脉冲激光加工微细钻铣刀具研究现状及其发展趋势
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2024-08-29 16:56
四川
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满吉鑫，陈俊璋，余举满，孙勇，王成勇，郑李娟. 脉冲激光加工微细钻铣刀具研究现状及其发展趋势[J]. 工具技术, 2024, 58(7):12-23.Man Jixin,Chen Junzhang,Yu Juman,Sun Yong,Wang Chengyong,Zheng Lijuan. Research status and development trend of pulse laser processing micro-drills and micro-milling Tools[J]. Tool Engineering, 2024, 58(7):12-23.随着微小零部件在航空航天、精密仪器、生物医药、汽车和电子领域的广泛运用，各种微纳制造技术蓬勃发展，如磨削、线切割、激光加工和聚焦离子束等，而微切削仍是目前最可靠的微纳加工方式。微切削是指在常规的精密机床或微小机床上采用特定几何的切削刃将材料以机械方式直接去除的机械微加工工艺方法，微细钻铣刀具则是微切削的主要工具。微铣刀直径一般为0.001~1mm，微钻直径一般在1mm以下。由于微细钻铣刀具尺寸小，为了获得高质量、高可靠性和高可重复性的微细钻铣刀具，需要精密的微细钻铣刀具制造工艺。当前微细钻铣刀具制造的挑战主要有三个方面：一是刀具材料为难加工材料，极难加工；二是微细钻铣刀具尺寸小且刚度低，制造过程中容易出现缺陷；三是螺旋槽等复杂结构增加了微细刀具的制造难度，制造效率低。目前微细钻铣刀具材料主要有硬质合金、聚晶金刚石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）等。其中硬质合金微细钻铣刀因具有良好的性价比而被广泛使用在机械加工中。PCD和PCBN属于超硬材料，使用传统方法极难加工成型，一般用于高性能微细钻铣刀具制造。微细钻铣刀具的结构与大直径的切削刀具不同，为了增加微细刀具的刚度，往往设计成非中心对称结构，并且对刀具几何形状进行简化，从而减小刀具制造难度。但是研究表明，微细刀具的结构对加工效果影响很大，螺旋型结构的微细钻铣刀具切削效果最好。此外，大直径刀具的制造方法难以直接用于微细刀具的制造，需要对原有的制造技术进行改进或创新，从而实现微细钻铣刀具各种几何结构的高效、稳定和可控制造。本文对比了目前各种微细钻铣刀具制造方法的优缺点，并探讨了脉冲激光制造微细刀具的加工机理和加工工艺等的研究现状，提出了采用脉冲激光加工技术制造微细钻铣刀具的未来发展趋势。目前微细钻铣刀具的制造技术主要包括精密磨削（Precision grinding，PG）、电火花加工（Electrical discharge machining，EDM）、聚焦离子束溅射加工（Focused ion beam，FIB）、脉冲激光加工（Pulse laser ablation，PLA）和多种加工方法的复合加工制造（Multiple-process fabrication，MPF）等。精密磨削方法主要用于制造具有复杂结构的硬质合金微细钻铣刀具。精密磨削是一种以超硬磨料砂轮为主要加工工具，在精密机床上通过砂轮与工件之间的相对运动对微细刀具进行成型的一种加工工艺。