1、超精密加工技術文獻綜述楊雪情1 （1.江蘇大學機械工程學院 江蘇 鎮江212013 ） 摘要： 天然單晶金剛石具有極高硬度和強度、超高耐磨性、極好導熱性、能刃磨出鋒利的刃口等一系列優異性能，使其成為超精密加工中不可代替的刀具材料。然而，這些特點也導致了天然金剛石晶體加工效率低、損耗大、分割質量不穩定等各種加工難題。這限制了天然金剛石晶體的利用率，使刀具的成本居高不下，制約了超精密加工技術發展。因此，高效率高質量的分割天然單晶金剛石已成為天然金剛石刀具制造的重要基礎技術之一。 關鍵詞：天然金剛石道具；激光切割；Literature Review of Ultra-precision Machin

2、ing Yang Xueqing 1(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang,Jiangsu212013) Abstract: Natural diamond has a series of outstanding performances like high hardness and strength, great wear resistance, excellent thermal conductivity, minimum blade edges radius, etc, which make Nat

3、ural diamond an irreplaceable tool materials in ultra-precision machining. Nevertheless, these qualities of natural diamond result in some disadvantages in machining it, for example, the efficiency of processing is very low, the loss during processing it is high and the consequence of segmentation i

4、s unstable. These problems have increased the cost of the natural diamond tools and seriously hampered the development of ultra-precision machining by limiting the utilization of natural diamond crystals. Therefore, the key technology about how to segment natural diamond with a high-quality and effi

5、ciently is becoming more and more important in fabricating natural diamond tools.Keywords: natural diamond tools, laser cutting 0引言隨著機械、光學、航空、航天、軍事等領域的科學技術發展，對零件的形狀精度、表面質量、穩定性和可靠性、產品性能提出了更高要求，超精密加工技術應運而生。超精密車削作為超精密加工技術的重要組成部分，在國防和尖端科技中起著重要作用。天然單晶金剛石擁有極高硬度、耐磨性好、強度高、極好的導熱性、能刃磨出鋒利的刃口等一系列優異的性能，使其成為超精密切削

6、中理想的、不可代替的刀具材料。 然而，金剛石晶體具有高硬度、脆性高、強烈的各向異性等不利于機械加工的特點，使得分割效率低、損耗大、質量不穩定，在很大程度上降低了金剛石晶體的利用率，使刀具的成本居高不下，嚴重制約了超精密車削技術的發展。金剛石刀具的制備在我國研究起步較晚，因此對天然單晶金剛石切割分離機理等方面的了解欠缺，許多金剛石刀具需要進口。 本課題將以天然金剛石作為研究對象，開展激光切割加工實驗研究。擬從天然金剛石晶體的激光燒蝕閾值入手，進一步研究可提高切割效率和切割表面質量的措施，最終建立天然金剛石刀具的激光切割工藝。該項課題研究對改進和優化天然金剛石的分割方法、研究激光切割理論及提高刀具

7、質量有極其重要的意義。1 國內外發展現狀1.1 國外研究現狀 自1960年第一臺激光器研制成功后以來，國外的激光技術應用一直處于領先地位。美國、日本、德國、意大利等國家已將數控加工機床產業化，他們的激光加工系統也代表了當今世界的最高水平，并利用激光設備優勢對各類金剛石材料、類金剛石材料、單晶硅、單晶鍺甚至常見的諸如玻璃、陶瓷等超硬材料等進行了切割研究。而國外的大型刀具公司，如英國Contour Fine Tooling等，已經開始將此技術應用于工業生產，采用先進的激光數控機床切割金剛石晶體，極大地提高了刀具的生產效率和金剛石晶體的使用率，增大了刀具的附加值。圖1-1是Contour Fine

8、Tooling公司生產的圓弧刃金剛石車刀。圖1-1 Contour Fine Tooling 公司的金剛石刀具Tokarev等人使用準分子激光切割金剛石膜，建立了該加工過程的理論解析模型，對比研究了激光功率、激光入射角度以及激光脈沖數對加工效果的影響。Lin等人通過建立激光燒蝕金剛石的三維溫度分布模型，研究了不同進給速度、功率時金剛石膜表面的石墨損傷層厚度，得到了三維溫度分布模型的一般解后，分析了激光參數對金剛石石墨化和燒蝕深度的影響。他們的理論分析和相關試驗對研究激光切割金剛石材料有一定的指導作用。 Gloor等人使用波長248nm的準分子激光加工 PCD 金剛石，并使用原子力顯微鏡檢測加工

