激光烧蚀拯救超硬刀具
除了硬质合金、陶瓷和金属陶瓷之外，创造尽可能坚硬的切削刀具材料的动力给了我们 PCD、PCBN 的字母汤、CVD-D 和 MCD（分别为多晶金刚石、多晶立方氮化硼、化学气相沉积金刚石和单晶金刚石）。后一种材料属于已知的最硬材料，无论是天然材料还是人造材料，因此它们极难加工成可用的切削工具几何形状。但新的激光技术提供了有吸引力的解决方案。
磨削和腐蚀有其局限性
PCD 和 PCBN 是最常用的超硬切削刀具材料。 （“超硬”是指在维氏测试中硬度值超过 40 吉帕。）两者都可以研磨或腐蚀，因此激光不是唯一的选择，但早期的方法有局限性。
顾名思义，PCD 和 PCBN 刀具工具是由成千上万个用粘合剂结合在一起的微小晶体制成的，通常是钴。最坚硬的砂轮（“超级磨料”）也是用金刚石或 PCBN 晶体制成的。如您所料，用金刚石研磨金刚石本来就很慢且难以控制。尽管针对这些问题的最复杂的解决方案可以生产出具有极佳表面光洁度的工具，但磨削无法在 PCD 或 PCBN 中生产出完美锋利的切削刃。这是因为砂轮将边缘处的 PCD/PCBN 晶体拉走，因此边缘不能比 PCB/PCBN 的晶粒尺寸更光滑。磨削切削刃上通常需要的那种微小半径实际上也是不可能的。
侵蚀可以更快地塑造 PCD 和 PCBN 刀具，但会产生较差的表面光洁度并且不会没有更好的边缘。那是因为 PCD 和 PCBN（或其他超硬材料）都不适合演绎的。侵蚀使用微小的电火花来烧掉材料，但它是 PCD/PCBN 工具中的导电钴粘合剂被去除，留下相对有凹痕的表面。因此，表面光洁度质量受晶粒尺寸的限制。同样，生产具有侵蚀性的高质量 PCD/PCBN 工具需要细晶粒 PCD/PCBN。
激光直接切穿金刚石以获得更好的边缘和光洁度
激光改变了这一切。激光束可以切割 PCD 和 PCBN 晶体（不仅仅是粘合剂），从而产生更锋利的边缘和出色的光洁度。激光还可以切割超出研磨和腐蚀能力的其他超硬材料，如 CVD-D 和 MCD。但不仅仅是任何激光。
3D激光烧蚀是数百万次重叠脉冲发射的结果。激光脉冲可以瞄准与波长一样小的点，或介于约 500 和 1000 纳米之间，并且本文讨论的激光器具有数百 kHz 至 1 MHz 的重复率。As PhotoMachining Inc.（新罕布什尔州佩勒姆）的 Ronald D. Schaeffer 博士解释说，在为给定应用设计激光器时需要考虑三个关键因素：光的波长、激光脉冲的重复率和每个脉冲的持续时间。事实证明，最后一个因素是激光能否切割所有相关材料的关键决定因素。 Schaeffer 说：“一般来说，红外激光具有长波长和长脉冲持续时间，并通过热机制将能量传递给材料，使其更适合焊接等应用。紫外 [UV] 光中的光子与大多数分子中的电子键相互作用，无需加热即可实现烧蚀他材料。这使它们更适合微加工。”但是，尽管紫外线光子与任何形式的碳（包括金刚石）相互作用都很好，但紫外线激光速度太慢，不符合成本效益，而且它们只能用于非常薄的材料。更重要的是，其他波长通常根本不会与 CVD-D、MCD 或天然金刚石相互作用。
短脉冲导致峰值功率强度
在“正常”脉冲长度（每个脉冲大约 50 纳秒或更长）、CVD-D、MCD 和天然钻石实际上是透明的。另一方面，超短脉冲激光器（即脉冲持续时间低于约 1 纳秒的激光器）的物理特性发生了变化。越短越好，因为激光脉冲的峰值功率与脉冲长度成反比。
1 纳秒等于 1 x 10-9 秒，1 皮秒等于 1 x 10-12 秒，所以数字变得有点令人难以置信。具有标称值的纳秒激光器50 瓦的额定功率将通过每个微小脉冲提供千瓦的能量。 （确切的瓦数还取决于脉冲频率，强度会根据焦斑的大小而变化。）在所有其他因素相同的情况下，皮秒激光器的功率将是纳秒激光器的 1000 倍，具有峰值脉冲在兆瓦。
