1 引言
PCD刀具是高效高質(zhì)量加工硬脆材料（石墨、玻璃等）的主要工具之一。常用的PCD刀具加工方法有磨削和研磨、電火花加工、激光加工等，圖1列舉了PCD刀具的主要加工方法、去除機(jī)理與加工裝備。其中磨削和研磨加工存在磨削力較大的問題，會導(dǎo)致加工表面裂紋、局部斷裂和石墨化等缺陷；電火花加工的熱效應(yīng)會影響刀具的幾何精度，同時切削刃上可能存在微裂紋，影響刀具的力學(xué)性能。此外還有運用超聲、離子束、化學(xué)、放電等技術(shù)輔助的復(fù)合加工方式。其中超聲加工存在金剛石微粉消耗大、粉塵污染大、危害工人身體健康的問題；離子束加工操作復(fù)雜、裝備昂貴、材料去除率極低，很難實現(xiàn)工業(yè)化。以上方法都存在加工效率低和一定的加工局限性。
激光加工具有高效、高精密以及低材料損傷等優(yōu)勢，可避免傳統(tǒng)工藝在加工PCD刀具時的潛在問題。同時激光加工還具有能量可調(diào)、無噪聲、加工方式靈活等特點，極大減少了應(yīng)用的局限性，所以在金剛石及硬脆性材料的精密加工領(lǐng)域，激光以及激光復(fù)合制備方法將日益成為主流。但是激光加工存在加工表面微石墨化等問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對激光加工PCD材料的去除機(jī)理和激光誘導(dǎo)石墨化過程進(jìn)行了深入研究。
圖1 PCD刀具主流加工技術(shù)發(fā)展進(jìn)程
本文重點介紹了激光加工PCD材料的去除機(jī)理，歸納了激光加工PCD材料中波長和脈寬等工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響，對比分析了國內(nèi)外激光加工各類PCD刀具的工藝技術(shù)及加工性能，介紹了國內(nèi)激光加工裝備的研發(fā)進(jìn)展與現(xiàn)狀。這將有助于推廣PCD刀具加工技術(shù)的應(yīng)用，為PCD刀具激光加工技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐和參考。
2 PCD材料激光加工機(jī)理及工藝方法
2.1 PCD材料激光去除機(jī)理
激光加工PCD材料中金剛石的去除機(jī)制主要包括化學(xué)去除和氣化去除。在激光加工過程中，激光光子直接破壞金剛石結(jié)合鍵，將金剛石顆粒轉(zhuǎn)化為石墨相，當(dāng)溫度接近或者超過石墨化溫度（700℃）時，石墨與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CO2和CO等揮發(fā)性氣體，這種去除材料的方式稱作化學(xué)去除，因此，金剛石的化學(xué)去除速率與空氣中氧氣濃度密切相關(guān)；當(dāng)激光的能量密度足夠高時，表面石墨會達(dá)到4000℃的升華溫度，石墨以升華形式去除，這種去除方式稱作氣化去除。隨著激光能量密度的提高，金剛石顆粒的去除機(jī)制由石墨相的化學(xué)去除逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅饣コ?，氣化去除速率由激光能量密度決定。由于金剛石的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)高于鈷之類金屬黏結(jié)劑，熱量會迅速傳導(dǎo)至周圍金剛石材料，引起溫度迅速上升。然而，鈷的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱輻射傳遞速率慢，熱量集中在鈷材料上層難以擴(kuò)散到周圍材料，所以金剛石顆粒比鈷更容易去除。激光燒蝕后表面團(tuán)聚的鈷層可以通過酸洗等方式去除，殘留的石墨碎屑可通過浸泡在有機(jī)溶劑（乙醇、甲醇或丙酮等）、酸性洗滌劑中或超聲波清洗來去除。