9、孔的深度和寬度。最終加工出了亞微米孔徑的圓孔，并給出了可將孔徑減小的措施。Sudheer等人使用了四種激光器來加工單晶金剛石，研究了波長、光束質量因子、功率密度等參數對加工質量的影響，通過觀測微裂紋的數目及破損率的大小，認為使用調Q的YAG激光器是高效率、高精度、低破損率加工單晶金剛石的首選激光器。此外，國外研究人員還對硅晶體等金剛石結構材料、玻璃、陶瓷等超硬材料的激光切割技術做了大量的研究。Shiuann等人研究了使用 Nd:YAG二倍頻激光器加工硅晶片的工藝，通過分析激光功率密度與槽深、槽寬的關系，得到了實現最大深寬比的最優功率密度，在此基礎上實現了高效率高質量的硅晶片切割。 德國漢諾威激

10、光中心實驗室針對不同脈寬的激光器加工質量做了對比，通過加工大量半導體材料，分析了脈寬對加工質量的影響。實現了使用飛秒、皮秒、納秒激光在硅片上打孔，如圖1-2所示。結果說明脈寬越小，越接近冷加工，加工質量越好。圖 1-2 飛秒、皮秒、納秒激光環切硅片質量1.2 國內本領域發展狀況 我國對激光器的研究基本和國外同步，長春光學精密機械研究所的王之江等人研制的紅寶石激光器僅比梅曼發明的激光器晚了約一年時間。但受制于相關物理理論的發展，在激光切割應用方面與國外仍存在差距，只有少數能夠用于工業生產。 近年來，國內也有一些研究人員開始對激光切割金剛石材料的工藝進行探索和驗證，取得了許多研究成果。王亞等人對

11、CVD 金剛石膜的激光切割工藝進行了研究，分析了激光焦點位置，不同氣體切割環境對金剛石厚膜切割的影響。他們發現在使用激光器切割金剛石膜時，焦點位置對切縫的寬度會產生影響，如圖1-3所示。通過優化激光焦點位置、增加合適光欄、激光功率等參數后，他們獲得了高切割面質量的窄切縫。圖 1-3 不同焦點位置時切縫的比較徐錚等人對CVD金剛石膜的加工工藝進行了探索，分析了激光蝕除金剛石膜的基本規律。通過對金剛石表面進行拉曼光譜分析，得到了不同激光工藝參數對切割質量的影響。發現較小的進給速度可獲得較好的斷面質量，而進給速度提高時則會出現較明顯的切割痕跡，導致斷面質量下降。目前，國內的研究人員對激光切割天然金剛

12、石進行的研究較少。但是國內研究人員對其他超硬材料的激光加工技術進行了許多探索，也建立了許多模型來解釋加工機理。如袁鑫等人27在制備了 SiC 納米晶須時建立了激光照射模型，并使用 ANSYS 對該過程進行了仿真，用以指導實驗中激光參數的選擇。Xie X 等人進行了激光加工藍寶石的研究，分析了激光功率、進給速度、重復頻率、掃描次數等參數與槽深槽寬的關系，給出了優化的工藝參數，并證明了激光切割是藍寶石的極佳切割工藝。2 激光切割在金剛石刀具制造中的應用 2.1 引言由于激光器精度問題，切割出的金剛石不能達到直接使用要求，但是通過激光切割將金剛石粗加工至預定的輪廓后再使用常規工藝進行加工，也將極大的