一般来说，皮秒激光可以切割现在用于模具的所有超硬材料，而纳秒激光在 PCD 和 PCBN 上表现出色，但适用性有限其他材料。更具体地说，Schaeffer 说，脉冲持续时间低于 10 皮秒的激光器是“非波长特定的”，而高于这一点时，您会开始看到其他透明材料在吸收方面的微小差异，具体取决于波长。
皮秒激光还可以使材料升华，直接将其从固体转化为气体，无需任何透射将热能传递到材料中。即使在 PCD 和 PCBN 上，纳秒激光也会先加热并熔化材料，然后再将其蒸发，尽管是在非常小的范围内。在实践中，这种激光通常会加热一个区域，在该区域周围形成等离子体，然后材料蒸发。纳秒与皮秒
正如 EWAG AG 工艺技术主管 Claus Dold 所解释的那样，“您不能使用纳秒激光切割纯金刚石，因为它会透明的。 [EWAG 是 United Grinding 集团的一部分，其美国总部位于俄亥俄州迈阿密斯堡。]但是，如果您尝试切割 MCD-Yellow，例如，使用 532 MHz 的光会吸收 10-12%纳秒脉冲。那是因为里面有氮气等元素可以吸收辐射。这足以启动该过程。一旦你烧蚀了一点钻石，你就把它石墨化了。石墨吸收所有辐射。所以一旦这个过程开始你可以切割这种材料。这样做的问题是你会受到热损伤，这可能会导致切削刃出现缺陷。”
差异很难衡量，而且玩家之间存在一些秘密。例如，Rollomatic（瑞士 Le Landeron，美国总部位于伊利诺伊州 Mundelein）不会说明他们的 LaserSmart 500 机器使用什么激光器。但他们的机器产品销售经理 Sven Peter 表示，它“在 PCD、MCD 和 CVD-D 的切削刃上实现了 0.1µm Ra 的表面光洁度，具有非常薄的热影响区。”他补充说，碳化物的 Ra 仅“略高”。
在超硬材料中，来自纳秒激光的脉冲会先加热，然后熔化和蒸发材料化，通常与等离子体形成相结合。皮秒激光将升华材料（将固体直接转化为气体），几乎没有或没有热传递。EWAG 的 Laser Line Ultra 使用皮秒激光，似乎同样擅长超硬合成材料金刚石和硬质合金，还有一个额外的好处，即几乎不加热就可以去除材料。 “还有一些余热，”多尔德说。 “但还不足以使材料石墨化。热影响区是检测不到的，我们可以用拉曼光谱来证明这一点。我们没有看到任何石墨。” Dold 说 EWAG“保证了 0.2 微米的表面光洁度 Ra。降低取决于材料。”
因此，根据您的产品组合和工具公差，您可能会发现纳秒级系统是可以接受的。 （EWAG 还提供一种纳秒机器，即 Laser Line Precision。）如您所料，皮秒激光器要贵得多，t尽管所有激光技术的价格都呈下降趋势，也许成本差异将不再是一个因素。
工具磨削力学与激光力学
当然，实际上，去除大量材料以创建切削工具需要数百万个重叠的激光脉冲。因此，这些系统具有检流计，可以在 X-Y 平面上快速移动脉冲穿过大约 50 x 50 毫米的正方形。扫描仪还可以在需要时更改 Z 方向的焦点位置。除此之外，机器还使用五个机械轴对工件进行定位。因此，您可以说这些是八轴机床（三个光学机床和五个机械机床）。
不出所料，EWAG 和 Rollomatic 是将激光烧蚀用于超硬刀具制造的两个领导者, 以制造非常精密的工具磨床而闻名。这些经验中的大部分都可以直接应用，而某些领域则启用甚至需要不同的思维方式。例如，多尔德说隔离振动和设计短而硬的光束路径的光学元件对于确保正确的光束对准至关重要。围绕磨削主轴进行设计也是如此。
刀具磨削在运动学、工件夹持、温度控制、刀具几何形状和软件方面的经验都是必不可少的。但在这些方面存在差异。例如，尽管 Rollomatic 不以其他方式制造带有直线电机的机器，但 LaserSmart 为 X 和 Y 使用直线电机，为两个旋转轴使用力矩电机。 Peter 说，除了卓越的精度外，只有线性/力矩电机才能提供有效创建小半径和类似特征所需的速度和加速度。 EWAG 在所有机械轴上都使用线性/力矩电机。