激光去除PCD材料過程中，石墨化具體進(jìn)程見圖2，在多脈沖和高熱通量的激光輻照下，金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷迹瑥淖畛醯慕饎偸肿觭p3雜化排列（見圖3b），轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2雜化結(jié)構(gòu)的石墨碳（見圖3a），進(jìn)一步輻照后，sp2結(jié)構(gòu)會再次轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化排列，成為“類金剛石”。金剛石的石墨化現(xiàn)象可以通過拉曼光譜、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等技術(shù)識別多層石墨碳結(jié)構(gòu)而被證實，根據(jù)激光與材料相互作用時間的不同，石墨化過程可以中斷，只形成高取向石墨，而不形成無定形碳。Strekalov V.等描述了激光誘導(dǎo)石墨化過程中晶體成核機(jī)制。處于激光聚焦光斑輻照區(qū)域的金剛石顆粒會形成納米級別“微小石墨滴”形核。而隨著“石墨滴”的生長掉落，這些區(qū)域出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械損傷并產(chǎn)生新的缺陷位點，新的石墨碳晶體會在新形成的缺陷位點處成核和生長。由于PCD材料由金剛石和金屬黏結(jié)劑組成，本身存在缺陷位點(比如雜質(zhì)、空位和微裂紋)，這些缺陷也可為晶體成核及生長提供位點。Kuznetsov V.L.等總結(jié)了用于描述金剛石向石墨碳晶體轉(zhuǎn)變的鏈?zhǔn)酱呋瘷C(jī)制以及鈷等金屬黏結(jié)劑在影響石墨化進(jìn)程中的催化機(jī)制。金剛石先進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)椒纸?，生成石墨烯晶體，再形成石墨碳晶體，石墨碳晶體擴(kuò)散到鈷中形成鈷—碳固溶體，隨著溫度不斷上升，鈷熔化、碎裂并從晶體結(jié)構(gòu)中遷出，碳以石墨碳晶體的形式析出，從而形成聚晶石墨。另外，鈷這類黏結(jié)劑的熔化溫度比金剛石低，所以在激光燒蝕過程中更早地呈液相分散在晶粒結(jié)構(gòu)中，冷卻后結(jié)構(gòu)也不會復(fù)原。此外，黏結(jié)劑和金剛石的熱膨脹系數(shù)不同，在冷卻后由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋會降低材料疲勞壽命。
圖2 多脈沖強(qiáng)激光輻照條件下金剛石結(jié)晶石墨化過程
圖3 不同的雜化類型
激光與材料的相互作用時間受激光能量密度和脈沖持續(xù)時間影響。在激光加工PCD材料過程中，材料表面金剛石石墨化層厚度由激光輸入能量與材料燒蝕閾值之間的關(guān)系決定。當(dāng)能量密度低于燒蝕閾值時，激光輻照僅導(dǎo)致材料內(nèi)部發(fā)生相變進(jìn)而導(dǎo)致石墨化，隨著能量密度增大，石墨化程度更加劇烈；當(dāng)能量密度高于燒蝕閾值時，可宏觀觀察到石墨化現(xiàn)象，隨著激光能量密度增大，表面形成的石墨層又會進(jìn)一步燒蝕，從而留下更明顯的燒蝕坑；在納秒到微秒脈沖寬度之間，隨著脈沖寬度增大，熱影響區(qū)的厚度會大幅增加，同時導(dǎo)致燒蝕閾值增大，從而降低石墨化速率。
不同脈寬導(dǎo)致的熱影響區(qū)(HAZ)和石墨化厚度見圖4，長脈沖激光的加熱時間長，輻照熱量在小范圍內(nèi)被分散，所以溫度不高，不利于金剛石石墨化相變。納秒激光的脈沖持續(xù)時間長于皮秒激光，熱誘導(dǎo)相變的風(fēng)險相對較低，但是在激光相互作用期間局部區(qū)域過熱，仍會有少量石墨化進(jìn)程發(fā)生。在納秒和飛秒脈沖寬度之間，隨著脈沖寬度減小，石墨層厚度也減小，飛秒激光幾乎無熱影響區(qū)，所以石墨層厚度只有納米尺度范圍。
