現(xiàn)如今，有越來越多的材料給材料加工商帶來了挑戰(zhàn)。為了切割、鉆孔和構(gòu)造諸如鋁鎂合金、復合材料、硬金屬合金以及包含金屬顆粒的塑料，就需要用到極具耐磨性的工具材料。這也意味著，選擇的方式通常是合成制造的多晶金剛石（PCD）和工業(yè)陶瓷。
除了具有極高的耐磨性外，這些超硬材料還具有其他優(yōu)點，比如低熱膨脹性和耐腐蝕性。因此，運用這些性能超強的材料，能夠確保加工工具的連續(xù)精度和可靠性，同時還讓軸承、泵和電動機免受高應力的磨損。
另外，由于工業(yè)陶瓷具有生物相容性，因此醫(yī)學工程對其需求也在不斷增長。雖然多晶金剛石和工業(yè)陶瓷具有以上多種優(yōu)點，但隨之而來的問題也十分“現(xiàn)實”，即如何加工這些硬度很高的材料同時又能保證材料自身不受到加工磨損。
現(xiàn)在，行業(yè)給出的答案是激光。近期，II-VI公司針對多晶金剛石和超硬陶瓷材料，向市場推出了一套激光研磨系統(tǒng)設備。根據(jù)該公司披露的數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)的采用電火花加工蝕刻工藝（EDM）相比，這套激光研磨是被處理多晶金剛石和陶瓷的效率高出了2倍，并且不容易出現(xiàn)加工錯誤。這套系統(tǒng)的核心器件是波長1060nm的風冷450W光纖激光器。
超短脈沖和水射流導向激光工藝
此前，高性能陶瓷激光加工是德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和其孵化公司Pulsar Photonics聯(lián)合開發(fā)的重點技術(shù)。近年來，研究所和Pulsar Photonics公司研發(fā)團隊使用超短脈沖技術(shù)加工脆性材料，以避免微裂紋和剝落。在皮秒和飛秒激光的幫助下，研究人員可以在諸如氮化硅、鋁和氧化鋯以及二氧化鈦等工業(yè)陶瓷上生成微小的孔結(jié)構(gòu)和切口。
盡管這些材料非常堅硬，但激光的非接觸式加工特點避免了加工磨損。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所表示，從材料去除效率和陶瓷加工質(zhì)量來看，皮秒激光脈沖的生產(chǎn)率很高，可以成為今后可信賴的加工方式。
除了超短脈沖激光加工外，瑞士企業(yè)Synova使用自主研發(fā)的微水刀激光技術(shù)（Laser MicroJet，簡稱LMJ）處理多晶和單晶金剛石。截至目前，該公司已成功出售了350套LMJ系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是將經(jīng)過噴嘴聚焦的激光束射入加壓水柱，形成直徑為50微米的“水刀”。
水柱可以起到類似光纖的作用，將激光束引導到待加工材料表面。Synova公司表示，微水刀的工藝原理是利用激光束經(jīng)過水柱時水與空氣之間過渡區(qū)域的全內(nèi)反射。當微水刀與多晶或單晶金剛石的材料表面發(fā)生接觸時，25W-30W強度的激光脈沖就能使材料蒸發(fā)，而水的作用一方面是冷卻材料。另一方面也起到了沖洗掉加工區(qū)域燒蝕材料的作用。
如果有需要，微水刀可以在金剛石表面切割出幾厘米的深度。當前，LMJ系統(tǒng)不僅可以加工工業(yè)鉆石，還可以加工未打磨的鉆石、水鉆和其他珠寶物件。至此，激光再次展現(xiàn)了非接觸式加工的先進工藝。
水射流導向激光工藝在航空業(yè)的應用
2017年，美國GE公司就曾采用Synova公司的LMJ系統(tǒng)加工航空渦輪發(fā)動機葉片。航空渦輪發(fā)動機的工作溫度很高，有時候甚至會超過了1370℃，接近鋼的熔點。因此，發(fā)動機葉片需要采取非常復雜的方法進行冷卻。
為了讓發(fā)動機持續(xù)穩(wěn)定工作，工程師就需要在葉片上加工出微細小孔和通道保證冷空氣的流通。但發(fā)動機葉片是以每分鐘上千轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)且承受了很大的壓力，要在其正確的位置上打孔且不削弱葉片性能是非常復雜和困難的。
以往，生產(chǎn)企業(yè)通常采用激光束進行微小孔的加工，即用激光束加熱葉片表面直到鋼發(fā)生汽化，這一過程對精度要求很高，融化的金屬材料會發(fā)生濺射或形成隨空氣傳播的微觀熔融團塊，并粘附到葉片表面。
LMJ系統(tǒng)作為一種“冷加工”工藝，可以在加工葉片時顯著降低材料周圍的溫度并清除加工產(chǎn)生的碎片。工程師運用這種技術(shù)可以設計性能更好的渦輪發(fā)動機，并以更快的速度制造更耐用的零部件。
現(xiàn)在，LMJ技術(shù)已經(jīng)被應用于多個高精度應用領域，包括金屬、硬質(zhì)材料和半導體加工。手術(shù)刀、針頭和其他醫(yī)療設備的生產(chǎn)企業(yè)，汽車燃油噴嘴和火花塞的生產(chǎn)企業(yè)，單晶和多晶金剛石（PCD）刀具制造商已經(jīng)開始采用該技術(shù)。
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