聚晶金剛石復合片( Polycrystalline Diamond Compacts，PDC) 是一種新型超硬材料，通過在高溫高壓條件下將金剛石微粉與用作催化劑的金屬均勻混合并燒結在硬質合金基體上制備而成。PDC 以其極高的硬度、耐磨性以及良好的焊接性能而被廣泛應用于切削加工、地質鉆探、石材加工等領域的工具制備。隨著數控加工技術的快速發展，普通高速鋼、硬質合金刀具在很多場合已無法滿足高切削速度、高刀具耐用度及低加工成本的要求，PDC 刀具以硬度高、摩擦系數小、熱變形小、加工精度高、使用壽命長的優勢在精密切削等領域應用逐漸增多。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難，傳統的加工方法無法對其加工。

　　目前，切割PDC 的主要方法有電火花線切割、磨料水射流切割和激光切割。國內對電火花線切割研究較多，但在使用電火花線切割加工PDC 時，由于放電強度難以控制，會對PDC 材料表面造成損傷，不僅影響了切削面質量，增加了刀具刃磨余量，同時也影響刀具的壽命，而且電火花線切割速度要比激光切割慢幾個數量級，效果不甚理想。磨料水射流切割耗材多、運轉費用高、工藝復雜、精度低。相比之下，激光切割是一種無接觸式加工，具有切縫小、效率高、熱影響區域小、切縫邊緣無機械應力等優點，被認為是切割PDC 的一種理想方法。

1 PDC 的激光切割機理和工藝

　　PDC 刀具的制造過程如圖1 所示，主要包括兩個階段:

圖1 PDC 刀具制造過程

　　(1) PDC 的制造: PDC 是由天然或人工合成的金剛石粉末與結合劑按一定比例在高溫、高壓下燒結而成。

　　(2) PDC 刀片的加工: PDC 刀片的加工主要包括復合片的切割、刀片的焊接、刀片的刃磨等步驟。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質量直接影響刀片焊接的效率和PDC 刀具整體的質量?！　〖す馇懈頟DC 時，激光器發射出的激光束，經外電路系統，聚焦成高功率密度的激光束，高功率密度的激光束通過光學元件的傳導照射到PDC 表面上，激光束的能量分配如圖2 所示，Ｒ、A、T 分別代表工件表面反射、工件內部吸收和通過工件傳導的能量分量。每個能量分量都是工件材料、工件溫度和激光輻射波長的函數。

圖2 激光能量分配

　　工件內部吸收的激光束能量分量AI0迅速轉化成熱能，使照射斑點區域的溫度上升，由于聚焦后的激光束能量密度極高，中心部位溫度可達10 000 ～20 000℃，瞬間的高溫使PDC 局部迅速熔化以至汽化并形成孔洞，再輔之以一定的激光束和工件之間的相對運動，便可使PDC 形成切縫，最終將PDC 切割成要求的形狀。

　　圖3 是激光通過透鏡后在工件表面上聚焦的情況，它反映了在激光加工過程中，對切割工件質量有影響的各主要因素:

圖3 激光加工中主要影響的工藝因素

　　(1) 不同的激光波長和透鏡焦點距離會產生大小不同的斑點尺寸;

　　(2) 激光束的強度和斑點直徑決定工件表面上的能量密度;

　　(3) 工件的材質、表面狀態和激光波長決定反射率的變化和輸入能量的吸收率，以及由此影響表面溫度;

　　(4) 工件的傳導率和熱擴散率影響熱量在工件內部的傳遞。

　　因此，需要通過實驗，對激光切割的各項工藝參數進行優化，主要包括激光功率、光路、切割速度、焦點位置、輔助氣體及切割路徑等。通過實驗優化參數后，能使激光切割PDC 的切縫寬度小于0． 08 mm，切割速度達到50 mm/min。

2 光學系統的研究與開發

　　光學系統的主要功能是將激光輸送到加工部位，通過調整輻射參數，構成高功率密度的光束。光路系統原理設計如圖4 所示，可分為激光束參數變換系統和觀測定位光學系統兩大部分。

圖4 光路系統設計原理圖

　　2.1 激光束參數變換系統

　　Nd: YAG 激光器輸出的1 064 nm 波長的激光極易被金剛石材料吸收，且峰值功率高、熱影響區小、結構緊湊，非常適合PDC 的切割加工。本文選擇Nd:YAG 固體激光器作為PDC 數控激光切割機床的激光發生器，工作物質選用為8 mm × 180 mm 的特優級Nd: YAG 晶體棒，諧振腔腔長為330 mm，腔型為平凹腔，選用氙燈泵浦，聚光腔為雙橢圓柱腔。

