Лазерный мир

Лазерная линия EWAG Ultra Ultra использует пикосекундный лазер с частотой повторения от 0,4 до 1 МГц для обрезки стружечной стружки на поверхности выемок для  вставки PCD. Только лазерная обработка может создавать такие свойства в сверхтвердых материалах.

В дополнение к карбиду, керамике и кермету (металлокерамике) привод для создания самых твердых материалов для режущего инструмента дал нам алфавитный суп из PCD, PCBN, CVD-D и MCD (поликристаллический алмаз, поликристаллический кубический нитрид бора, алмаз из химического осаждения из паровой фазы  и монокристаллический алмаз, соответственно). Эти последние материалы относятся к числу самых твердых материалов, известных, натуральных или искусственных, поэтому их чрезвычайно сложно сформировать в пригодных для использования режущих инструментах. Но новая лазерная технология предлагает привлекательные решения.

            Шлифование и эрозия имеют свои пределы

PCD и PCBN являются наиболее часто используемыми сверхжесткими режущими инструментами. («Super hard», относящийся к значению твердости, превышающему 40 гигапаскалей в тесте Виккерса.) Оба могут быть шлифованы  или эррозионно обработаны, поэтому лазер не является единственным вариантом, но более ранние методы имеют ограничения.

Как следует из их названия, режущие инструменты PCD и PCBN изготавливаются из тысяч крошечных кристаллов, удерживаемых вместе в связующем, обычно кобальте. Самые жесткие шлифовальные круги («суперабразивы») также изготавливаются из кристаллов алмаза или ПХБН. Как и следовало ожидать, шлифовальный бриллиант с бриллиантом по своей сути медленный и трудно контролируемый. И хотя самые сложные решения этих проблем могут создавать инструменты с чрезвычайно хорошей обработкой поверхности, измельчение не может обеспечить совершенно резкую режущую кромку в PCD или PCBN. Это связано с тем, что шлифовальный круг отрывает кристаллы PCD / PCBN на краю, поэтому край не может быть более гладким, чем размер зерна PCD / PCBN. Также практически невозможно шлифовать крошечный радиус, который часто желательно иметь на режущей кромке.

Эрозия может создавать форму инструментам PCD и PCBN намного быстрее, но обеспечивает низкую чистоту поверхности и не лучше на кромке. Это потому, что ни PCD, ни PCBN (или другие сверхтвердые материалы) не являются проводящими. Эрозия использует крошечные электрические искры для сжигания материала, но это проводящее связующее кобальта в инструменте PCD / PCBN, который удаляется, оставляя относительно выпуклую поверхность. Таким образом, качество отделки поверхности ограничено размером зерна. Точно так же для производства высококачественных инструментов PCD / PCBN с эрозией требуется мелкозернистый PCD / PCBN.

            Лазерная резка с помощью алмаза для лучшей кромки и отделки.

Лазер меняет все это. Лазерный луч может срезать кристаллы PCD и PCBN (а не только связующее), создавая более резкий край и превосходную отделку. Лазер также может вырезать другие сверхтвердые материалы, такие как CVD-D и MCD, которые выходят за пределы возможностей шлифования и эрозии. Но не только лазер.

3D-лазерная абляция является результатом миллионов перекрывающихся импульсных отпечатков. Лазерный импульс может быть сфокусирован в пятно с соразмерное с длиной волны или около 500-1000 нанометров, а описанные здесь лазеры имеют частоты повторения в сотнях кГц до 1 МГц.