圖4 脈沖持續(xù)時間對激光加工PCD熱轉(zhuǎn)變的影響
此外，其他參數(shù)一定時，激光掃描速率減小使單位時間內(nèi)輻照固定位置的脈沖數(shù)量增大，導(dǎo)致燒蝕閾值下降，能量密度會高于燒蝕閾值，石墨化速率提高，石墨層厚度增加；功率增大或重復(fù)頻率減小時，能量密度增大也將導(dǎo)致石墨化程度增加。金剛石石墨化相變會降低金剛石材料表面的硬度，從而降低激光—機(jī)械復(fù)合加工中后續(xù)機(jī)械去除的難度。
Eberle G.等從電子與晶格之間的熱耦合角度總結(jié)了不同脈寬激光實現(xiàn)PCD材料去除的作用機(jī)制以及熱損傷（見圖5）。由于PCD材料屬于熱膨脹系數(shù)較低的超硬材料，PCD的電子弛豫時間通常在幾皮秒內(nèi)，能量傳導(dǎo)將局限于光學(xué)穿透深度，而不是熱深度，通常不會改變被加工材料周圍區(qū)域的微結(jié)構(gòu)。不過較短的脈沖持續(xù)時間也會造成一定程度的熱損傷，而且當(dāng)激光作用下的電子與晶格溫度高于石墨化起始溫度時，有一定概率發(fā)生石墨化。飛秒脈沖持續(xù)時間小于電子弛豫時間，電子與晶格之間不存在熱耦合，極高的峰值功率誘導(dǎo)了非線性多光子吸收，歷經(jīng)隧穿電離（通常在1fs后）、雪崩電離（約50fs后）、電子加熱（約100fs后）等現(xiàn)象，其主要去除機(jī)制是黏結(jié)破碎和相爆炸導(dǎo)致材料以高達(dá)102~103m/s的速度噴射，幾乎無熱影響區(qū)，可以加工光滑均勻和清晰明確的紋理輪廓。皮秒脈沖持續(xù)時間接近電子弛豫時間，脈沖持續(xù)時間與晶格加熱時間處于閾值，所以電子有時間通過熱能的傳導(dǎo)與晶格達(dá)到熱平衡，其主要去除機(jī)制是通過相爆炸以及沸騰、相分離和氣化導(dǎo)致材料以102m/s速度噴射，熱影響區(qū)小，熔體碎片和石墨化等熱誘導(dǎo)缺陷風(fēng)險降低。納秒脈沖持續(xù)時間長于晶格加熱時間，電子與晶格之間存在直接熱耦合，依靠加熱、熔化和蒸發(fā)實現(xiàn)材料去除，熱影響區(qū)中等，碳同素異形體變換、熔化和再結(jié)晶形成無定形碳層，容易導(dǎo)致加工后材料出現(xiàn)條紋。微秒級別的脈沖激光是利用PCD材料中的電子共振線性吸收獲得的能量，將材料逐步熔化并蒸發(fā)移除，熱影響區(qū)大，容易造成裂紋等材料熱損傷，需要配合其他參數(shù)降低熱損傷，使用較少。
圖5 不同脈沖激光對PCD材料的影響對比
結(jié)合以上研究，激光輻照PCD材料的去除機(jī)制主要為激光誘導(dǎo)金剛石石墨化進(jìn)而產(chǎn)生材料去除，包括化學(xué)去除和氣化去除，當(dāng)加工溫度達(dá)到石墨升華溫度時，化學(xué)去除便轉(zhuǎn)變?yōu)闅饣コ?。PCD材料加工表面石墨化的程度受激光能量密度和激光脈沖持續(xù)時間影響，激光能量密度的增大會導(dǎo)致石墨化程度的增加。在納秒到微秒脈沖寬度之間，脈沖寬度增大有利于減少石墨化程度；在納秒到飛秒脈沖寬度之間，脈沖寬度減小有利于減小石墨層厚度。另外，通過比較脈沖持續(xù)時間與電子弛豫時間的大小，從電子與晶格之間的熱耦合關(guān)系角度可以分析激光輻照時對PCD材料產(chǎn)生的熱損傷和石墨化。
2.2 激光工藝參數(shù)對PCD加工質(zhì)量的影響規(guī)律
2.2.1 波長