13、提升總體加工效率。激光加工可以實現較復雜軌跡的切割，若需要某些特定形狀的金剛石，或者需要去除較大體積的金剛石時，可以考慮使用激光進行預切，只要預留一定的余量即可，然后再使用專用刃磨機進行精磨，這樣可以極大的節約時間，降低加工成本。2.2 圓弧刃車刀粗加工將完整的金剛石顆粒切割開后，會得到兩個錐形的金剛石。通過粗磨工藝將金剛石磨掉切割損傷層，并進行定向后使用釬焊工藝將金剛石焊接在刀柄上，即可得到金剛石刀具的毛坯件，如圖2-1所示。 面對不同的加工需求，需要對刀具進行特定的設計。例如在超精密加工時，為了控制加工表面的粗糙度，經常使用圓弧刃金剛石車刀，并且要保證圓弧刃車刀的刀尖圓弧圓度。而在金剛石刀

14、具的毛坯件上直接刃磨出圓弧，將會耗費較多的人力物力，且由于金剛石強烈的各向異性和超硬特性，不容易刃磨出較好的圓弧輪廓。圖2-1 金剛石刀具毛胚使用激光加工可以較好的解決這個問題，在 AUTOCAD 中將需要加工的圓弧設計出來后導出到激光切割軟件 PROCESS 中，設置好激光參數和工作臺參數后就可以進行切割。需要注意的是，在AUTOCAD中設計刀具形狀應按照 1:1 比例設計，并使刀具圓弧圓心與坐標系重合，以減少在 PROCESS 軟件中進行坐標系偏移等操作。圖 2-2 是激光器在加工圓弧刃金剛石車刀。圖2-2 使用激光切割圓弧刃車刀使用光學顯微鏡檢測切割后的刀尖形貌，發現激光切割去除了后續需

15、刃磨的金剛石，刀尖圓弧形狀非常規則，適合進行精磨工序。2.3 微銑刀粗加工在微細銑削加工某些微結構、微小傳感器部件時會用到微銑刀進行加工。目前，該技術領域使用的微銑刀多為硬質合金材質，刀頭和刀柄材料一致，回轉半徑從0.1mm-1mm不等。但由于刀具材料的硬度、導熱性能、抗磨損性等限制，加工質量仍待提高。相比較而言，天然金剛石微銑刀的切削性能優于硬質合金，能夠實現高質量的銑削加工。但由于金剛石微銑刀的制造工藝復雜，技術難度大，成本較高，國內研究也較少。天然金剛石微銑刀是通過釬焊工藝將正六面體的金剛石顆粒焊接在碳化鎢刀柄上，如圖2-3所示。圖2-3 天然金剛石微銑刀毛胚碳化鎢作為常見的銑刀材料，其

16、硬度非常大，加工困難。需要使用激光在其頂端打上小孔，用于安放金剛石及焊料。激光在切割碳化鎢時，功率相對較大，可提高壓縮空氣的壓力將熔融殘渣及時吹出。由于金剛石顆粒尺寸限制，在釬焊工藝中焊接面非常小，故使用磨刀機對其進行研磨時必須降低研磨壓力，且進給量不能太大。 將微銑刀與研磨盤按照圖2-4所示位姿布置時，由于焊接面積相對較小，在焊接邊緣承受較大的應力，導致研磨過程中容易與刀柄脫落。同時，由于機床振動以及研磨時發熱量大也會導致焊接面松脫，使加工出的微銑刀存在某些缺陷。所以，在進行刃磨微銑刀時，需要控制進給量和研磨壓力，這將導致刃磨微銑刀的過程十分耗時，而且效率低，成本相對提高。圖2-4 金剛石微

17、銑刀研磨示意圖若能使用激光切割出微銑刀的輪廓，切掉在刃磨時需要去除的大部分晶體，再使用磨刀機將預留余量精磨掉，可以極大的提高加工效率。但是，激光切割的質量需要控制在允許范圍內。 考慮到金剛石與銑刀柄的導熱能力差異較大，若激光作用在金剛石上的時間過長，可能會因金剛石體積較小引起熱量堆積在焊接面，導致焊料融化，金剛石在壓縮空氣的作用下脫落。故在激光粗切微銑刀時必須加入必要的空行程，給金剛石必要的散熱時間。另外，應將壓縮空氣的壓強適當增大，增加壓縮氣體帶走的熱量，提高對流換熱。 加工時，將金剛石微銑刀裝夾在小型三爪卡盤上，如圖2-5的左圖所示，三爪卡盤可以通過步進電機進行指定角度的旋轉。為了提高加工

