[发明专利]加工超硬材料刀具的方法及其实现

说明书

本发明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，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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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工。

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。