另一方面，Rollomatic 开始在 LaserSmart 上使用其备受推崇的 V 型块刀柄系统，但由于激光加工不会传递工具上的任何显着压力（没有毕竟磨削力），该公司可以使用标准夹头系统或（更常见）标准 HSK63 刀柄取得出色的效果。 EWAG 也是如此。当然，两家公司都必须去除工具上散发出的蒸汽，而不是处理冷却剂和雾气。排空和过滤蒸汽可防止激光衍射，同时工艺继续进行，并保持车间的健康环境。
用一个有趣的类比来打磨外径上的轮面，EWAG通过使用激光束的侧面实现极其精细的表面处理，基本上只使用一行光子。他们称之为“切向加工”。多尔德说：“烧蚀钻石必须产生的自由电子数量是 10 的 21 次方，这同样适用于光子。对于典型的切削刀具应用，我们从粗加工开始，去除相当多的材料——在 0.1 到 0.2 毫米的范围内。然后为了完成我们会切换到我们使用光束侧面的切向加工。优点是你可以用它做非常精细的表面。但材料去除率几乎为零。”
Rollomatic LaserSmart 500 和 EWAG 激光线Ultra：该领域的两个主要竞争者。 Ultra 使用皮秒激光，而 EWAG 还提供称为 Precision 的纳秒版本。每个人都同意，要在超硬工具中获得良好效果，需要的不仅仅是“激光”。 “关键，”Peter 说，“是提供一个完整的过程，将优秀的机械与引导光束、控制脉冲、在工具表面重叠脉冲、在加工过程中转动工具等的最佳方法结合起来。”因为这个亲Cess 与工具磨削有很大不同，Dold 说，“EWAG 的策略是解释事情是如何工作的，以及为什么有些事情工作得更好，这样客户就能够制造他想要的任何东西。我们认为，人们越快了解激光可以为他们做什么，市场就会增长得越快。”
惊人的结果
当一切放在一起时，结果可以是惊人的。两家公司都表示，他们的机器可以可靠地提供一微米半径的锋利切削刃。虽然切削刀具领域的一般做法表明，极其锋利的刀刃很脆，需要倒圆角才能达到令人满意的刀具寿命（称为刀刃准备），但彼得说，如果你能保证一致的刀刃（即没有任何崩刃） ，一种极其锋利的工具在许多应用中表现更好。
同样重要且更具挑战性的是，这些机器还可以控制切削刃以提供 spe对于那些性能更好的应用程序，特定和准确的边缘圆度。他们可以沿着边缘提供任何宽度的一致圆形区域。激光技术还能够制造断屑槽和其他特征，而这些特征几乎不可能用任何其他方法在 PCD 和其他超硬材料中制造。成品工具的轮廓精度在 ±3 µm 范围内。 Rollomatic 客户报告的精度高达 ±2 微米。
下一步是什么？
Peter 说大多数用户正在使用激光生产相同的工具设计，他们本可以这样做使用传统方法，但“激光的卓越边缘质量和清晰度将使工具制造商能够开发具有更高性能的新工具几何形状。” Peter 还建议，激光切割几乎任何东西的能力让设计师可以自由地考虑全新的材料，并且在这种发展的行业中有传言s.
Dold 表示，虽然激光烧蚀在刀具生产中的最初推动力是针对 CVD-D 刀具，但主要市场仍然是 PCD。 “但这是一个新领域，每个人都在研究它。有人说，只要工具持续使用，纳秒激光在 MCD 中造成的热损伤是可以接受的，并且他们使用这种方法。话又说回来，这两个系统的价格都在下降。所以我们拭目以待。”
United Grinding North America 刀具部门（俄亥俄州迈阿密）副总裁 Markus Stolmar 以一种有趣的方式表示，他看到了激光技术的更多市场潜力在硬质合金市场比超硬工具市场。 “超硬市场仍将很小，”他说。 “但激光能够创造出清晰的边缘和特殊的表面光洁度，包括排斥切屑的表面，这可能会证明是硬质合金刀具的更大卖点。”彼得说，“硬质合金应用在测试和多个。我们将看到更多使用激光加工金刚石和碳化物材料组合的应用。”所以用一个完全有意的激光双关语：敬请期待！