PCD材料對激光能量的吸收率受激光波長的影響。波長越短對應(yīng)的光子能量越高，1064nm波長對應(yīng)的光子能量為1170meV，532nm波長對應(yīng)的光子能量為2330meV。對于PCD材料，碳—碳(C—C)單鍵的鍵能是347meV，1170meV的光子能量大于PCD材料的鍵合能量，足以破壞材料分子鍵，所以更短的激光波長具有更高的光擊穿效率。激光加工PCD材料時，為了達(dá)到較好的燒蝕速率和加工精度，通常使用波長在1064nm左右的紅外激光或者532nm的綠光激光。Zhang G.等比較了不同波長激光對PCD復(fù)合片切割的影響發(fā)現(xiàn)，1064nm的Nd:YAG激光會導(dǎo)致切割表面形成周期性條紋，而532nm的KTP/Nd:YAG激光則無條紋。Eberle G.等研究了兩種波長(532nm和1064nm)和兩種脈寬（1ns和10ps）對激光加工PCD的影響，在兩種脈寬下，532nm波長比1064nm波長具有更高的材料去除率；對于1ns脈寬激光，532nm波長具有更低的表面粗糙度，而由于10ps脈寬激光具有較高的材料去除率，能夠?qū)CD材料表面燒蝕干凈，因此兩種波長的表面粗糙度基本一致。
2.2.2 脈寬參數(shù)
不同脈寬的激光輻照PCD材料上的能量沉積和分布也會影響PCD的能量吸收。由于連續(xù)激光的熱影響區(qū)過大，研究價值小，此處不做討論。脈沖激光的熱影響區(qū)會隨著脈沖寬度的減小而變小，適合加工PCD材料。脈沖持續(xù)時間對材料的光子吸收有顯著影響，從微秒激光到飛秒激光，光子能量吸收逐漸從線性吸收變?yōu)榉蔷€性吸收（多光子吸收），對加工效果影響顯著。
為了研究不同脈寬激光加工PCD材料的影響，Eberle G.等采用脈沖持續(xù)時間從長微秒到超短皮秒的激光加工PCD材料，對比了不同脈沖激光的石墨碳層厚度和熱影響區(qū)大?。ㄒ妶D6），研究表明，與微秒脈沖和納秒脈沖相比，皮秒脈沖沒有顯著熱影響區(qū)和殘余石墨層，且具有較高的消融率和較低的表面粗糙度。Okuchi T.等采用納秒近紅外激光器和飛秒近紅外激光器加工超硬納米聚晶金剛石(Nano-PCD)，研究表明，納秒近紅外激光適用于快速成形，表面變形在10μm左右且表面存在石墨層，而飛秒近紅外激光適用于精密微加工和表面加工，能產(chǎn)生亞微米級的光滑表面，表面不含石墨層，但是材料去除效率最低。Chang F.Y.等分析了不同脈沖寬度對PCD毛坯加工表面形貌的影響，研究表明，切口深度隨著脈沖寬度的增加而增加。綜上，脈寬越小，加工精度越高，加工效率越低，石墨化程度越小。
(a)微秒激光
(b)納秒激光
(c)皮秒激光
圖6 不同脈寬激光分別加工PCD材料的截面
2.2.3 其他工藝參數(shù)
激光加工還受激光能量密度、光斑重疊率、離焦量、掃描速度等因素的影響。Su Y.等研究發(fā)現(xiàn)，平均功率越大，PCD去除深度和寬度以及表面粗糙度也越大；隨著掃描速度和脈沖重復(fù)頻率增加，去除深度和寬度均出現(xiàn)減小趨勢；隨著離焦量的增大，光斑變大，激光能量密度減小，去除深度變淺，精度降低。Wu Q.使用納秒激光加工PCD材料發(fā)現(xiàn)：表面粗糙度和材料去除率均隨激光能量密度的增加而增加。脈沖重疊率對表面粗糙度的影響相對較小，脈沖重疊率的持續(xù)增加(>95%)會導(dǎo)致材料去除率的邊際下降，合適的脈沖重疊率(<95%)下可以獲得較高的PCD去除率和較低的表面粗糙度以及亞表面損傷。此外，掃描重疊率對表面粗糙度的影響相對較大，隨著掃描重疊率增加，材料去除率呈下降趨勢，使用較低的掃描重疊率會產(chǎn)生更平滑的表面。另外，重復(fù)掃描次數(shù)能有效提高材料去除率，例如2N次掃描的深度是N次掃描中形成深度的兩倍多，但是激光多次掃描同一個位置會導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)處于多次加熱和冷卻循環(huán)的狀態(tài)，引起PCD中的金剛石與金屬黏結(jié)劑之間熱不均衡，增加材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，形成微裂紋。金夢奇研究飛秒激光重復(fù)掃描次數(shù)對加工PCD的影響規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，隨著重復(fù)掃描次數(shù)增加，去除深度增加，但熱影響區(qū)擴(kuò)大，微槽表面邊緣質(zhì)量變差。
