CN102211218B - 金刚石涂层刀具及其在纤维复合材料加工中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石涂层刀具，包括钻尖、刃部和柄部，其特征在于：①基体材料为Co的质量百分含量为低于6％的硬质合金；②刀具的钻尖和刃部为金刚石涂层涂覆；③刀具的头部为钻铣一体结构，钻尖顶角为135°和90°双顶角或顶角为5-10°盘角。涂覆的金刚石涂层厚度为10-30μm。涂层刀具的制作步骤包括(1)选择合适的硬质合金基体材料；(2)进行刀具的成型加工；(3)刀具涂层的预处理；(4)利用热丝CVD在刀具钻尖和刃部表面制备金刚石涂层。本发明提供的涂层刀具加工纤维复合材料没有毛刺现象，也无明显的表层起皮现象。

Description

金刚石涂层刀具及其在纤维复合材料加工中的应用

技术领域

本发明涉及一种金刚石涂层刀具及其应用，更确切地说本发明提供一种用于碳纤维或玻璃纤维等复合材料加工的刀具，属于机械加工制造技术领域。

背景技术

复合材料是近年材料科学高速发展的产物，有很大的应用空间，且可以根据使用条件的要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大的提高了工程结构的效能，已成为一种当代新型的工程材料。现代工程结构所用的复合材料，按照基体材料的类型可分为树脂基、金属基和陶瓷基这三大类。碳纤维复合材料是比较典型的一种树脂基复合材料，其含碳量一般都在90％以上，比强度高、比模量高，可用于生产质轻而强度高、层薄而刚度大的构件，且抗疲劳性能好，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，在航空、航天工业中有广泛的应用前景。对于形状复杂的零部件成型后需要进行二次加工，但是碳纤维、玻璃纤维等复合材料非常难加工，主要体现在硬度高、层间剪切强度低和导热性差等方面。

然后，由于纤维复合材料的力学性能呈各向异性，层间强度较低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，碳纤维不能被平整的切断导致切割效果不佳。复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，因纤维断裂和基体剪切，以及切屑和前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的切屑热。在加工表面，碳纤维以脆性断裂的方式被去除，只能带走很少由加工中产生的热量，使材料塑性变形难，散热性差，高温下易产生热量堵塞，从而导致碳纤维复合材料表面产生碳化现象，影响加工表面质量。切削热主要传向刀具和工件，导致刀具快速磨损，许多刀具都难以完成复合材料构件的切削全过程，影响加工效率和加工件精度。

总的来说，碳纤维、玻璃纤维等复合材料的切割过程中容易产生两种缺陷：一种是切口损伤，主要是切口边缘的附近容易产生出口分层、撕裂、毛刺、拉丝等缺陷；二是层间分层，主要是指碳纤维复合材料层与层之间发生的分离，从而使复合材料内部组织变得疏松，从而降低了构件强度和其他性能。

纤维复合材料的加工难题能否解决，直接关系到该材料的应用，刀具是制约切削加工工艺的主要因素。目前普遍使用的螺旋刃整体合金或高速钢立铣刀，连续的长切削刃使得刃口不锋利，最终导致了加工刀具切削性能差、加工效率低、刀具寿命短的加工效果，且连续的长切削刃容易使加工表面出现毛刺、分层、起皮等不合格加工现象。选用合理的刀具材料和刀具结构是解决复合材料加工难题的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石涂层刀具及其应用，提供的金刚石涂层刀具旨在提高碳纤维、玻璃纤维等复合材料的切削性能和加工效率的金刚石涂层刀具，能够很好解决上面所述的复材加工中出现的分层、撕裂、毛刺、拉丝、层间分层等缺陷，且明显提高刀具的加工寿命。且由于本发明独特的结构设计，可用于碳纤维或玻璃纤维复合材料板材镂空、铣边、钻孔等工艺的连续加工。本发明提供的金刚石涂层刀具，如图1所示包括钻尖、刃部和柄部，其特征在于：

(1)刀具钻尖和刃部进行纯金刚石涂层处理，金刚石涂层拥有与自然界金刚石完全一样的特性，包括高硬度、高强度、耐化学腐蚀、高热导系数，以及低摩擦系数。这些特性都有利于提高刀具的性能。可保持钻尖和刀刃在加工过程中的锋利，提高加工效果，延长使用寿命。

(2)刀具头部为钻铣一体结构，可实现钻孔和铣削的连续加工，刀具顶部的钻尖部位，根据加工复合材料板材厚度和加工时夹持情况的不一样，结构有所不同：

针对较厚的板材，或者夹持刚性较好的情况，钻尖顶角为135°和90°双顶角普通钻尖形式；

针对较薄的板材，或夹持刚性较差的情况，顶角为负，即带5～10°盘角的钻尖形式。

特殊的钻尖设计可减少复合材料钻孔时毛刺、分层、出口处纤维撕裂等现象。有助于降低和分散切削力，有效提高孔的加工质量。

(3)与钻尖相连的刃部的切削刃由左右旋对称交错的螺旋槽构成切削单元，左右槽数相等，槽数根据刀具刃径不同而有所变化，直径越大，刃数越多，前刀面角度10～12°，开槽直接形成，后刀面角度18～25°，后角刃口开槽直接磨出。