使用精密磨削技术制造的微细钻铣刀具具有良好的尺寸精度和表面质量，目前已经成功制造了直径2~1000μm的微细钻铣刀具，图1为采用精密磨削工艺加工出的不同直径和结构微细钻铣刀具。Aurich J.C.等用精密磨削的方法制造了直径10μm，20μm和50μm的变螺旋角单刃微细立铣刀，刃口半径达0.1μm，加工时间小于10min。日本斋藤制作株式会社制造的微型麻花钻头直径低至20μm，该钻头采用微钻头标准长度L=10d，此外该公司也可批量制造直径50μm的球头立铣刀。深圳金洲精工科技股份有限公司采用精密磨削方法制造的10μm直径微细钻头和微细铣刀获得商业化应用。虽然精密磨削可以对微细钻铣刀具进行精确成型且加工表面质量较高，但是精密磨削产生的磨削力会导致微细钻铣刀具变形甚至折断，此外，还存在加工超硬微细钻铣刀具材料砂轮磨损严重和磨削液污染环境的问题。电火花加工方法主要用于制造结构较复杂的可导电超硬材料微细钻铣刀具。电火花加工是一种采用金属作为电极并通过对工件放电瞬时产生的局部高温将材料蚀刻下来的加工方法。用于微细钻铣刀具制造的电火花工艺又可以分为电火花线电极磨削（WEDG）、电火花电极切割（WEDM）和低速电火花回转加工（LS-WEDT）等，WEDG加工精度高无锥度，但是效率低，可用于复杂的平直表面，但是不能形成旋转表面；LS-WEDT具有灵活的空间移动性，可用于制造复杂螺旋表面。通过对放电电压、电流和线速等参数的精确控制，研究人员使用电火花加工成功制造出直径30~1000μm微细钻铣刀具，图2为使用电火花加工出的微细刀具。Egashira K.等使用电火花技术制造出了最小直径为3μm的微细钻铣刀具，但是微细刀具表面热影响较为严重，此外发现使用超细晶粒硬质合金可以提高刀具的形状精度。Ohnishi O.等使用WEDM方法制造了直径300μm的微钻。Gao C.等使用WEDM制造的微钻直径500μm，刃口半径达6.7μm。在表面质量方面，由于电火花加工技术的表面粗糙度和热影响区较大，因此电火花技术主要用于微细钻铣刀具的粗加工和半精加工。电火花加工可以加工可导电超硬微细刀具材料，且随着电火花工艺的改进也可加工出螺旋面等结构，但是存在加工表面质量较差和热影响区大等缺陷。脉冲激光加工方法可用于制造具有复杂螺旋结构的硬质合金/超硬材料微细刀具。脉冲激光加工是一种将激光能量辐照在材料表面从而对材料按一定轨迹进行烧蚀去除的加工方法，通过控制激光的扫描轨迹可以实现复杂三维曲面的激光加工。目前脉冲激光技术可以加工直径30~1000μm的微细钻铣刀具。图3展示了使用脉冲激光工艺制造的不同直径的微细钻铣刀具。Everson C.等使用纳秒激光加工出刃口半径为6μm的PCD微细铣刀。Eberle G.等使用皮秒激光加工出了直径0.5mm的硬质合金和PCD复合材料钻头，刃口半径为2.6μm。Ogawa Y.等使用圆偏振红外飞秒激光制造了一种PCD球形微细铣刀，刃口半径达0.8μm。在微细钻铣刀具表面质量方面，使用纳秒、皮秒和飞秒激光可获得的Ra值分别为0.625μm，0.3μm和0.05μm，纳秒激光的热影响区明显，而皮秒和飞秒激光几乎观察不到热影响区的存在。脉冲激光加工技术工艺灵活性好，可以实现复杂曲面结构的微细钻铣刀具制造而且材料适应性好。但目前高性能脉冲激光器价格昂贵，限制了脉冲激光加工技术的应用，此外也缺乏脉冲激光加工不同微细刀具材料的工艺数据库，导致需要进行大量实验来获得微细钻铣刀具制造工艺参数的问题。