聚晶金刚石复合片数控激光切割机床的研究

　　聚晶金刚石复合片( Polycrystalline Diamond Compacts，PDC) 是一种新型超硬材料，通过在高温高压条件下将金刚石微粉与用作催化剂的金属均匀混合并烧结在硬质合金基体上制备而成。PDC 以其极高的硬度、耐磨性以及良好的焊接性能而被广泛应用于切削加工、地质钻探、石材加工等领域的工具制备。随着数控加工技术的快速发展，普通高速钢、硬质合金刀具在很多场合已无法满足高切削速度、高刀具耐用度及低加工成本的要求，PDC 刀具以硬度高、摩擦系数小、热变形小、加工精度高、使用寿命长的优势在精密切削等领域应用逐渐增多。但是，由于PDC 本身的高硬度和高耐磨性，使其切割加工非常困难，传统的加工方法无法对其加工。

　　目前，切割PDC 的主要方法有电火花线切割、磨料水射流切割和激光切割。国内对电火花线切割研究较多，但在使用电火花线切割加工PDC 时，由于放电强度难以控制，会对PDC 材料表面造成损伤，不仅影响了切削面质量，增加了刀具刃磨余量，同时也影响刀具的寿命，而且电火花线切割速度要比激光切割慢几个数量级，效果不甚理想。磨料水射流切割耗材多、运转费用高、工艺复杂、精度低。相比之下，激光切割是一种无接触式加工，具有切缝小、效率高、热影响区域小、切缝边缘无机械应力等优点，被认为是切割PDC 的一种理想方法。

1 PDC 的激光切割机理和工艺

　　PDC 刀具的制造过程如图1 所示，主要包括两个阶段:

图1 PDC 刀具制造过程

　　(1) PDC 的制造: PDC 是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂按一定比例在高温、高压下烧结而成。

　　(2) PDC 刀片的加工: PDC 刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片的刃磨等步骤。PDC 的切割加工是PDC 刀片加工的第一步，切割面的完整性和表面质量直接影响刀片焊接的效率和PDC 刀具整体的质量。

　　激光切割PDC 时，激光器发射出的激光束，经外电路系统，聚焦成高功率密度的激光束，高功率密度的激光束通过光学元件的传导照射到PDC 表面上，激光束的能量分配如图2 所示，Ｒ、A、T 分别代表工件表面反射、工件内部吸收和通过工件传导的能量分量。每个能量分量都是工件材料、工件温度和激光辐射波长的函数。

图2 激光能量分配

　　工件内部吸收的激光束能量分量AI0迅速转化成热能，使照射斑点区域的温度上升，由于聚焦后的激光束能量密度极高，中心部位温度可达10 000 ～20 000℃，瞬间的高温使PDC 局部迅速熔化以至汽化并形成孔洞，再辅之以一定的激光束和工件之间的相对运动，便可使PDC 形成切缝，最终将PDC 切割成要求的形状。

　　图3 是激光通过透镜后在工件表面上聚焦的情况，它反映了在激光加工过程中，对切割工件质量有影响的各主要因素:

图3 激光加工中主要影响的工艺因素

　　(1) 不同的激光波长和透镜焦点距离会产生大小不同的斑点尺寸;

　　(2) 激光束的强度和斑点直径决定工件表面上的能量密度;

　　(3) 工件的材质、表面状态和激光波长决定反射率的变化和输入能量的吸收率，以及由此影响表面温度;

　　(4) 工件的传导率和热扩散率影响热量在工件内部的传递。

　　因此，需要通过实验，对激光切割的各项工艺参数进行优化，主要包括激光功率、光路、切割速度、焦点位置、辅助气体及切割路径等。通过实验优化参数后，能使激光切割PDC 的切缝宽度小于0． 08 mm，切割速度达到50 mm/min。