綜上，大脈寬、高能量密度、低重復(fù)頻率、高脈沖重疊率的激光參數(shù)可以提高激光加工效率；小脈寬、低能量密度、高重復(fù)頻率、低掃描重疊率的激光參數(shù)有益于提高激光加工精度。激光加工PCD材料受多個參數(shù)的綜合作用影響，應(yīng)根據(jù)加工效率、加工面質(zhì)量、加工面形貌選擇合適的激光，以盡量減少熱損傷和石墨化等不良影響，得到較小的尺寸誤差和較好的表面質(zhì)量。
3 激光加工PCD刀具技術(shù)
3.1 刀具切削刃
激光加工PCD刀具最早是從切削刃開始研究，2005年，Harrison P.M.等使用納秒激光切割PCD毛坯，得到了較為鋒利的邊緣，但刀刃邊緣存在嚴(yán)重的熱損傷；Klotzbach A.等和Ancona A.等提出使用超短高能激光脈沖加工或用研磨工藝去除激光加工后PCD的嚴(yán)重?zé)釗p傷區(qū)域。2012年，Konrad W.等對比研磨和皮秒激光修整PCD切削刃，得到了角半徑為3μm、公差在2μm的切削刃，發(fā)現(xiàn)激光加工的表面質(zhì)量和加工效率均優(yōu)于研磨加工。Dold C.等將皮秒激光加工的金剛石刀具與傳統(tǒng)方法加工的金剛石刀具進(jìn)行了比較，也得出同樣結(jié)論。Brecher C.等采用激光研磨復(fù)合加工PCD車刀切削刃，切削刃粗糙度達(dá)到1μm，與傳統(tǒng)研磨加工相比，該組合使原本純研磨的加工時間減少50%以上。
3.2 刀具表面織構(gòu)
PCD刀具表面織構(gòu)主要包括斷屑槽、微結(jié)構(gòu)和表面紋理。Eberle G.等研究了皮秒激光加工PCD車刀斷屑槽結(jié)構(gòu)，使用皮秒激光在不產(chǎn)生任何切削力或磨損的情況下，在聚晶金剛石復(fù)合材料上制作兩種精密的斷屑槽結(jié)構(gòu)（見圖7）。Hao X.等利用納秒激光在PCD刀具表面構(gòu)建親/疏水復(fù)合潤濕性表面織構(gòu)并進(jìn)行鈦合金切削。結(jié)果表明，與非織構(gòu)刀具和微槽刀具相比，具有親/疏水復(fù)合潤濕性表面織構(gòu)的PCD刀具切削力、平均摩擦系數(shù)和刀具磨損均有所降低。Wang X.等利用納秒激光研究了織構(gòu)PCD刀具對SiCp/Al復(fù)合材料的切削性能，發(fā)現(xiàn)PCD織構(gòu)刀具加工后的刀具磨損和粘連程度低，表面無明顯的裂紋，而非織構(gòu)刀具產(chǎn)生的切屑較長，切屑表面凹坑和裂紋較多，塑性變形較大。Fernández-Lucio P.等利用納秒激光在PCD刀具表面制造表面紋理，激光燒蝕的紋理結(jié)構(gòu)可以成功實現(xiàn)鈦合金切削中的斷屑，并提高車刀耐磨損性能。
(a)旋轉(zhuǎn)切削車刀
(b)可轉(zhuǎn)位切削車刀
圖7 斷屑槽的幾何結(jié)構(gòu)
3.3 整體式PCD刀具激光加工成形
激光燒蝕成型的PCD刀具主要涉及微鉆頭、插齒刀、微銑刀等。在微鉆頭方面，2015年，Butler-Smith P.W.等采用納秒激光加工出PCD微套料鉆頭的切削刃（見圖8a），在碳纖維復(fù)合板加工中，與電鍍金剛石鉆頭相比具有更好的排屑散熱能力和更長的刀具壽命。2016年，Butler-Smith P.等對比了皮秒激光和電火花加工微鉆頭在陶瓷基復(fù)合材料(CMC)上鉆孔的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)鉆孔質(zhì)量沒有明顯差異，但激光加工的效率具有顯著優(yōu)勢，而且皮秒激光制造的切削刃鉆孔后沒有發(fā)生宏觀斷裂，只是單個晶粒被壓扁或者被拋光（見圖8b）。Eberle G.等利用EWAG皮秒五軸激光機(jī)床耗時30min就制作出φ0.8mm的PCD與鎢鋼(WC)復(fù)合微鉆頭，圖9給出了刀具角度等參數(shù)。
