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????切削刀具被誉为工业的“牙齿”。”。随着5G通讯、电子制造、新能源汽车、模具和航空航天等行业的迅速发展，以光学玻璃、蓝宝石、陶瓷、石墨等为代表的硬脆材料零部件应用愈加广泛，加工质量要求不断提高，对加工工具提出了更高的要求。这些硬脆材料零部件加工难度高，效率低、刀具寿命短；传统的磨削加工无法兼顾质量与效率的要求。因此对加工刀具设计与制造提出了新的挑战。广东工业大学王成勇教授团队，拥有多年超硬材料刀具设计制造、硬脆材料和激光加工研究的丰富理论与应用研究成果，首创提出了硬脆材料多微刃叠加铣削加工方法，发明并首次定义了一种新型刀具-微刃切削刀具，研发了超硬材料微刃刀具的制造装备与成套制造工艺，申请国内外多项专利。在国家自然科学基金、广东省自然科学基金重点项目、广东省重点研发领域计划等项目的支持下，通过与汇专科技、原点智能等持续的产学研合作研发，已经在若干标杆企业实现了微刃刀具、微刃刀具激光加工装备的产业化生产，以及微刃刀具在大批量硬脆材料产品高效高质加工的产业化应用。王成勇教授命名定义的微刃切削刀具，是指在宏观切削刃上设计制造复杂不规则的微米尺度微刃，并增加切削刃数量，通过无数微刃的复杂切削与切削轨迹运动，来实现精密切削。由于微刃切削刀具结构复杂，切削刃精度要求高，而刀具材料硬度高，采用常规的磨削、电加工难以实现，目前市面上原有的激光机床都无法满足微刃刀具高效高质等加工要求。为此，王成勇教授进一步提出了激光车削、激光铣削和激光磨抛等加工定义及方法来实现刀具全激光制造的新概念与相关激光加工技术，并研发了采用微刃刀具高效高质加工多种材料的工艺技术。微刃刀具的提出、设计、激光制造与硬脆材料加工应用工艺技术，在一定程度上颠覆了传统的超硬材料刀具设计制造与硬脆材料磨削加工的理念。同时，相关激光加工装备工艺技术等，也可在多个领域具有高附价值的拓展应用。

原点智能聚焦工业母机赛道，自公司创立之初，即开始与广东工业大学开展产学研合作，年承接广东工业大学主持研发的激光-机械复合加工机床的制造与研发，年与广东工业大学（主持）共同承担广东省应用型科技研发专项研发精密医疗器械五轴联动加工中心，列为广东工业大学牵头超硬刀具与硬脆材料高效精密加工技术及装备”项目成果鉴定承担单位之一，年与广东工业大学（主持）等联合承担广东省重点领域研发计划“激光与增材制造”重大科技专项“超快激光七轴五联动精密加工刀具装备研发与应用”项目等。原点智能通过与王成勇教授团队等的合作，利用王成勇教授提出的激光车、激光铣、激光车铣复合等概念与相关技术，联合开发成功激光车床、激光铣床、激光车铣复合加工机床等系列激光加工机床及其相关工艺，实现了包括各类微刃刀具、焊片式铣刀、PCD铣磨头、可转位刀片等在内的一系列超硬材料的车削、磨削、铣削和抛光的全激光制造，以及多种材料的激光铣削、钻孔加工。年在南海区支持下，与广东工业大学王军教授等合作开展激光水射流加工装备研发。年初，原点智能为王成勇教授团队捐赠万元用于激光加工技术的研究。年联合培养广东工业大学研究生3名；年起通过广东省研究生联合培养基地（佛山）联合招收并培养研究生，年已招收从事激光加工与数控装备研究方向硕士研究生6名。????

本文来源于“中国激光界”月刊，全面介绍了王成勇教授团队在新型超硬微刃铣刀上的研发历程与成果，以及超硬刀具全激光制造技术的设计思路和通过产学研合作形成的相关产业结果。相关视频可以在B站上观看（链接：

铣削刀具激光制造技术及装备）。现转载此文，希望有益于增强对广东工业大学与原点智能的超硬刀具激光制造装备与加工工艺技术等的认识，共同不断发展激光全制造装备、激光加工技术与应用技术，推动中国制造业高端装备与工具技术的发展。

铣削刀具激光制造技术及装备

王成勇，广东工业大学副校长、教授

切削刀具被誉为工业的“牙齿”。随着5G时代的到来，制造业面临着全新的挑战，以石墨、陶瓷、光学玻璃、蓝宝石等为代表的零部件，具有高硬度高脆性的材料特点，加工难度大，刀具寿命低，新材料、新产品和新需求对难加工材料铣削加工刀具的设计及制造提出严峻的挑战。本文主要介绍了采用广东工业大学通过产学研合作，研发激光技术制造新型超硬微刃铣削刀具的总体思路、微刃铣削刀具设计与应用、微刃铣削刀具激光制造技术及装备等方面的部分研究成果。

