激光在金剛石復合片（PDC）表面成形中的激光減材應用
2023-09-16 10:14:30
激光在金剛石復合片（PDC）表面成形中的激光減材應用
聚晶金剛石復合片（polycrystalline diamond compact，PDC）作為一種新型功能材料，它只有幾十年的歷史，是采用金剛石微粉與硬質合金基體在超高溫和超高壓的條件下燒結而成。
金剛石復合片（PDC）表層是由不同金剛石粒度的粉末燒結而成的聚晶金剛石（PDC），易于在各種工具上釬焊焊接，一般底層為鎢鈷基硬質合金，是制造刀具、鉆頭等耐磨工具的理想材料。
金剛石復合片（PDC）既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導熱性，又具有硬質合金的強度與抗沖擊韌性，是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。
在石油鉆井、地質勘探、煤田鉆采鉆頭、機械加工工具、有色金屬及合金、硬質合金、石墨、塑料等方面等行業(yè)得到了廣泛的應用。
根據(jù)應用范圍的不同，目前市面上的金剛石復合片產(chǎn)品主要分為以下兩種：
1、? 鉆采類（挖掘類）金剛石復合片：適用于具有較高的沖擊韌性和熱穩(wěn)定性，適應軟、中、硬地質鉆井。耐高溫可達750℃(2分鐘)，此產(chǎn)品可采用平面和各種槽形結合形式，并可根據(jù)用戶需要設計槽型及研磨，另可設計具有特殊形狀的產(chǎn)品進行拋光、倒角等。
2、機械刀具類金剛石復合片：用于切削高硬度合金、木材、陶瓷及其他非金屬，非鐵金屬及其他金屬的切削及加工，有很高的硬度和耐磨性，切割精度高，產(chǎn)品可根據(jù)用戶需求，加工成長方形、三角形、扇形等形狀，可以用來制作耐磨件、鉆頭、尖頭和鉆頭齒等。
金剛石復合片（PDC）有多種結構，且接合牢固、均勻，具有極高的耐磨性、熱穩(wěn)定性及極強的抗沖擊性能。?
如此硬的金剛石，在表面成形處理中是如何實現(xiàn)的呢？
本文將重點與大家探討：激光在PDC材料表面成型的激光減材應用。
激光加工因效率高、無接觸、工件熱變形小、無材料損耗、性價比高等加工特點及優(yōu)勢，且激光束易控制，與精密機械、精密測量技術和電子計算機相結合，可實現(xiàn)金剛石復合片（PDC）表面成形加工的高度自動化和高度精細化。?
隨著石油勘探面臨的環(huán)境越來越苛刻，尤其是傳統(tǒng)平面金剛石復合片鉆頭遇到高研磨性地層、極堅硬巖層、堅韌夾層等地質巖層時，鉆頭難吃進，同時亦發(fā)生平面金剛石復合片不出刃、崩齒等嚴重失效形式。此時，需將鉆頭上的金剛石復合片平面結構，生產(chǎn)成屋脊狀的不規(guī)則形貌，以提升鉆頭的鉆探能力和效率。如下圖所示。
普通振鏡很難實現(xiàn)此要求，如果引入3D動態(tài)聚焦系統(tǒng)激光加工工藝，那么一切都變得皆有可能。
實驗中我們采用3D動態(tài)聚焦系統(tǒng)，結合光纖MOPA光纖激光器（200w）。在加工過程中的不規(guī)則形面處，3D動態(tài)聚焦系統(tǒng)Z向動態(tài)軸前后移動，實時調(diào)整焦點，實現(xiàn)磨平面，外圓，倒角等眾多造型的一次性精密3D減材制造。原理如下圖。
另外，在激光設備設計中搭載視覺高精度定位控制系統(tǒng)，可進一步提高加工過程中的精準定位。激光雕刻加工效果如下圖：
全球超硬材料看中國，中國超硬材料看河南，河南幾乎占據(jù)了全國超硬材料市場的80%以上的市場份額，而PDC材料，也是目前應用最廣泛的一種超硬材料，目前主流的采用激光加工的方式。
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