Как объяснил Рональд Д. Шеффер, PhD из PhotoMachining Inc. (Pelham, NH), при проектировании лазера для данного приложения необходимо учитывать три ключевых фактора: длину волны света, частоту повторения лазерных импульсов и продолжительность каждого импульса. Оказывается, последний фактор является критическим определителем того, может ли лазер разрезать все рассматриваемые материалы. Шеффер сказал: «В общем, инфракрасные лазеры имеют большую длительность волны и длительности импульса и придают энергии их воздействия тепловые механизмы, что делает их лучше для приложений, таких как сварка. Фотоны в ультрафиолетовом [УФ] свете взаимодействуют с электронными связями в большинстве молекул, что позволяет абляцию без нагрева материала. Это делает их лучше для микрообработки ». Но хотя ультрафиолетовые фотоны хорошо взаимодействуют с любой формой углерода, включая алмаз, ультрафиолетовые лазеры слишком медленны, чтобы быть экономически эффективными, и их можно использовать только на очень тонком материале. Более того, другие длины волн обычно не взаимодействуют с CVD-D, MCD или природным алмазом вообще.

            Короткие импульсы в пиковой мощности

При «нормальных» длинах импульсов (примерно 50 или более наносекунд на импульс), CVD-D, MCD и натуральный алмаз эффективно прозрачны. С другой стороны, физика изменяется для ультракоротких импульсных лазеров (т. е. лазеров с длительностью импульса около одной наносекунды). И чем короче, тем лучше, поскольку пиковая мощность для лазерного импульса обратно пропорциональна длине импульса.

Наносекунда равна 1 x 10E-9 секунд, а пикосекунда равна 1 x 10E-12 секунд, поэтому числа становятся немного ошеломляющими. Наносекундный лазер с номинальной мощностью 50 Вт подавал киловатт энергии с каждым крошечным импульсом. (Точная мощность будет также зависеть от частоты импульса, а интенсивность будет меняться в зависимости от размера фокального пятна.) Оставив все остальные факторы одинаковыми, пикосекундный лазер будет в 1000 раз мощнее, чем наносекундный лазер, с пиковыми всплесками в мегаваттах.

Вообще говоря, пикосекундный лазер способен вырезать все сверхтвердые материалы, которые теперь используются для оснастки, в то время как наносекундный лазер был бы превосходным на PCD и PCBN, но ограниченным применимостью к другим материалам. Более конкретно, Schaeffer сказал, что лазеры с длительностью импульса менее 10 пикосекунд являются «не-специфичными к длине волны», тогда как выше над этой точкой вы начинаете видеть небольшие различия в поглощении в других прозрачных материалах в зависимости от длины волны.

Пикосекундный лазер также может сублимировать материал, превращая его непосредственно из твердого вещества в газ без переноса тепловой энергии в материал. Даже на PCD и PCBN наносекундный лазер сначала нагревает и расплавляет материал перед его испарением, хотя и в очень малом масштабе. На практике такой лазер обычно нагревает область, вокруг этой области образуется плазма, а затем материал испаряется.

            Наносекунды против пикосекунд

Как сказал Клаус Дольд, глава технологической технологии EWAG AG объяснил: «Вы не можете разрезать чистый алмаз наносекундным лазером, потому что он будет прозрачным. [EWAG входит в группу United Grinding со штаб-квартирой в США в Майамисбурге, штат Огайо]. Но если вы пытались разрезать MCD-Yellow, например, то было бы поглощение на 10-12% с использованием излучения 532 МГц с наносекундным импульсом. Это потому, что в нем есть азот и другие элементы, которые могут поглощать излучение. Этого достаточно, чтобы начать процесс. Как только вы удалите немного алмаза, вы графитизируете его. А графит поглощает все излучение. Поэтому, как только процесс начнется, вы можете разрезать этот материал. Проблема заключается в том, что вы получаете тепловое повреждение, которое может вызвать дефекты режущей кромки ».

Различия трудно измерить, и среди игроков существует тайна. Например, Rollomatic (Le Landeron, Швейцария, штаб-квартира США в Манделейне, Иллинойс) не скажет, какой лазер используется в своей машине LaserSmart 500. Но их менеджер по продажам продуктов для машины, Свен Питер, сказал, что «достигает чистоты поверхности 0,1 мкм Ra на режущей кромке для PCD, MCD и CVD-D с очень тонкой зоной, подверженной воздействию тепла». Он добавил, что Ra на карбиде только «немного выше».

В сверхтвердых материалах импульсы от наносекундного лазера сначала нагревают и затем расплавляют и испаряют материал, обычно в сочетании с образованием плазмы.