18、精度，需要使用百分表進行三爪卡盤的調心，保證微銑刀在回轉時不產生過大跳動。激光垂直作用在微銑刀端部的金剛石上，將激光焦距聚焦在事先磨好的定位面上，按設計要求旋轉特定角度后就可以開始加工。加工軌跡如圖2-5右圖所示的三角形所示，其中實線部分是加工行程，而虛線部分則是空行程。激光實際作用時間小于空行程時間，雖然會降低加工效率，但保證了金剛石有足夠的時間散熱，減低了金剛石松脫的可能性。圖2-5 金剛石微銑刀裝卡及切割軌跡利用超景深顯微鏡可以檢測激光切出的微銑刀毛坯形狀，并可以給出深度值如圖2-6所示。從檢測圖像上可以看出焊接后金剛石高度在550m左右。在切割面高度幾乎一致，雖存在明顯的條紋，但能滿足

19、粗加工需求。與定位面的60夾角比較準確，去除了大部分需研磨的材料，最大切割深度大于700m。圖2-6 激光切割微銑刀后檢測圖圖2-7為激光切割微銑刀后的各角度立體圖，從立體圖上可以更清楚的看出激光切割的斷面平整，不存在炸裂現象，側面與底面垂直，切割質量較高。由于切割后金剛石表面有熱損傷層，包含石墨、無定形碳等物質，呈現黑色的斷面。圖2-7 激光切割微銑刀后各角度立體圖正常情況下，為了保證金剛石在研磨過程中不脫落，進給量取值較小。使用刃磨機研磨出該形狀同等深度的切口大約需要數小時，而在使用激光器切割此切口時，耗時大約為30分鐘。所以，在找出定位面后，首先使用激光對微銑刀進行粗加工，將大部分多余晶

20、體去除。加工出設計刀頭形狀的毛坯后，再使用刃磨機進行精磨，去除余量并出刃，將會極大的縮短刃磨時間，提高加工效率，降低加工成本。2.4 微結構加工本節嘗試在金剛石上加工部分微結構，例如微孔、圓錐、棱錐、圓柱等。這些微結構可以用在金剛石壓頭等產品上。 圖2-8是使用激光器在金剛石上加工微孔的超景深檢測圖像。微孔直徑為500m，深度為200m左右。最終得到的孔圓度較高，且深度方向上變化明顯。圖2-8 在天然金剛石上加工微孔圖2-9是使用激光器在天然金剛石上加工微圓臺的效果圖。在微圓臺加工時，需要控制激光器在遠離圓心的位置去除掉更多的材料。從超景深檢測圖像中可以看到微圓臺的底面直徑為550m，而深度為

21、260m左右。圖2-9 在天然金剛石上加工微圓臺通過測量其截面的深度變化，可以得到圖2-10所示的曲線。從曲線中可以看出圓臺結構基本符合要求，但是由于激光不穩定等原因，在某些區域深度發生了較大變化。在加工微結構時，激光器的穩定性對微結構的影響非常明顯。本激光器適合進行粗加工，而不適合直接進行精加工。故在加工微結構方面，需要使用飛秒或者皮秒激光器，以實現更好的結果。圖2-10 微圓臺截面深度的變化趨勢3 小結天然金剛石以其優異性能在精密、超精密加工中被廣泛使用。將完整天然金剛石晶體按照預定軌跡分割是制作天然金剛石刀具過程中最基礎的一環，該過程也決定金剛石的使用率及制作刀具的質量。所以如何實現高效率高質量的切割天然金剛石是制造金剛石刀具的關鍵技術之一。 本文主要介紹了天然金剛石在刃磨過程中耗時比較多的加工項目，如圓弧刃車刀粗加工、微銑刀粗加工及微結構加工，詳細介紹了激光加工過程中的參數設置。結果表明，激光加工在金剛石刀具加工中有著獨特優勢，有著更高的效率及更好的經濟性，在金剛石刀具加工領域有著廣泛的應用前景。參考文獻：1袁巨龍,張飛虎,戴一帆,等.超精密加工領域科學技術發展研究J.機