聚焦离子束加工方法主要用于制造简单结构的微细刀具。聚焦离子束是一种集形貌观测、定位制样、成分分析、薄膜沉积和刻蚀各个过程于一身的新型纳米加工与分析技术，通过将离子束聚焦于样品表面，在不同离子束流（镓离子、氦离子或氖离子）及不同气体的辅助下，可实现材料的纳米结构刻蚀，目前聚焦离子束加工微细刀具能实现直径为2~100μm。当离子束聚焦直径控制在10nm以下且加工公差在亚微米的范围内时，可以制造出切削刃非常锋利的微细刀具。研究表明，聚焦离子束加工金刚石微细刀具切削刃半径可达15~20nm，而硬质合金微细刀具的切削刃半径为40nm，不同的材料有不同的锐度极限。图4为使用聚焦离子束技术制造的不同直径的微细刀具。基于聚焦离子束技术，Adams D. P.等制造了直径15μm的微细立铣刀，刃口半径为0.1μm，表面粗糙度Ra＜0.04μm。聚焦离子束加工方法以极高的精度加工微细刀具的切削刃等结构，加工表面质量高，无材料选择性，但是存在材料去除率极低、工艺灵活性差和使用成本高等问题。复合加工制造技术主要应用于简单结构的硬质合金/超硬材料微细刀具的制造，通常结合两种及以上的技术来制造微细刀具，能够实现2~1000μm的微细刀具制造，图5为采用复合加工技术制造的微细刀具。Ali M.等采用WEDG和聚焦离子束的组合制造了直径20μm长径比分别为1.25，2.5和4.5的硬质合金微细立铣刀（见图5a），WEDG用于毛坯粗加工，聚焦离子束用于切削刃的成型最终表面粗糙度Ra达60~65nm。Yang K.等采用脉冲激光和精密磨削相结合制造了CVD金刚石微细铣刀（见图5b），使用纳秒激光诱导金刚石石墨化，再使用砂轮将石墨层和热影响区去除，采用这种复合加工工艺可以获得锋利且无裂纹的切削刃，切削力也更加稳定。Wu X.等采用WEDM和精密磨削组合的工艺制造了直径0.7mm的PCD微细立铣刀（见图5c），切削刃半径达3μm，由于大部分材料在WEDG加工中被去除，所以在后续磨削加工中可以使用较小的进给速度，同时加工时间也由原来的几天缩减至几个小时。相对于单一加工技术，复合加工制造技术能以较高的效率加工微细钻铣刀具，在微细刀具表面粗糙度和刃口精度方面有显著优势，但是目前缺乏复合加工专用机床，工件需要多次装夹，易导致定位误差。精密磨削可以对微细刀具尺寸进行精确控制，但是存在材料去除效率低和砂轮磨损的问题，特别是超硬微细刀具的磨削，材料硬度几乎与金刚石磨料硬度相同，导致研磨效率低下、砂轮磨损严重和磨削液环境污染严重的问题，此外磨削之后微细刀具表面的微裂纹和凹坑会对刃口精度和表面质量产生不利影响；电火花加工几乎没有力的作用，而且随着电火花工艺的改进已经展现出加工复杂刀具结构的潜力，但是加工过程中会有较大的热影响使得材料出现非晶层或者石墨化，影响微细刀具的性能，而且只能用于导电材料的加工；聚焦离子束在微细刀具的制造过程中能以极高的精度加工出切削刃等结构，但主要的问题在于材料去除效率太低，设备无法长时间稳定工作，运行成本高昂，目前只适用于实验室探索研究；复合加工制造技术整合了各项技术的优点，但是也存在多次装夹导致的定位误差问题，此外也缺乏相关专用的复合制造机床，多工艺整合困难；脉冲激光加工技术相对于其他加工技术在微细刀具的表面质量、材料适应性、加工精度和加工效率上有明显的优势，随着高性能激光器的国产化和相关激光制造刀具CAD/CAM系统的发展，脉冲激光制造技术将会成为微细刀具制造技术主要的发展方向之一。目前各种微细刀具制造工艺优缺点对比如表1所示。