超硬刀具三维廓形的激光烧蚀加工
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激光烧蚀是一种比较新颖的加工工艺,在超硬材料(包括已知最硬的金刚石)的三维廓形精密加工领域极具发展潜力。
对于刀具制造商来说,加工PCD、PCBN、硬质合金和陶瓷刀具的三维廓形(如断屑台的几何形状)是一种独特的挑战。这些挑战限制了超硬刀具的盈利能力及其廓形的尺寸精度。
放电加工(EDM)是制备超硬刀具三维廓形最常用的加工方法,但该方法存在一些缺陷,如对工具电极磨损量的限制、加工周期长、只能加工导电材料等。
激光烧蚀加工是一种颇具吸引力的EDM替代工艺。由于该工艺无需对工具磨损进行补偿,同时又能提高材料去除率,因此非常适合加工三维廓形。此外,激光烧蚀不要求工件材料具有导电性,因此可以加工陶瓷和其他非导电材料。该方法可用于加工超硬刀具的断屑台、冲压模具的廓形,以及切削刀片上用于夹持定位和锁紧的各种几何形状。
激光烧蚀是通过烧除方式或气化方式从工件表面去除材料。烧除加工时,激光束沿着连续路径对工件表面进行烧除,与典型的雕刻或切削加工类似。气化加工则是利用激光脉冲,将特定位置的工件材料气化,从而在工件上形成小的凹腔。
凹腔尺寸是激光束尺寸及其焦点直径的函数。激光的功率越大,加工出的凹腔尺寸就越大,材料去除率也越高。然而,这并不意味着激光功率越大越好。确定激光束尺寸还必须考虑加工机床的其他性能,以及被加工廓形的尺寸精度和表面光洁度要求。
德国Wendt公司生产的Spectra 820型激光加工中心采用位置固定的二极管泵浦固体激光器,其激光束具有很高的聚焦精度,可形成20μm的焦点直径,这意味着它能加工出直径约20μm、深度约10μm的凹腔。凹腔深度可能会影响加工表面光洁度。通过调控激光的脉冲模式,可以控制凹腔深度。Wendt公司开发了“纳米定点技术”算法来控制激光脉冲模式,根据被加工廓形的不同特点,X轴、Y轴和Z轴的运动方式也各不相同。
Spectra激光加工中心的光源位置保持不变,位于激光束下方的工件则按编程路径移动。在典型的激光加工中,工件的移动加速度超过3g。加工尺寸精度可达±0.010μm,并可获得与精磨加工类似的材料去除率和表面光洁度。与加工参数(如砂轮直径、砂轮速度)不断变化和相互影响的磨削加工不同,激光烧蚀的加工参数具有可预测性,而且不会相互影响。
材料去除率受到激光脉冲频率和模式的控制。由于每个激光脉冲都会气化掉一小块工件材料,因此激光脉冲的频率越高,材料去除率也越高。Spectra激光加工中心的程控脉冲频率范围为0-100 kHz,为了获得良好的表面光洁度,通常采用全频率范围加工。表面光洁度是激光脉冲频率和机床轴运动的函数,二者均可根据刀具的几何廓形要求进行调整。
被加工刀具廓形或断屑台几何形状对材料去除率影响很大。Spectra加工中心采用一种“迂曲”编程技术来去除工件材料。用该技术加工时,激光束下的工件沿Y轴的直线路径前后移动。当激光束加工到刀具廓形的终点时,工件就会沿X轴横移到下一行加工位置,并再次开始沿Y轴前后移动。工件以这种方式持续逐行移动,直至完成对整个表面的烧蚀加工。然后,激光束沿Z轴下降一定高度,在下一个水平面上进行加工。
简言之,Spectra机床的加工方式是:工件按编程路径逐行平移,而激光束则逐层向下移动,直至完全加工出整个廓形。如果被加工廓形上有断屑台设计中常见的岛状凸起,则应采用优化的材料去除策略,以缩短加工循环时间。典型的材料去除策略包括“跳越功能”(即从岛状凸起上方跳过,在跳越路径比绕过凸起部位的加工路径更短时采用)和“捷径功能”(即由加工软件来规划通过不同几何元素的最短路径,即使操作人员编制的程序路径可能与此不同)。一旦开启这些功能,它们就能自动运行。
工件材料的硬度也会影响材料去除率。不过,虽然硬质合金、陶瓷、PCD和PCBN 材料的硬度各不相同,但其材料去除率相互之间差别不大,这是因为材料硬度必须相差悬殊(如硬质合金相对于低碳钢),才会对材料去除率产生较大影响。
在激光烧蚀加工中,表面光洁度(或表面完整性)也具有可控性——正如前面提到的,聚焦质量和激光功率可以控制表面光洁度。此外,用Spectra软件选择加工参数也会影响表面光洁度。通过调控激光功率、脉冲频率、脉冲模式和软件特性,PCD和PCBN刀具的加工表面粗糙度可达到Ra0.2μm,硬质合金刀具的表面粗糙度可达到Ra0.45μm。
激光烧蚀是一种比较新颖的加工工艺,在超硬材料(包括已知最硬的金刚石)的三维廓形精密加工领域极具发展潜力。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2014-5-7 10:39:24

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