(a)PCD微套料鉆頭
(b)PCD微鉆頭
圖8 整體式PCD微鉆
在插齒刀方面，2021年，Cui J.等采用直徑為20mm、厚度為2mm的PCD金剛石毛坯，通過紫外(UV)納秒激光正交輻照粗加工和切向輻照精加工相結(jié)合的激光加工工藝制造插齒刀，進(jìn)一步研究了加工參數(shù)對切削刃輪廓精度的影響，結(jié)果表明：隨著線間隔、掃描速度和離焦量的增加(無論正離焦還是負(fù)離焦)，輪廓精度先減小后增大。最終獲得了一種切削刃鈍圓半徑為5.6μm、無相變損傷的高質(zhì)量PCD削屑刀具(見圖10)。
(a)鉆頭概況
(b)俯視圖
(c)WC復(fù)合材料基底特寫側(cè)視圖
(d)顯示尖端變薄的PCD尖端特寫側(cè)視圖
(e)顯示間隙面的PCD尖端特寫側(cè)視圖
圖9 整體式PCD麻花鉆
圖10 PCD激光加工插齒刀
在微銑刀方面，Warhanek M.等通過研磨和皮秒激光加工方式制備了三種直徑均為1.9mm的PCD銑刀（見圖11），發(fā)現(xiàn)激光加工的PCD刀具比研磨加工方式的刀具具有更長的壽命。Ogawa Y.等使用圓偏振紅外飛秒激光制備了無黏結(jié)劑PCD(Binder-less Polycrystalline Diamond，BLPCD)球頭微銑刀，圖12a為飛秒激光車外圓后的成形半球，半球的圓度約為0.7mm，通過飛秒激光制成球頭銑刀（見圖12b），刃口半徑為0.8μm，總加工時間約20min。并得出以下結(jié)論：具有圓偏振的飛秒脈沖激光是加工BLPCD的最佳激光，其平均表面粗糙度為0.022mm，加工表面幾乎沒有石墨層，材料去除率約為0.004mm3/s。Xia Y.等使用皮秒激光垂直切割制備了直徑250μm的四邊形PCD微銑刀（見圖13），切削刃有效長度為500μm，長徑比為2.5。并得出以下結(jié)論：脈沖能量對加工表面質(zhì)量影響最大，晶粒尺寸對切削刃鈍圓半徑的影響最大，脈沖間距對切削刃鈍圓半徑的影響最小。2020年，Hao X.等通過納秒激光、皮秒激光與磨削相結(jié)合的方法制備了直徑為0.5mm、切削刃鈍圓半徑為3.5μm、長徑比為3的大長徑比PCD微銑刀，在加工無氧銅微槽時發(fā)現(xiàn)，與硬質(zhì)合金微銑刀相比，所制備刀具表現(xiàn)出更好的切削性能和刀具壽命。Han J.等使用激光成形—精密磨削交替模式成功制備了有效直徑約為0.408mm、有效刃長約為1.3mm、切削刃鈍圓半徑為2.5μm、長徑比為3.25的PCD微銑刀（見圖14）。該方式可避免刀具斷裂，減少加工缺陷，顯著提高大長徑比PCD刀具的加工質(zhì)量。
圖11 三種不同幾何結(jié)構(gòu)的PCD微銑刀
(a)成形半球
(b)球頭銑刀樣貌
圖12 采用飛秒脈沖激光加工的球頭PCD微銑刀
圖13 四邊形PCD微銑刀
(a)前刀面視圖
(b)后刀面視圖
圖14 PCD微銑刀形貌
綜上，激光刀具有廣闊的發(fā)展前景，在PCD刀具切削刃加工方面，激光加工比磨削加工具有更好的加工質(zhì)量和更高的加工效率；在形貌復(fù)雜多變但精度要求相對不高的表面織構(gòu)加工方面，激光加工更能發(fā)揮優(yōu)勢。激光燒蝕成型的刀具在表面質(zhì)量、加工精度和刀具壽命等方面也具有優(yōu)勢。
4 PCD刀具激光加工裝備