脉冲激光的加工机理主要与激光的脉宽有关。按照脉冲激光的脉宽长短可分为纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光，其中皮秒激光和飞秒激光统称超快激光，而纳秒激光属于长脉冲激光。当激光为脉宽<10ps的超快激光时，在不同的时间尺度下会发生多光子吸收、隧穿电离（通常在1fs后）、雪崩电离（约50fs后）、电子加热（约100fs后）、电子—晶格间的能量传递（约1ps后）等一系列物理现象（见图6）。在这些过程中，原子的价带电子通过自由载流子吸收光子能量，当吸收能量到一定阈值，价带电子就会跃迁，从而发生电子雪崩电离的现象，产生的离子被溅射出来，超快激光的材料烧蚀机理复杂，目前尚无统一结论。当激光脉宽＞10ps时，此时脉宽大于电子和晶格之间的热传递时间，材料主要发生熔化和蒸发等热行为，从而将材料去除，此时对于不同的微细钻铣刀具材料会有不同的去除机理。从长脉冲激光和超快激光的能量利用分布也可以看出，相比于长脉冲激光，飞秒激光在靶材交互作用过程中的能量利用率更高，加工过程中的冲击波和热影响几乎可以忽略不计，可有效避免热力学行为，提高作用区域的加工质量和精度（见图7）。3.1.1 飞秒/皮秒激光加工微细钻铣刀具材料机理研究现状在飞秒激光加工金刚石的过程中，激光能量通过光致光学击穿转移到目标介质，并聚集在1/a（a为光学吸收系数）厚度的薄层中，其中大部分电子被电离，极高的峰值功率诱导了非线性多光子吸收，金刚石全部或者部分发生从sp³到sp²的相变过程，并在辐照区域内能量密度大于烧蚀阈值的部分金刚石发生化学键断裂和相爆炸，此外Li Zengqiang等通过分子动力学模拟发现烧蚀从PCD金刚石的晶界开始，因为这部分的势能更高（见图8）。而且飞秒激光的脉冲时间小于电子—声子的弛豫时间，降低了热影响区出现的概率，所以飞秒激光可以在金刚石微细刀具上加工出具有清晰明确的刀具边缘，但是在金刚石的表面仍有概率出现小的石墨碎屑，这些石墨碎屑可通过浸泡在有机溶剂（乙醇、甲醇或丙酮等）、酸性洗涤剂或超声波清洗来去除。在飞秒激光加工硬质合金材料方面，研究表明，飞秒激光通量与纳米颗粒和熔融堆积物的出现有直接关系，在较低的激光通量下观察不到纳米颗粒或者熔融堆积物的出现，硬质合金通过升华去除，随着激光通量的增加，纳米颗粒和熔融堆积物就会出现，这是因为硬质合金晶格热平衡时间随着通量的增加而增加，因此在较大的激光通量下，较长的热平衡时间意味着硬质合金已经处于熔融的状态，后续的脉冲激光会产生拉伸应力，拉伸应力则会推开熔化的硬质合金，从而形成纳米颗粒或者熔融堆积等，表明如果飞秒激光加工参数与材料不匹配仍然会导致较差的加工质量。当使用皮秒（τp=10 ps）激光加工金刚石时，脉冲时间正好与晶格加热时间相近，因此电子可以将热能传导到晶格从而达到热平衡，此时材料主要的烧蚀机制是相爆炸或沸腾爆炸、相分离和气化。而PCD的石墨化和热影响区的大小与晶格温度有直接关系，Kuznetsov V. L.等将金刚石石墨化温度定义为670℃~1000℃，具体数值与气体类型、气体压力、钻石类型和分析技术有关，在皮秒激光加工下由于PCD复合材料电子晶格系统的平衡温度可能会高于石墨化的起始温度，所以会有概率使PCD发生石墨化转变。对于皮秒激光加工硬质合金，除发生上述的相爆炸等烧蚀过程，Marimuthu S.