研究背景概述

当前，随着电子制造、汽车、模具和航空航天等产业的不断发展，以石墨、陶瓷、光学玻璃、蓝宝石等为代表的零部件应用愈加广泛，加工要求不断提高，这些硬脆材料具有高硬度高脆性的性质，加工难度大，对切削刀具提出了更高的挑战，刀具材料向着超硬方向发展，刀具形状向着复杂型面发展，传统刀具制造技术（如磨削和电火花加工等）已很难满足刀具制造要求（譬如对大批量聚晶金刚石（PCD)刀具加工）。例如，常规电镀磨削工具磨损快，金刚石涂层刀具制造工艺复杂成本高，传统的刀刃刃磨采用磨削为主的方法在效率、成本、质量和环保等方面愈发难以适应时代发展需求，高端刀具的制造已成为制约我国先进制造业发展的“卡脖子”问题。

图1.当前，随着3C电子、汽车、模具和航空航天等产业关键领域用难加工材料的加工质量要求不断提高，新产品和需求对难加工材料铣削加工刀具的制造提出全新挑战(图片来源:网络整理)

以手机制造为例，其工艺复杂，玻璃的曲面屏先要进行三维成型，再采用一系列刀具进行磨削、抛光和打孔等操作；再譬如镜头注塑在铣削过程中需要应用各种刀具，手机生产线可多达至上千条。

图2.石墨、玻璃、陶瓷和蓝宝石等难加工硬脆材料的特点包括硬度高、脆性大、抗腐蚀、耐高温、抗磨损，从而对先进刀具制造要求严苛(图片来源：网络整理)

刀具材料经历了数代发展，已经从早期的高速钢逐步发展到如今的金刚石，其发展方向呈现出材料超硬化、型面复杂化、功能高性能化等趋势（图3），由此也对未来的刀具制造提出新要求，包括超硬材料可加工，复杂型面刃口可制造，加工精度高、质量好等要求。

图3.当前，刀具发展方向呈现出材料超硬化、型面复杂化、功能高性能化等趋势(图片来源:网络整理)

由于激光加工具有高能量、无接触、工件热变形小、无材料选择性等加工特点及优势，且激光束易控制，与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，可实现刀具加工的高自动化和高精化。刀具制造也从传统制造手段逐渐迈向激光制造（非接触加工、无材料损耗、加工灵活、环保）再到全激光制造方法（整体超硬刀具、无切割焊接工序、全激光加工技术）。激光制造刀具已然成为代替传统制造方法的重要手段（图4）。

图4.激光加工PCD轮廓刀刃口（图片来源：汇专科技股份有限公司拍摄，广东工业大学提供）

微刃铣削刀具设计与制造

从0年开始，笔者所在的课题组就对石墨在模具等行业的应用展开了一系列研究。近几年，石墨类硬脆材料零部件的加工朝着薄、细、微、精等方向发展，特别对表面质量提出了严苛的要求。同时也针对陶瓷、玻璃等其他硬脆材料的制造及医用展开了更深入的研究。年广东工业大学与汇专科技集团股份有限公司基于难加工硬脆材料零部件高效、高精加工需求，结合铣削加工与磨削加工特点，发明设计了一种新型微刃铣削刀具。

以PCD微刃铣削刀具（专利保护）为例，要在宏观长直刃上（曲线刃）加工出微观随机分布不规则微刃，铣削加工中微刃起到辅助磨削作用，以实现硬脆材料的高效高精加工（图5）。微刃刀的切削机理可归纳为：切削过程中，刀具与材料接触，单个刃上的锯齿微刃在加工面留下微小划痕；刀具旋转，另外一个刃同样留下划痕；由于微刃是随机分布的不规则微刃，因此每个刃留下的划痕不会重复；在高速旋转下，刀具每个刃都重复在一个表面留下多个划痕；多条划痕叠加，使加工面的精度提高，实现表面高效破碎。采用研发的新型微刃铣削刀具加工，亚表面损伤区可以从μm降低到45.4μm，再结合超声加工，数值还将持续下降，从而实现了石墨、陶瓷、蓝宝石、玻璃等多种难加工硬脆材料精密零部件的高效精密加工。

图5.整体PCD微刃铣削刀具设计图

显然，PCD微刃刀具的加工难点包括刃数多、刃口形状复杂尺寸小，精度要求高，因此激光加工是最佳的高效高质加工方法（图6）。

图6.通过激光加工后，新型微刃铣削刀具呈现的微刃形貌(图片来源:广东工业大学)

微刃铣削刀具激光加工技术及装备

近年来，针对复杂型面精密刀具的高速高效加工，采用全激光解决方案和概念来加工刀具将成为大势所趋。为此，需要研制系列专用的激光装备，从而实现复杂型面精密刀具从粗加工到精加工的全激光加工技术及装备。近年来，广东工业大学与汇专科技集团股份有限公司、广东原点智能技术有限公司等，针对复杂型面精密刀具的激光制造，设计制造了成套的激光装备，相关装备包括激光车削加工机床（超硬刀具轮廓粗成型加工）、激光铣削加工机床（超硬刀具复杂刃口一次成型）、超快激光复合加工机床（刀具微细结构复合加工）等。

