红外超快激光金刚石刀头修复的方法和系统与流程

1.本发明涉及金刚石刀头超快激光再制造技术领域，具体涉及一种红外超快激光修复金刚石刀头的方法及系统。


背景技术：

2.长期以来，金刚石pcd等难加工的硬脆材料以其优异的机械性能、物理性能和化学性能得到了广泛的应用。金刚石硬度极高，可以加工出极为锋利的切削刃。金刚石刀头是金刚石锯片的工作主体。金刚石锯片的刀头是由金刚石和胎体结合剂组成，金刚石是一种超硬材料，起到切削刃的作用，胎体结合剂起到固定金刚石的作用。
3.但是，金刚石刀头在切削过程中散热困难，使用寿命有限，很容易产生磨损。金刚石刀头磨损后，由于其高硬度特性，其修复工作也非常困难。
4.传统的金刚石刀头生产、修复采用砂轮车床进行修复。该修复方法设备结构庞大复杂，成本高昂。甚至针对每个磨削面需要不同的磨削装置，如中国专利文献记载的金刚石刀头斜面磨削装置(申请公开号cn103317407a)、金刚石刀头棱角磨削装置(申请公开号cn103317408a)、金刚石刀头底面磨削装置申请(公开号 cn103331488a)。
5.这些传统修复方法大多是利用多轴控制的机械砂轮进行反复研磨，主要是机械方法，多次换刀，围绕料件位置使用多轴控制砂轮运动，并且在被修复位置的料件外表面浇注冷却水，来进行整体冷却，减轻修复过程中的热量。整个研磨修复的过程比较困难，工序复杂。而且在研磨过程中砂轮本身也有磨损，导致修复效率低，修复的时间较长，良率较低，部分磨损异常的料件还无法修复。即使修复完成，表面质量和粗糙度也很难满足需求。
6.传统的激光抛光技术，使用激光辐射来熔化材料非常薄的表面层，通过材料自身的表面张力将熔化的材料均匀分布在表面上，最终得到抛光后的材料表面。相比传统砂轮抛光技术具有非接触等优点，但是传统激光本身是一种热激光，通过加热熔化来实现对材料的效果，一般都会产生热影响区、微裂纹、挂渣等效果，影响修复的质量和良率。不适于金刚石刀头的修复。
7.因此，急需要有技术更新以提高效率、降低成本，保证质量和效果。