等采用平均功率为300W高功率皮秒激光加工硬质合金，没有发现热影响区，由于很高的平均功率使得材料去除率达到了45mm³/min，展现了皮秒加工高效高速加工的潜力，此外脉冲串模式会对硬质合金的皮秒加工产生不利的影响，在使用多脉冲串模式后在硬质合金表面发现10~65μm的热影响区范围。3.1.2 纳秒激光加工微细钻铣刀具材料机理研究现状使用纳秒脉冲激光加工CVD金刚石时，在较高的激光能量下（超过金刚石的带隙能量）金刚石直接被加热气化，而较低能量的脉冲激光不能将金刚石加热到蒸发温度，而是使金刚石发生石墨化转变，并且由于CVD金刚石与石墨的密度差，在热应力的作用下石墨会碎裂成细小颗粒而被去除。使用纳秒激光加工PCD时，由于PCD为金刚石与Co烧结而成，金刚石的带隙能量为7.3eV，显著高于波长λ=1064nm时1.17eV的纳秒激光光子能量，此时主要发生线性吸收，且金刚石颗粒在1064nm的波长下表现出较高的透射率，因此激光会穿过金刚石颗粒后被Co所吸收，吸收现象与多孔表面相似。由于激光在微孔内不断反射，所以Co将吸收大部分能量，金刚石在875℃的大气环境会发生石墨化，由于Co可以作为金刚石石墨化的催化剂，所以在Co的催化下金刚石石墨化在810℃时即可发生，随着Co吸收激光能量温度升高到金刚石的石墨化温度，Co被加热熔化和气化，并且金刚石在Co的边界处发生石墨化，随着Co基体的蒸发去除和金刚石石墨化的出现，金刚石颗粒从表面脱落去除。纳秒激光加工硬质合金材料时，材料的去除主要是由热效应引起的，例如热影响区、重铸层和热应力。Co的熔点为1494.85℃，沸点为2926.85℃，WC的熔点为2869.85℃，沸点为6000℃，WC的沸点远高于Co，因此有学者利用WC和Co熔沸点的不同这一特点，使用纳秒激光并且采用适当的激光参数从硬质合金表面选择性的去除Co。为了完全去除WC和Co，需要较高的激光能量，在此过程中Co先被熔化蒸发，随着温度不断升高，WC开始熔化，部分C元素与空气中的O发生反应生成CO或CO2等挥发气体，晶体结构由原始的WC转变成β-WC1-x，W2C和CW3，变为W晶体后被蒸发去除，最后烧蚀表面会存在WO3，CoWO4，Co3O4和CoO等氧化物（见图9）。激光加工参数对微细钻铣的加工质量有很大的影响。Chen N.等分析了纳秒激光加工参数，指出低能量密度和较大的激光填充间距有利于获得较好的加工表面质量，但会使得材料去除率降低。Büttner H.等指出在微细钻铣刀具的激光加工参数中脉宽、脉冲能量、扫描速度和扫描间距对加工质量影响最大，此外刀具直径对加工质量也有显著影响，图10为激光加工刀具与CAD模型的比较，切削刃处的偏差小于10μm，最大的形状偏差出现在螺旋槽处，但是螺旋槽对切割影响不大，所以该偏差可以忽略不计。通过与切削刃的尺寸、前角和后角的对比发现，与设计的几何形状相匹配，激光加工效果展现了很好的一致性。Xia Y.等通过正交试验和方差分析优化了皮秒激光加工PCD微细铣刀工艺参数，结果表明，晶粒尺寸和脉冲间距对切削刃半径影响最大，使用较低的脉冲能量可以获得较高的表面质量。皮秒激光入射通量对硬质合金表面粗糙度和单位能量烧蚀体积的影响如图11所示，可以看出，烧蚀表面粗糙度随着激光入射通量的增加而增加，烧蚀体积随着激光入射通量的增加先增大后减小，可见，过大的激光入射通量会降低激光的加工效率。除了通过调整激光的加工参数改善加工质量，如何对微细刀具复杂结构的激光精确成型也是研究的重点。