Пикосекундный лазер будет сублимировать материал (превращать твердое вещество непосредственно в газ) с небольшим или с отсутствием теплопередачи.

Лазерная линия Ultra EWAG Laser Ultra использует пикосекундный лазер и, по-видимому, одинаково ориентирована на сверхтвердые синтетические алмазы и карбид, с дополнительным преимуществом удаления материала практически без тепла. «Есть некоторая остаточное тепло, — сказал Дольд. «Но этого недостаточно, чтобы графитизировать материал. Зона термического воздействия не поддается определению, что мы можем доказать с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Мы не видим графита ». Дольд сказал, что EWAG « гарантирует качество поверхности Ra 0,2 микрон. Снижение зависит от материала ».

Таким образом, в зависимости от вашего ассортимента продукции и допусков инструмента вы можете найти наносекундную систему приемлемой. (EWAG также предлагает наносекундную машину, Precision Laser Line Precision.) Как и следовало ожидать, пикосекундные лазеры значительно дороже, хотя цена на все лазерные технологии направлена вниз, и, возможно, разница в стоимости перестанет быть фактором.

            Механизм шлифования инструмента в сравнении с лазерной механикой

Конечно, на самом деле удаление объема материала для создания режущего инструмента требует миллионов перекрывающихся лазерных импульсов. Таким образом, эти системы имеют сканаторы, которые могут быстро перемещать импульсы на площадке размером примерно 50 х 50 мм в плоскости X-Y. Сканер также может изменить положение фокусной точки в Z, когда это необходимо. Кроме того, машина ориентирует заготовку с пятью механическими осями. Таким образом, вы можете сказать, что это восьмиосевые машины (три оптических и пять механических).

Неудивительно, что два лидера в области использования лазерной абляции для сверхтвердых режущих инструментов, EWAG и Rollomatic, известны тем, что строят очень точные шлифовальные станки. Большая часть этого опыта непосредственно применима, в то время как некоторые области включали или даже требовали иного мышления. Например, Дольд сказал, что изолирование оптических элементов от вибрации и проектирование коротких, жестких траекторий лучей имеют решающее значение для обеспечения правильного выравнивания луча. То же самое можно сказать и для проектирования вокруг шлифовального шпинделя.

Весьма необходим опыт  инструментов  для шлифования в  с кинематике, оснастке заготовки, контролем температуры, геометрией инструмента и программным обеспечением. Но есть различия в этих областях. Например, хотя Rollomatic не строит машины с линейными двигателями, LaserSmart использует линейные двигатели для X и Y и двигатели с крутящим моментом для двух поворотных осей. Питер сказал, что помимо превосходной точности только линейные моторы обеспечивают скорость и ускорение, необходимые для эффективного создания небольших радиусов и аналогичных функций. EWAG использует линейные  моторы на всех механических осях.

В другом повороте Rollomatic начал свою высокоценную систему крепления V-блока на LaserSmart, но поскольку лазерная обработка не оказывает существенного давления на инструмент (в конце концов, нет никаких усилий для шлифования), компания может добиться отличных результатов с помощью Стандартной цанговой системы или (чаще), стандартного держателя HSK63. EWAG делает то же самое. И, конечно же, обе компании вынуждены снимать пар, выходящий из инструмента, вместо того, чтобы иметь дело с охлаждающей жидкостью и туманом. Эвакуация и фильтрация пара предотвращает лазерную дифракцию по мере продолжения процесса и поддержания здоровой окружающей среды в цеху.

В интересной аналогии со шлифованием  поверхности колеса на OD EWAG достигает чрезвычайно тонкой отделки, используя только кромку лазерного луча, по существу используя только линию фотонов. Они называют эту «тангенциальную механическую обработку». Дольд сказал: «Количество свободных электронов, которые вы должны генерировать для удаления алмаза, составляет 10 до степени 21, и то же самое относится к фотонам. Для типичного применения режущего инструмента мы начнем с черновой обработки, удалив совсем немного материала — в диапазоне от 0,1 до 0,2 мм. Затем для окончательной обработки мы переходим к тангенциальной обработке, в которой мы используем кромку луча. Преимущество состоит в том, что с этим вы можете делать очень мелкие поверхности. Но скорость удаления материала практически равна нулю ».

