processing superhard material tool and its realization way, with effect of ultrafast laser sublimation phenomenon and laser in material produced under high temperature, chemical reaction, gas and super hard materials such as C+O2=CO2, C+2H2=CH4, efficient processing combined effect of super hard material tools. In the most five axis work shaft, a closed CNC laser machine consisting of a measuring head and a gas nozzle at most three axes, is equipped with super hard material cutting tools, and the tool is processed under the cooperation of hardware and software. Or the laser processing of the super hard material part, on another CNC machine tool, the completion of the tool matrix parts processing. Or the tool matrix is processed and the super hard material is brazed, and the super hard material part is finished on the CNC laser machine. The invention has realized the high efficiency and ultra precision machining of the super hard material tool. The invention also applies to high efficiency and precision processing for other uses of superhard materials.

【技术实现步骤摘要】
加工超硬材料刀具的方法及其实现
本专利技术涉及一种激光和化学作用联合使用加工超硬材料刀具的方法，属于机械制造领域和新材料应用领域。该方法加工的超硬材料刀具可用于碳纤维复合材料(CFRP)，陶瓷基复合材料(CMC)，金属基复合材料(MMC)，陶瓷材料，硬质合金，高温合金材料，光学玻璃，有色金属，高分子材料等的精密和超精密加工。
技术介绍
碳纤维复合材料(CFRP)具有比强度大、比刚度大、低热膨胀性、耐热冲击、吸震性好、耐磨性好、良好的抗疲劳性和抗腐蚀等优点，已广泛应用于航空航天、国防军工、新能源等高端装备制造领域。碳纤维复合材料(CFRP)在军用飞机上和民用大型客机上使用量可达到50%。碳纤维复合材料(CFRP)在高速列车上大量应用。风力发电机的叶片由碳纤维复合材料(CFRP)制成，最大叶片长度高达90多米。高效、精密加工技术是制约碳纤维复合材料(CFRP)应用的关键，而超硬材料刀具是实现高效、精密加工的重要手段。碳纤维复合材料(CFRP)的高硬度和高强度造成金刚石涂层刀具的过快磨损，严重影响加工效率和精度。对以碳化硅纤维编织物进行碳化硅涂层强化为代表的陶瓷基复合材料(CMC)，耐温超过2000℃，密度仅有金属合金的1/3，用于发动机引擎，重量轻，燃油效率提高。陶瓷基复合材料CMC高比强度，高比模量，低热膨胀系数，低比重，不易磨损，优良的高温化学稳定性，对裂纹不敏感，不易发生大面积断裂。但是陶瓷基复合材料CMC高硬度，高脆性，低断裂韧性，是难加工材料。陶瓷基复合材料(CMC)，没有相应的刀具实现高效加工，导致很难发挥陶瓷基复合材料(CMC)的高温应用优势。以铝碳化硅为代表的金属基复合材料(MMC)，低密度，高比强度，高比刚度，高比模量，耐磨，耐腐蚀，尺寸稳定性好，导热性良好，热膨胀系数可调等优点。但是陶瓷的高硬度限制了金属基复合材料(MMC)仅能用于形状简单产品，结构复杂的金属基复合材料(MMC)没有合适的刀具完成精细加工，大大限制了其性能的发挥和应用的领域。陶瓷牙冠的制造，依靠微型硬质合金球头铣刀的精细铣削，达到恢复咀嚼功能，美化牙齿目的。金刚石涂层微型硬质合金球头铣刀寿命优于硬质合金铣刀，但是陶瓷粉末的高硬度导致金刚石涂层很快磨损，导致陶瓷牙冠生产效率低，成本高。硬质合金，高温合金材料，光学玻璃，有色金属，高分子材料的高效精密加工由于缺少整体超硬材料刀具，导致效率低，加工质量差，加工周期长。精密和超精密加工技术需要整体超硬材料刀具的支持，以便提高加工效率和加工质量，同时降低制造成本。微电子机械系统（MEMS）也需要高精度的整体超硬材料刀具，实现微结构的精细加。微纳米结构的光学元件，迫切需要微纳米尺度的超硬材料刀具加工。为提高加工效率，保证加工质量，缩短加工周期，满足高效精密超精密加工直至纳米加工要求，需要整体超硬材料刀具及其新的加工方法。在试着加工整体聚晶金刚石铣刀时，发现国外和国内的高质量金刚石砂轮，均不能磨削出排屑螺旋槽。由于金刚石砂轮和聚晶金刚石硬度相当，二者接触时发生滑动，根本无法实现磨削加工。虽然线电极电解磨削可以加工出螺旋槽，但是只针对导电的超硬材料。对于不导电的超硬材料，如单晶金刚石、立方氮化硼，线电极电解磨削不能够实现。金刚石是最硬的物质，其显微硬度可达10000Hv，耐磨性极好，切削刃锋利，刃部粗糙度值小，摩擦系数低，抗黏结性好，热导率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤。以金刚石为代表的超硬材料刀具加工难加工材料，有工效高，刀具寿命长，加工质量好等特点。因此开发整体超硬材料刀具是发挥难加工材料优异物理力学性能，高温稳定性，结构形状复杂性的唯一途径。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种整体超硬材料刀具的加工方法，该方法中超快激光直接气化材料以及高温下气体和超硬材料发生化学反应去除材料相结合，在多轴数控机床上实现整体超硬材料刀具的高效、精密及超精密加工。配备微纳米精度直线位移传感器的气浮或静压直线轴，度秒精度的旋转编码器的气浮或静压回转轴，与矿物铸石床身或高等级整体铸铁床身或花岗岩床身一起，构成微纳米精度的激光多轴数控加工中心，加工微纳米精度的整体超硬材料刀具，进而实现微纳米结构工件的高效加工。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：将真空钎焊的整体超硬材料刀具基体装卡在至多五轴的工件轴上及至多三轴的气体辅助激光加工头和数控测量头构成的可密封数控机床内，根据刀具图纸，在软件和数控系统作用下，高能量激光气蚀作用及高温下超硬材料和辅助气体的化学反应，联合作用完成整体超硬材料刀具的精密加工。或者为发挥激光加工优势，针对整体超硬材料实施激光加工，然后刀具连同夹具一起取出，装卡在多轴机械磨削机床上，完成刀具的基体部分的加工。由于采用通用夹具，因此数控测量头很快确定刀具位置，方便定位和后续加工。对于整体超硬材料的回转类刀具，如：球头铣刀、端铣刀、钻头，刀具装卡在自动式HSK63刀柄接口，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。或者刀具连同夹具一起取出，重新装卡在多轴机械磨削机床上，完成刀具的基体部分的加工。对于整体超硬材料的车刀，内R车刀，外R车刀，刀具装卡在旋转的刀架上，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。或者刀具连同夹具一起取出，重新装卡在多轴机械磨削机床上，完成刀具的基体部分的加工对于整体超硬材料的可转位刀片，刀片装卡在刀片工装上或拉钉系统，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。对于异形整体超硬材料刀具，设计专用夹具和工装，数控测量头确定刀具位置，确定激光参数和气体流量，按照图纸，在程序控制下，在机床内，激光气化作用和高温下气体和超硬材料发生化学反应，联合作用，加速了超硬材料的去除，提高了生产效率，完成刀具的高效加工。为提供加工精度，关闭气体供应，只用激光进行精加工。总之，根据刀具图纸，配备不同工装和卡具，在激光加工机床上完成整体超硬材料刀具的加工，或者取出加工好超硬材料部分的刀具，移入机械磨削机床上完成剩余部分加工，直至完成这个刀具的整体加工。超硬材料的高硬度，以及导电性差，不导电，传统的机械磨削和放电线切割，几乎无法加工整体超硬材料刀具。高能粒子束是加工超硬材料的唯一手段，其中激光，尤其是超快激光，具有能量密度高，作用时间短，几乎无热影响区等特点，是超硬材料高效加工的首选。在激光气化超硬材料瞬时高温下，气体与超硬材料发生化学反应，加速了材料的去除。激光直接气化材料和瞬时高温下气体和超硬材料的化学反应，联合作用，提高了超硬材料的去除速度。该专利技术彻底解决了传统本文档来自技高网...