在很长的一段时间内，激光加工均是在平坦的材料表面上进行，随着激光加工技术引入刀具制造领域，激光需要在圆柱形的毛坯上加工出复杂的刀具结构，原先的2D和2.5D分层正交扫描方式并不适用于刀具结构的加工，因为对于分层扫描策略，激光束从径向入射，如果对刀具材料进行分层烧蚀，每层的微小随机误差会逐渐累积并影响最终的精度，刀具表面质量和几何轮廓的准确性强烈依赖激光参数的选择。对于螺旋槽等复杂微细刀具结构的激光精确成型工艺目前已经有相关研究。单位能量烧蚀体积的影响Tokarev V.等提出了激光准切向加工工艺，该工艺中激光以大于75°的角度入射加工表面，并采用略低于材料的烧蚀阈值的脉冲能量密度，实现了自限性激光烧蚀抛光加工，在此基础上将激光切向加工工艺引入刀具制造领域，图12为螺旋槽的径向和准切向加工原理，使用切向加工工艺制造的微细钻铣刀具如图3a、图3b、图3c、图3e所示，切向激光加工策略展现了在不同微细刀具材料如硬质合金和PCD毛坯上精确的加工出微细刀具结构的能力。由于切向加工工艺激光束的能量没有完全辐照到材料上，如图13所示，因此烧蚀效率较低，同时高斯光束的能量在低于材料烧蚀阈值的部分会在材料中消散，由此可能会导致热影响区的出现。Warhanek M.等开发了适用于旋转工件2.5D激光烧蚀的CAM系统，图14为六种不同旋转工件2.5D激光扫描策略，第三和第四种扫描策略结合了工件的旋转运动和扫描振镜的线性扫描运动，被认为可以实现毛坯材料的高效去除和高质量加工，但是该工艺并没有真正实现光学轴和机械旋转轴的同步控制。进一步地，Ackerl N.等展示了一种应用于旋转刀具螺旋槽结构制造的七轴联动准切向激光制造方法（见图15），设计出螺旋槽的三维模型，通过.STL格式文件导入，以激光烧蚀特性数据库作为输入，依此计算激光的扫描路径并生成数控系统的NC代码。基于该CAM系统的制造流程还存在一些缺陷（见图16），目前所依赖的.STL文件容易出现一些缺陷，这些非闭合曲面会导致激光计算路径错误，目前暂时还没有.STL文件格式的替代方案，此处涉及计算机图形处理方面的研究不在本文的讨论范围之内。激光属于非接触式加工，通过辐照的方式将能量传递到待加工表面进而将材料烧蚀去除，并且仅在激光能量密度大于材料烧蚀阈值的区域内才会发生烧蚀行为，图13展示了由此产生的直径偏差。当使用超快激光加工微细刀具时，由于材料参数的误差和激光能量的非线性吸收，使得烧蚀过程难以预测，特别是在具有变曲率的复杂结构的刀具加工上。目前主要有两种方法来解决该问题：①开发对应的经验补偿模型，在加工简单的刀具形状下经验模型足以校正加工过程中产生的偏差，Gilbert D.等引入了一种数值模型，将不断变化的表面几何形状纳入到光束入射的计算中，即使去除少量的材料也需要很长的计算时间，对于具有螺旋槽等复杂几何结构的微细刀具，经验补偿模型无法校正不断变化的激光入射角度对微细刀具毛坯表面的影响；②自动误差补偿方法，通过在线检测的方法不断检测激光加工的过程，并反馈刀具轮廓的变化情况，从而实现激光加工过程的闭环控制，Deng H.等介绍了一种金刚石砂轮的在线激光仿形方法，通过检测砂轮表面的跳动和照射到砂轮表面的激光功率来获得材料的去除情况，以优化加工时间，当满足跳动精度要求时，停止加工。Warhanek M.等提出一种脉冲激光在线检测制造微细刀具的方法，图17为脉冲激光在线检测加工系统，该系统包括刀具在线监测仪、激光源和扫描振镜。图18为刀具轮廓的校正流程，第一步为测量刀具初始轮廓，轮廓测量在几分钟内完成，然后通过切向激光去除余量；第二步为刀具轮廓的迭代校正，每次校正均从上次测量的结果开始，直至刀具轮廓误差在公差范围内，最后保存最终的测量结果。