PCD刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加工裝備精度要求高，激光束易導(dǎo)向，易聚焦，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合實現(xiàn)方向變換，從而對復(fù)雜工件進(jìn)行靈活加工，催生了激光加工裝備的落地。2015年，德國德馬吉（DMG）公司率先推出五軸激光加工裝備，從此PCD刀具制造開啟了全新時代。國外其他主流激光機(jī)床制造商還有瑞士伊瓦格（EWAG）和路勞曼?。≧OLLOMATIC）等。國內(nèi)有大族激光、中科微精、牧激科技、原點智能和普希德激光等公司。
目前，市場上的激光加工裝備主要集中于激光焊接、激光切割和表面處理等領(lǐng)域。其中，中科微精研制的六軸超快激光微加工裝備（見圖15a），配置高功率皮秒激光器，激光復(fù)合加工頭采用雙擺軸設(shè)計，確保質(zhì)量的前提下可實現(xiàn)較高的加工效率；具有六軸伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)復(fù)雜曲面的空間角度微孔加工及大型薄壁零件加工。牧激科技研制的七軸納皮秒激光加工機(jī)床（見圖15b），采用納皮秒雙激光系統(tǒng)，可應(yīng)用于各類超硬整體式精密刀具、焊接類回轉(zhuǎn)刀具精細(xì)加工，包括各式PCD刀片、鉆頭、成型銑刀和多刃刀等；皮秒可加工最小至0.3mm的微鉆，長徑比可超過1:20；1mm以內(nèi)微鉆刃口加工時間約為30min。普希德五軸激光機(jī)床（見圖15c）不區(qū)分刀具種類，對于螺旋、輪廓、臺階、多刃等形貌加工，均可實現(xiàn)刀具一次裝夾；具備在線預(yù)檢測功能，可實現(xiàn)粗精一體化加工，加工出的PCD刀具有良好的刃口粗糙度。
(a)中科微精—六軸超快激光微加工裝備
(b)牧激科技—超快激光七軸納皮秒復(fù)合加工機(jī)床
(c)普希德激光—五軸超硬刀具激光加工中心
(d)廣東工業(yè)大學(xué)與匯?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司以及廣東原點智能技術(shù)有限公司—超快激光七軸五聯(lián)動車銑復(fù)合加工中心
圖15 加工設(shè)備
國內(nèi)在激光加工PCD刀具技術(shù)以及激光加工用裝備領(lǐng)域中，主要科研機(jī)構(gòu)有中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、西安交通大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、成都工具研究所、南京航空航天大學(xué)以及湖南大學(xué)等。其中，廣東工業(yè)大學(xué)高性能工具全國重點實驗室進(jìn)行了較為全面的研究，利用激光模塊與加工平臺機(jī)械運動模塊在線聯(lián)動，并結(jié)合路徑模擬模塊、在線視覺檢測模塊和反饋模塊，實現(xiàn)加工過程中對激光光斑在空間位置、時間和能量上的靈活轉(zhuǎn)變，提出以“光”為刀具進(jìn)行激光車削、激光銑削和激光磨拋等加工的定義及方法，實現(xiàn)超硬材料復(fù)雜零件等全激光制造的新概念。該團(tuán)隊與匯?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司以及廣東原點智能技術(shù)有限公司共同研發(fā)第一代激光車削加工機(jī)床、激光銑削加工機(jī)床以及最新一代七軸五聯(lián)動車銑復(fù)合激光加工中心裝備等（見圖15d），實現(xiàn)了以復(fù)雜型面高精度PCD微刃刀具為核心的超硬材料復(fù)雜零件的激光多軸數(shù)控全制造，可滿足微刃刀具、焊片式銑刀等復(fù)雜刀具、金屬薄壁件等復(fù)雜型面及復(fù)雜軸類零件的高效高精加工。