技术实现要素：

8.有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种红外超快激光金刚石刀头修复的方法。该方法基于锁定的高重复频率、高能量单脉冲工作、单脉冲间能量一致性高的超快激光，以近似垂直于金刚石减薄面的超快激光束减薄打磨，可实现加工一致性好的精确打磨修复。
9.本发明提供一种红外超快激光金刚石刀头修复方法，所述方法包括步骤：
10.1)将金刚石刀头通过夹具固定于可移动承载台上；所述可移动承载台能够沿x轴、y轴和z轴移动，并可以自转；
11.2)所述激光器发射的超快激光束，经光路系统后通过振镜扫描头作用于需修复的
金刚石刀头表面，通过对已磨钝刀头两侧面的减薄打磨恢复金刚石刀头切削刃的锋利。
12.进一步，所述超快激光通过近似垂直于减薄面的激光束，近似平行于减薄面方向的扫描实现刀头侧面的减薄；
13.所述激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，所述高重复频率为100khz-500khz，所述高能量单脉冲能量为10uj-100uj,所述单脉冲间能量差异≤
±
5％；锁定发射频率为 100khz-500khz之间的一定值。
14.所述近似垂直是指角度为90
°±
45
°
范围；所述近似平行是指角度为0
°±ꢀ
45
°
范围。
15.进一步，所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后通过振镜扫描头聚焦在移动承载台上的金刚石刀头工件表面；
16.在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数，控制金刚石刀头的旋转、平移及激光束x、y、z轴的移动，完成金刚石刀头的激光修复。
17.进一步，所述单脉冲为单脉冲光子尖峰波，所述单脉冲宽度为1-15ps。
18.进一步，所述激光器为全固态皮秒激光器，所述激光波长为1064
±
5nm。
19.进一步，所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。
20.进一步，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路，所述光束传输光路为传输距离100-1000mm的传输光路组成。
21.进一步，所述振镜转速为100-10000转/秒。
22.进一步，所述场镜是f-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。
23.本发明还提供实现上述红外超快激光金刚石刀头修复方法的系统，所述系统包括工作台、激光光学系统和控制器；
24.所述工作台包括第三移动机构；所述第三移动机构上设有第一移动机构，且能够驱动第一移动机构沿z轴移动，所述第一移动机构上设有第二移动机构，且能够驱动第二移动机构沿x轴移动，所述第二移动机构上设有可移动承载平台，且能够驱动可移动承载平台沿y轴移动；所述可移动承载平台上设有转台，所述转台上设有夹具，所述夹具设置能够加持固定金刚石刀头；
25.所述激光光学系统的激光束从上方扫描修复夹具固定加持的金刚石刀头；
26.激光器通过数据线与安装有激光扫描系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统和所述可移动承载台完成金刚石刀头的激光修复。
27.所述金刚石刀头通过螺母旋紧于所述夹具上，所述夹具安装在旋转轴上，可带动金刚石刀头在竖直平面内旋转。通过金刚石刀头的旋转和平移可将两个减薄打磨面送于激光振镜扫描头下的精确位置分别实现激光减薄打磨。
28.所述转台上设有数个夹具，通过转台的旋转可实现数个金刚石刀头的修复。
29.所述激光振镜扫描头旁边设置有位置传感器和ccd视觉系统。
30.本发明的有益效果在于：
31.1.本发明方法基于锁定的高重复频率、高能量单脉冲工作、单脉冲间能量一致性高的超快激光，可实现对金刚石刀头任意角度的减薄、打磨和抛光，修复精确，加工一致性
好。
32.2.本发明方法通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现，而不是通过热至熔化作用来实现，因此几乎没有热影响区出现、加工面几乎无挂渣、无裂纹、无崩边等现象。
33.3.本发明修复方法输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，标刻时工件材料加工面的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，加工的质量非常好。
34.4.本发明修复方法加工时间快，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精准。
35.5.在本发明单脉冲能量一致性高的超快激光设备照射下，光加工过程一致性好，修复后金刚石刀头表面的光学质量高，清晰明亮，不会出现涡状刀痕，不会产生“彩虹纹”现象，材料几乎不变暗，也几乎不改变材料的特征参数。
36.6.本发明的金刚石刀头修复方法，效率更高，成本更低。
37.7.本发明的金刚石刀头修复方法，整个研磨修复的过程比较简单，工序比较容易操作。修复效率很高，修复的时间短，良率很高。部分磨损异常的料件也几乎都可以修复，修复完成后，表面质量和粗糙度也能达到要求。
附图说明：
38.图1为本发明红外超快激光修复金刚石刀头方法的激光光学系统原理图；
39.图2为本发明实现红外超快激光修复金刚石刀头的系统结构示意图；
40.图3为本发明红外超快激光修复金刚石刀头的系统中可移动承载台的结构示意图；
41.图4为待修复金刚石刀头两减薄打磨面位置示意图；
42.图5为振镜扫描激光束作用于待修复金刚石刀头其中一减薄打磨面的示意图；
43.图6为夹具带动金刚石刀头在竖直平面内旋转使两减薄打磨面均可位于振镜扫描激光束下完成减薄打磨的示意图；
44.图7为待修复的金刚石刀头照片；
45.图8为修复后金刚石刀头照片；
46.其中：1-工作台，2-转台，3-激光光学系统，31-红外超快激光器；32-整形光路，33-传输光路，34-反射镜对，35-反射镜，36-光路，37-扫描振镜，38
‑ꢀ