【技术保护点】
加工超硬材料刀具的方法，通过以下步骤实现:(1)准备超硬材料刀具的基体；(2)将整体超硬材料真空钎焊在基体上；(3)将带有整体超硬材料的基体装卡在至多五轴工件轴上和至多三轴气体辅助激光加工头及数控测量头组成的可密闭数控机床内；(4)根据图纸，在程序控制下，调整激光斑点大小和位置；(5)根据图纸，在程序控制下，激光蚀刻及高温下气体和超硬材料发生化学反应，双重作用，高效率完成刀具的粗加工；或精加工；(6)关闭气体供应，再次调整激光斑点大小和位置，对刀具精加工，到成品刀具尺寸；或者只精加工超硬材料部分到图纸要求尺寸；(7)或者连同刀具夹具一起取出，放在至多五轴联动机械磨削机床上，测量头确定加工位置，对基体加工，完成整个刀具的制造。

【技术特征摘要】
1.加工超硬材料刀具的方法，通过以下步骤实现:(1)准备超硬材料刀具的基体；(2)将整体超硬材料真空钎焊在基体上；(3)将带有整体超硬材料的基体装卡在至多五轴工件轴上和至多三轴气体辅助激光加工头及数控测量头组成的可密闭数控机床内；(4)根据图纸，在程序控制下，调整激光斑点大小和位置；(5)根据图纸，在程序控制下，激光蚀刻及高温下气体和超硬材料发生化学反应，双重作用，高效率完成刀具的粗加工；或精加工；(6)关闭气体供应，再次调整激光斑点大小和位置，对刀具精加工，到成品刀具尺寸；或者只精加工超硬材料部分到图纸要求尺寸；(7)或者连同刀具夹具一起取出，放在至多五轴联动机械磨削机床上，测量头确定加工位置，对基体加工，完成整个刀具的制造。2.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的基体是硬质合金、高速钢。3.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的整体超硬材料是单晶立方氮化硼、聚晶立方氮化硼、聚晶金刚石、单晶金刚石。4.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的机床是直线轴分辨率微米级至纳米精度，回转轴的分辨率是度秒精度。5.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的机床配置数控测头。6.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的气体是高纯氧气，高纯氢气。7.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光是超快脉冲激光。8.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光是绿色激光器，紫外激光器，深紫外激光器。9.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光波长是1064nm，532nm，，355nm，266nm，174nm等。10.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的激光加工头是光纤激光头，紫外二极管泵浦固体激光器，深紫外二极管泵浦固体激光器。11.根据权利要求1所述的基于加工超硬材料刀具方法，其特征在于：所述的整体超硬材料刀具是回转类刀具，如：钻头、球头铣刀、端铣刀；内R车刀，外R车刀，车刀，可转位刀片。12.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓嗣，
申请(专利权)人：天津开发区天地信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12