图19为激光加工过程中微细铣刀包络线的演变过程，使用该方法制造的微细立铣刀表面粗糙度Ra达0.55μm，直径公差达到3.5μm，实现了良好的迭代加工效果。因此，采用激光正交粗加工，并且通过主动补偿策略进行切向精加工，使得具有复杂结构微细刀具激光制造成为可能。图19 基于迭代校正的不同阶段铣刀的激光扫描包络线综上，微细钻铣刀具的激光制造目前主要围绕材料的脉冲激光加工机理、激光加工参数和激光成形方法等内容开展研究，如图20所示。在皮秒/飞秒超快激光加工微细刀具材料的加工机理方面，研究人员提出了库伦爆炸模型、微爆炸模型和电离模型等，但是都不能很好地解释加工过程发生的现象，目前仿真分析是研究加工机理和激光与材料相互作用的主要手段；不同微细刀具材料的纳秒激光加工，主要是将材料熔化蒸发去除过程基本相同。在微细钻铣刀具的激光加工参数研究方面，激光加工参数对微细刀具的加工质量有很大影响，通过合理选择激光加工参数可以有效提高微细钻铣刀具的加工质量。微细钻铣刀具的激光成型方法研究主要集中在准切向/切向加工方法上，目前关于微细钻铣刀具的激光多轴联动加工、在线检测和迭代加工的研究较少，未来还需在这些方面开展深入的研究。从2.5D激光定轴分层烧蚀技术到目前机械—激光七轴联动加工技术的实现，脉冲激光烧蚀技术在加工各种复杂结构的微细刀具制造上展现了巨大的潜力。在微细刀具材料的超快激光加工机理研究方面需要将超快摄影等观测手段和仿真研究相结合。还需考虑激光加工参数如脉冲能量、脉冲重叠率、扫描重叠率、扫描策略对材料去除率、表面质量以及尺寸精度的影响规律，建立不同激光与不同微细刀具材料烧蚀特性数据库，从而实现微细刀具脉冲激光加工的快速成型。此外，目前的激光机床光源种类单一，无法适应各种微细刀具的高效高质制造，通过开发具有不同脉宽的复合加工机床，一次装夹即可实现纳秒粗加工和皮秒/飞秒精加工，同时与在线检测、CAD/CAM等先进技术相结合，可以满足新结构、新材料和高精度的微细钻铣刀具的加工需求。此外，复合制造技术通过整合各项技术的优点也具有实现微细钻铣刀具高效高质的潜力。通过对比不同的微细刀具制造方法，介绍了脉冲激光制造微细刀具的材料加工机理、加工工艺研究，总结并讨论了微细钻铣刀具未来的发展方向，得到如下结论。（1）目前微细刀具制造技术很多，但各有优势和劣势：超硬材料精密磨削困难，电火花加工只适用于导电材料且有明显的热影响区，聚焦离子束加工效率低而成本高，复合加工缺乏专用机床且不同的工艺整合困难，而激光加工在加工精度、加工质量、加工效率和材料适应性上展现了明显的优势。（2）目前主要从激光加工机理、激光加工工艺参数和微细刀具激光成型方法等方面对激光制造微细刀具开展研究。微细刀具材料的超快激光加工过程中会发生一系列复杂的理化现象，如多光子吸收和雪崩电离等。由于观察和分析手段有限，目前尚无统一的理论能够解释超快激光的烧蚀过程，对于纳秒及以上脉宽的激光烧蚀机理主要是热效应导致的蒸发去除。目前通过切向和径向激光加工工艺与CAM系统相结合已经可以制造复杂的刀具结构，同时加工质量接近甚至超越传统的磨削工艺。（3）未来微细刀具的激光制造技术将朝着多类型激光束复合、在线检测、在线监测和CAD/CAM等先进技术相结合的方向发展。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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