场镜，39-激光振镜扫描头，4-竖直滑轨(第三移动机构)，5-y轴水平滑轨， 51-第二连接杆，6-x轴水平滑轨，61-第一连接杆，7-固定块，8-旋转轴，9-金刚石刀头，10-可移动承载台，11-夹具，12-控制器，13-金刚石刀头，14-金刚石刀头其一减薄打磨面，15-切削刃，16-金刚石刀头另一减薄打磨面，17-振镜扫描激光束，18-螺母。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施例对本发明提供的红外超快激光金刚石刀头修复方法和系统进一步解释，而本发明并不局限于以下实施例。
48.本发明提供一种红外超快激光金刚石刀头修复方法，所述方法包括步骤：
49.1)将金刚石刀头9通过夹具11固定于可移动承载台10上；所述可移动承载台10能够沿x轴、y轴和z轴移动，并可以自转；
50.2)所述激光器31发射的超快激光束，经光路36系统后通过激光振镜扫描头39作用于需修复的金刚石刀头表面，通过对已磨钝刀头两侧面14、16的减薄打磨恢复金刚石刀头切削刃15的锋利。
51.超快激光通过近似垂直于减薄面的激光束17，近似平行于减薄面方向的扫描实现刀头侧面的减薄；
52.所述激光器31为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，所述高重复频率为100khz-500khz，所述高能量单脉冲能量为10uj-100uj,所述单脉冲间能量差异≤
±
5％；锁定发射频率为 100khz-500khz之间的一定值。
53.所述近似垂直是指角度为90
°±
45
°
范围；所述近似平行是指角度为0
°±ꢀ
45
°
范围。
54.激光器发射的超快激光，经过整形光路32放大光束尺寸、再经过光束传输光路33输入到扫描振镜37、再经过场镜38后通过激光振镜扫描头38聚焦在可移动承载台10上的金刚石刀头9工件表面；
55.在软硬件控制器12的控制下，设置激光参数和加工参数，控制金刚石刀头 9的旋转、平移及激光束x、y、z轴的移动，完成金刚石刀头9的激光修复。
56.本发明红外超快激光金刚石刀头修复方法的原理图如图1、图5所示。
57.本发明还提供实现上述红外超快激光金刚石刀头修复方法的系统，所述系统所述系统包括工作台1、激光光学系统3和控制器12；
58.所述工作台1上设置有可移动承载台10。工作台1包括第三移动机构，第三移动机构为竖直滑轨4；竖直滑轨4上滑动连接有第一移动机构(61、6)，且能够驱动第一移动机构沿竖直方向的z轴移动，第一移动机构为通过第一连接杆61连接的平行设置的x轴水平滑轨6；x轴水平滑轨6上滑动连接有第二移动机构(51、5)，且能够驱动第二移动机构沿x轴水平移动，第二移动机构为通过第二连接杆51连接的平行设置的y轴水平滑轨5；y轴水平滑轨5设有可移动承载平台10，且能够驱动可移动承载平台10沿y轴移动；可移动承载平台10 上设有转台2，转台2能够自转，转台2上设有夹具11，夹具11用于加持固定金刚石刀头9；(如图2、图3所示)
59.所述激光光学系统3的振镜扫描激光束17从上方扫描修复夹具固定加持的金刚石刀头；
60.激光器31通过数据线与安装有激光扫描系统软件的计算机控制器12相连，计算机控制器12将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器31，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光器光路系统36、37、38、39和所述可移动承载台10完成金刚石刀头9的激光修复。
61.所述夹具11包括固定块7和旋转轴8，所述金刚石刀头9通过螺母18旋紧于所述夹具11固定块7上，所述夹具11安装在旋转轴8上，可带动金刚石刀头 9在竖直平面内旋转。通过金刚石刀头9的旋转和平移可将两个减薄打磨面送于激光振镜扫描头39下的精确位置分别实现激光减薄打磨。
62.所述转台2上设有数个夹具11，通过转台2的旋转可实现数个金刚石刀头9 的修复。
63.所述激光振镜扫描头39旁边设置有位置传感器和ccd视觉系统。
64.作为本发明的一个实施方案，所述光束传输光路2-2的传输距离为 100-1000mm；优选为100-800mm；更优选为500-800mm。
65.作为本发明的另一个实施方案，所述整形光路2-1为放大倍率为1-8倍的扩束光路；优选地，所述整形光路为放大倍率为2-6倍的扩束光路；更优选地，所述整形光路为放大倍率为5倍的扩束光路。
66.作为本发明的再一个实施方案，所述振镜的转速为100-10000转/秒；优选地，振镜的转速为400-5000转/秒；更优选地，振镜的转速为500-1000转/秒。
67.作为本发明的又一个实施方案，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜4，焦距为 30-300mm；优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为100-300mm；更优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为150-250mm。
68.本发明实现上述红外超快激光金刚石刀头修复方法的系统结构示意图如图 2所示。
69.实施例1：
70.待修复金刚石刀头9两减薄打磨面位置如图4所示；
71.在夹具11上固定后，通过可移动承载平台10的平移可将金刚石刀头9的需减薄面水平向上送于激光振镜扫描头39下方，通过振镜扫描激光束进行减薄打磨。(如图5所示)
72.通过夹具带动金刚石刀头9在竖直平面内的旋转可将金刚石刀头9的另一需减薄面水平向上送于激光振镜扫描头39下方进行减薄打磨。(如图6所示)
73.锁定激光器的发射频率为100khz,单脉冲能量为200uj；
74.单脉冲为单脉冲光子尖峰波，单脉冲宽度为10ps。
75.激光器为全固态皮秒激光器，激光波长为1064
±
5nm。
76.激光器窗口光斑为1mm，发散角为1mrad。
77.整形光路为放大倍率为6倍的扩束光路，光束传输光路为传输距离1000mm 的传输光路组成。
78.振镜转速为5000转/秒。
79.场镜是f-θ场镜，焦距为100mm。
80.金刚石刀头修复前形貌如图7所示，修复后形貌如图8所示。
81.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。