　　一般激光切割機床都采用單極激光器輸出，產生的激光功率密度較低，切割PDC 的最大厚度只能達到2 ～ 3 mm，且切割速度較慢，無法完全滿足刀具制造企業的要求。為了增大輸出激光的功率密度，本文提出了一種“一級震蕩，一級放大”結構的兩級激光輸出技術，如圖4 所示。通過震蕩YAG 激光器調節激光脈沖寬度、光束發散角等模參數，由放大YAG 激光器調節脈沖能量或功率，由兩級激光器輸出的激光束，經過擴束鏡將激光束的直徑擴大，通過反射鏡將擴大后的光束引導至聚焦鏡表面，經聚焦后，在被加工件表面得到滿足加工使用要求的激光功率密度和光斑直徑。采用兩級激光輸出技術，可大大提高激光的輸出功率，其功率可達到一般激光切割機床的2 ～ 3 倍，并使激光具有更好的光斑模式，光束發散角小于0. 8mrad，從而使激光切割PDC 的最大厚度從3 mm 提高到5 mm 左右，同時極大提高PDC 的切割效率。

　　2.2 觀測定位光學系統

　　激光切割PDC 時，操作人員可在觀測定位光學系統的協助下定期觀察PDC 的成形情況，同時實時調整激光瞄準定位。觀測定位光學系統包括高清CCD、監視器和監控軟件。激光束照射到PDC 表面上，可見光被加工表面反射，并通過聚焦鏡、反射鏡、物鏡進入CCD 攝像機，操作者便可通過觀察屏幕裝置，實時觀察PDC 激光切割過程，并可按切割情況實時調整設備的工作狀態，避免產生廢片，保證切割的質量。

3 激光切割數控機床結構設計

　　為了對PDC 進行激光精密切割，必須確保機床床身有足夠的剛度、不易受環境溫度影響，同時還需能精確定位，準確進給的精密工作臺與之配合。機械傳動鏈必須滿足運動靈活、傳動平穩、系統精度高等要求。PDC 數控激光切割機床的機械結構如圖5 所示，主要包括機床床身、數控工作臺、Z 軸調焦系統、激光器支架等部件。

圖5 PDC 數控激光切割機床的設計

　　3.1 機床床身

　　根據PDC 切割精度及光路系統要求對機床床身機械結構進行設計如圖5 所示，確保整機實現精確定位、平穩運行和高可靠性。

　　3.2 數控工作臺

　　在激光切割機床對PDC 材料進行激光切割時，數控工作臺可以實現工件精確定位和切割加工。數控工作臺采用高精度導軌、小螺距絲杠，確保各軸運動的平行度、直線度及垂直度。通過機床專用的工控計算機對電動機進行精確控制，保證激光光束與材料的精確相對位置和加工線條的流暢性。

　　3.3 Z 軸調焦系統

　　配備激光頭升降系統，采用可調節高度的Z 軸結構設計。在PDC 激光切割過程中，根據工件不同的厚度和加工要求，調節Z 軸調焦系統，使激光的焦點處于最佳位置。

4 數控激光切割系統

　　激光切割的優點之一就是便于與數控系統整合，易于實現加工自動化，使機床具有更好的加工柔性。用戶只需將PDC 形狀、光斑直徑、切削參數以及輔助功能按照規定的圖形或數據格式輸入到數控系統中，數控激光切割自動編程軟件系統就能自動編寫加工程序單，控制激光的運動路徑、激光器的開關、激光功率的大小、輔助氣體的壓強和冷卻系統的開關等等。使加工過程完全實現自動化，提高了加工精度和生產效率，保證了產品質量的穩定性，滿足將來大規模工業生產的要求。

5 結語

　　本文對PDC 數控激光切割機床進行了研究和開發，實現了對PDC 的高精度激光切割。提出了一種“一級振蕩、一級放大”的兩級激光輸出技術，其功率可達到一般激光切割機的2 ～ 3 倍，提高了激光切割PDC 的最大厚度，同時提升PDC 的切割效率。根據高精度切割要求，設計了數控激光切割機床的整體結構，并開發了適用于PDC 切割的數控系統，保證了機床的自動、精確、平穩的運行。