纳秒激光车床可对超硬材料刀具外圆轮廓进行粗加工，多轴联动皮秒、飞秒激光铣床，可制造复杂曲面微刃铣削刀具和钻削刀具，不仅实现了整体PCD、硬质合金、陶瓷等微刃铣削、钻削刀具的全激光制造，同时实现了石墨、陶瓷、光学玻璃、蓝宝石等硬脆材料零部件的以铣代磨的高效高质制造，并大规模用于3C等产品的生产。

针对纳秒激光车削加工机床，研发了激光加工精度保障技术，以实现光斑位置高精度调整。解决光作为刀，刀刃在哪，从什么位置开始切削，什么时候接触到工件？能够切除多少？等系列问题，相关还在持续深化研究中（图7）。

图7.激光加工精度保障技术确保光斑位置实现高精度调整以及光路的高度配合（图片来源：广东工业大学，广东原点智能技术有限公司提供）

针对超硬刀具轮廓的高效和高质加工（外圆、凹槽、回转曲面），自主研发的纳秒激光车床将加工时间大幅降低到10min，粗糙度Ra达到0.6μm，并率先实现了螺纹加工以及刀具材料与刀杆的一次性加工（图8）。

图8.自主研发的纳秒激光车床将加工时间大幅降低到10min，粗糙度Ra达到0.6μm(图片来源:广东工业大学)

另外，由于使用纳秒激光无法实现后续刀具表面质量、烧蚀和清洗，从而针对复杂曲面，开发了摇篮式转台结构的五轴皮秒激光铣削加工机床。机床设计搭载了高精度位置控制系统，以实现纳米级光束精密校准，并研发了机械轴和激光振镜的多轴联动控制技术（图9）。

图9.高精度位置控制系统设计(图片来源：广东工业大学，广东原点智能技术有限公司提供）

再将目光聚焦飞秒/皮秒激光和机械组合的超快激光复合五轴加工机床，它采用了精密双激光加工光路设计，搭载的激光旋切/振镜扫描复合模块可对多种材料进行灵活和精细加工。通过皮秒和飞秒复合的半精/精加工，PCD刀具刃口粗糙度可达Ra0.1μm（图10）。

图10.通过皮秒和飞秒复合的半精/精加工PCD刀具刃口(图片来源:广东工业大学)

年10月底，由广东工业大学与汇专科技集团股份有限公司、广东原点智能技术有限公司共同完成的“超硬刀具与硬脆材料高效精密加工技术及装备”项目成果鉴定会圆满举行。该项目提出了新型微刃切削刀具，并研制出五轴联动激光铣削机床、纳秒激光数控车床、飞秒/皮秒激光和机械组合的超快激光复合加工机床，突破了复杂大曲率曲线刀刃一次成型的瓶颈，应用到多种规格微刃超硬刀具的激光车、铣制造，制造出φ0.2mm的PCD微刃铣刀，解决了手机玻璃、蓝宝石、石墨等硬脆材料超薄、大长径比结构的批产难题。微刃切削刀具已应用于蓝思科技股份有限公司、深圳市石金科技股份有限公司、深圳市昌红科技股份有限公司等公司的石墨、陶瓷、蓝宝石零部件的加工并取得了优异的应用效果（图11）。在手机曲面屏玻璃精密模具、模具石墨电极、新能源石墨热场、航空航天精密石墨零件等关键零部件大批量生产应用中，取得了显著的经济和社会效益。目前，激光车床、激光多轴联动铣床已经实现批量生产，激光多轴联动车削复合机床在广东省重点领域研发计划项目支持下，将于年面世。

图11.采用研发的激光制造新型微刃铣削刀具加工，可实现石墨、陶瓷、蓝宝石、玻璃等多种难加工材料精密零部件的高效精密加工(图片来源:广东工业大学)

微刃铣削刀具激光制造技术及装备解决了半导体、航空航天、新能源、半导体，模具等行业难加工硬脆材料精密零部件大批量高效高质制造的卡脖子难题；打破了国外高端激光加工机床的垄断，实现了超硬材料刀具的全激光制造以及硬脆材料的大规模超声加工技术应用。

未来，激光超声复合加工会是重要趋势之一。例如，广东工业大学最新专利技术的实验研究证明，激光复合超声+整体PCD微刃铣刀CNC加工的残余裂纹损层深度最小，它有效提高精加工的表面质量和降低CNC精加工后的表面损伤层。同时，激光复合超声加工能够有效减少刀具的使用量；通过对激光复合超声加工工艺进一步改善，将有效提高精加工加工效率。

END

LASERS

本篇选自《中国激光界》.3月刊。

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