加工的超硬材料刀具最小直徑達(dá)0.2mm，最小切削刃寬度10μm，切削刃精度3μm，最大加工刃數(shù)高達(dá)180，經(jīng)檢驗，加工質(zhì)量及效率均優(yōu)于常規(guī)加工及國外代表性機(jī)床，可作為國外機(jī)床的替代產(chǎn)品。相關(guān)激光加工技術(shù)與裝備在匯?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司、廣東原點智能技術(shù)有限公司等多家公司獲得產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與批量化應(yīng)用。制造的超硬PCD微刃刀具見圖16，解決了手機(jī)玻璃、藍(lán)寶石、石墨等硬脆材料超薄、大長徑比結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)難題，加工精度可達(dá)500nm以下，在藍(lán)思科技等知名企業(yè)取得優(yōu)異的應(yīng)用效果，未來可以實現(xiàn)更多高精密復(fù)雜零件的全激光制造技術(shù)。
(a)30刃PCD仿形刀
(b)15刃PCD球頭刀
(c)36刃PCD平底銑刀
圖16 廣東工業(yè)大學(xué)與匯專科技集團(tuán)股份有限公司聯(lián)合研發(fā)并生產(chǎn)的PCD微刃切削刀具
綜上，PCD刀具激光加工裝備精度要求高，需要配備高功率激光光源、高精度光學(xué)控制系統(tǒng)、超精密運動控制系統(tǒng)和檢測反饋系統(tǒng)。在國內(nèi)，中科微精、牧激科技等公司都有研發(fā)高精密激光裝備，尤其在PCD微刃刀具制備方面，以廣東工業(yè)大學(xué)高性能工具全國重點實驗室為首的研究單位，其激光加工技術(shù)和激光加工裝備達(dá)到世界先進(jìn)水平。
5 結(jié)語
本文綜合對比了聚晶金剛石材料不同加工方式的優(yōu)劣，總結(jié)了激光加工PCD材料去除機(jī)理和PCD刀具加工工藝的研究進(jìn)展，介紹了國內(nèi)外激光加工裝備研究單位及國內(nèi)PCD刀具激光加工的代表性裝備，結(jié)論如下。
（1）相比于磨削、電火花等加工方式，激光加工具有材料去除率高、加工質(zhì)量好等優(yōu)點，是生產(chǎn)高效、高精度PCD刀具的理想選擇。
（2）激光加工PCD材料時，石墨化厚度和石墨化速率可以通過激光輸入能量與材料燒蝕閾值之間的關(guān)系調(diào)控。
（3）對激光加工PCD質(zhì)量起決定性作用的是脈沖寬度。微秒脈沖熱影響區(qū)最大，納秒脈沖次之，皮秒脈沖最小，飛秒脈沖幾乎無熱影響區(qū)。
（4）激光加工靈活性高，非常適合表面織構(gòu)加工；對于燒蝕成型刀具，納秒激光適合做焊片切割加工，皮秒激光適合刃口成型加工；為了提高刀具刃口精度可以采用多激光復(fù)合或者激光磨削復(fù)合技術(shù)。
（5）國內(nèi)外有不少研究單位利用激光機(jī)床制備PCD刀具切削刃和表面織構(gòu)，以及車刀、銑刀、鉆頭、插齒刀、微刃切削刀具等產(chǎn)品，但很少有研究單位能夠?qū)崿F(xiàn)激光機(jī)床的自主開發(fā)。在PCD微刃刀具制備方面，廣東工業(yè)大學(xué)與匯?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司以及廣東原點智能技術(shù)有限公司的激光加工技術(shù)和激光加工裝備的精度已達(dá)到國際先進(jìn)水平，國產(chǎn)激光加工裝備替代國外機(jī)床成為了可能。
目前激光加工還存在重復(fù)精度低、表面粗糙度不易保證和裝備成本較高的問題。提升刀具制造精度多依靠激光與磨削復(fù)合的加工方式，不能完全發(fā)揮激光加工高效率的優(yōu)勢，未來應(yīng)向帶有在線檢測的粗精一體化加工高精密復(fù)雜零件的全激光制造技術(shù)發(fā)展。