Rollomatic LaserSmart 500 и EWAG Laser Line Ultra: два ведущих соперника в этой области. Ultra использует пикосекундный лазер, в то время как EWAG также предлагает наносекундную версию под названием Precision.

Все согласны с тем, что получение хороших результатов в сверхжестких инструментах требует больше, чем просто «лазер». «Ключ, — сказал Питер, — в выполнении целого процесса, который сочетает в себе превосходную механику с лучшими средствами управления лучом, управлением импульсами , перекрыванием импульсов на поверхности инструмента, поворачиванием инструмента во время обработки и т. д. «Поскольку этот процесс существенно отличается от инструментального шлифования, сказал Дольд,« стратегия EWAG заключается в том, чтобы объяснить, как все работает и почему некоторые вещи работают лучше, Клиент может производить все, что захочет. Мы думаем, что чем быстрее люди поймут, что лазер может сделать для них, тем быстрее рынок будет расти ».

            Удивительные результаты

Когда все согласовано, результаты могут быть удивительными. Обе компании говорят, что их машины могут надежно обеспечивать режущую кромку такую же острую, как радиус в один микрон. Хотя общая практика в мире режущего инструмента предполагает, что чрезвычайно острый край является хрупким и нуждается в округлении, чтобы достичь удовлетворительного срока службы инструмента (называемого подготовкой кромки), Питер сказал, что если вы можете гарантировать согласованный край (т.е. без каких-либо обрезков) , чрезвычайно острый инструмент работает лучше во многих приложениях.

Такие же важные и даже более сложные задачи, эти машины также могут контролировать передний край, чтобы обеспечить конкретную и точную округлость кромки для тех приложений, где это будет работать лучше. И они могут доставлять сплошную круглую фаску любой ширины вдоль края. Лазерная технология также способна создавать стружкорезы и другие функциональности, которые практически невозможно создать в PCD и других сверхтвердых материалах любым другим способом. Точность профиля находится в диапазоне ± 3 мкм на готовых инструментах. Клиенты Rollomatic сообщили о точности, равной ± 2 мкм.

            Что дальше?

Питер сказал, что большинство пользователей производят одни и те же конструкции инструментов с лазером, которые они могли бы использовать с использованием обычных методов, но «превосходное качество и резкость кромки с помощью лазера позволит инструментам разрабатывать новые геометрии инструмента с более высокой производительностью». Питер также предположил, что лазерные возможности резать почти все  позволяет дизайнеру рассматривать совершенно новые материалы, и в индустрии просто урчат от таких перспектив.

Дольд сказал, что, хотя первоначальный импульс лазерной абляции в производстве режущего инструмента стал для инструментов CVD-D, основным рынком остается PCD. «Но это новая область, и все смотрят в нее. Есть люди, которые говорят, что тепловой ущерб, создаваемый наносекундными лазерами в MCD, приемлем до тех пор, пока инструмент годен, и они используют этот подход. Опять же, цены снижаются для обеих систем. Так что посмотрим.

В интригующем ключе Markus Stolmar, подразделение United Grinding North America, подразделение инструментальных средств (Miamisburg, OH), сказал, что он видит больше рыночного потенциала для лазерных технологий на рынке карбидов, чем рынок сверхтвердых инструментов. «Сверхтвердый рынок останется небольшим», — сказал он. «Но способность лазера к созданию четко определенного края и специальной поверхности, включая поверхности, отражающие стружку, может оказаться более крупным продавцом для твердосплавных инструментов». Питер сказал, что «карбидные приложения интересны и многочисленны. Мы увидим больше приложений с комбинациями алмазных и карбидных материалов, которые обрабатываются на лазерах ».

Источник:

http://advancedmanufacturing.org/buck-rogers-blasts-toolroom/