由本发明可提供的金刚石涂层刀具能实现钻铣连续加工，在处理加工零件的镂空工艺时，直接在复合材料板材上钻通孔，然后进行铣削，同时，在加工复杂零件时，可用同一把刀具连续加工，完成钻孔、镂空、铣边等多种加工工艺而无需换刀，提高了加工效率和加工精度。

本发明在刀具钻尖和刃部表面进行金刚石涂层处理，在加工时，可更长时间保持刃口的锋利，明显改善加工效果，延长刀具使用寿命，减少换刀时间，提高加工效率，降低加工成本。

普通钻头的钻尖设计为钻角120°双刃钻，在复合材料钻孔工艺中易出现出口处纤维撕裂，本发明的特殊钻尖设计，可减少复合材料钻孔时毛刺、分层、出口处纤维撕裂等现象。有助于降低和分散切削力，有效提高孔的加工质量。

普通铣刀只有一个方向的连续刃口，导致在加工碳纤维/玻璃纤维复合材料时，切口出现分层、毛刺、翻边等不合格现象，同时刀具寿命较低。传统鱼鳞铣刀刃口为尖角形，切削刃长短，如图4(b)所示，切削机理为切削刃的尖角将纤维拉断达到切削目的，切削过程中可能会有纤维被拉出，出现较为明显的毛刺。本发明切削刃有左旋和右旋刃口，头部轴线沿螺旋槽方向剖面图如图4(a)所示，刃口全部带正前角，刃口是由断续的直线组成，整个切削刃部是由一系列由一小段直线的三角形刃组成，在铣削加工时，左旋、右旋的切削刃口变换切削方向，当一个齿切削力偏离加工面时，另一个齿的切削力朝向加工面，在一定加工参数下，左右旋交叉进行，刃口可将纤维直接剪段，有效抑制了板材变形、加工面出现毛刺、纤维分层、表层翻边等不合格现象。从金刚石涂层的工艺角度看，直线刃口比传统鱼鳞铣刀的尖角刃口更有利于涂层的生长。

本发明、传统鱼鳞铣刀和普通螺旋刃铣刀加工碳纤维复合材料效果对比图如组图5所示。

附图说明

图1为本发明提供的金刚石涂层刀具的结构示意图。

图2为图1所述的加工刀具的顶视图。

图3为图1所述的加工刀具钻尖和刃部立体特写图。

图4(a)为图1所示加工刀具头部轴线沿螺旋槽方向的剖面图，图4(b)为鱼鳞铣刀轴线沿螺旋槽方向剖面。

图5为新型复合材料加工刀具、鱼鳞铣刀和普通螺旋刃刀具加工碳纤维复合材料图，(a)为图1所示的涂层刀具加工碳纤维复合材料的效果；(b)为鱼鳞刀加工碳纤维复合材料的效果；(c)为普通螺旋刀具加工碳纤维复合材料的效果。

图6为本发明提供的金刚石涂层刀具的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面通过附图和金刚石涂层刀具的制备过程以进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1金刚石涂层刀具的制作

步骤1：选择合适的硬质合金基体材料

由于涂层工艺在800℃以上进行，因此铜镀刀具和高速钢刀具均不能用金刚石涂层，所选择的基体材料应为硬质合金。在涂层工艺之前，选择合适的硬质合金基体材料进行表面处理，对涂层效果和金刚石膜的附着力有重要影响。由于Co的存在会给金刚石的成膜带来负面影响，因此应选用Co的质量百分含量控制在6％以内，硬质合金基材且材料的粒径尺寸在1至3μm之间。

步骤2：进行刀具的成型加工

本发明提供的适用于纤维复合材料加工的金刚石涂层刀具，包括钻尖、刃部和柄部，其第一种结构特征在于刀具头部为钻铣一体结构，可实现钻孔和铣削的连续加工，针对较厚的板材，或者夹持刚性较好的情况，钻尖顶角为135°和90°双顶角普通钻尖形式；与钻尖相连的刃部的切削刃由左右旋对称交错的螺旋槽构成切削单元，左右槽数相等，槽数根据刀具刃径不同而有所变化，直径越大，刃数越多；前刀面角度10～12°，开槽直接形成，后刀面角度18～25°，后角刃口开槽直接磨出。

所提供的金刚石涂层刀具，其第二种结构其特征在于提供的刀具包括钻尖、刃部和柄部，刀具头部为钻铣一体结构，可实现钻孔和铣削的连续加工，针对较薄的板材，或夹持刚性较差的情况，顶角为负，即带5～10°盘角的钻尖形式；与钻尖相连的刃部的切削刃由左右旋对称交错的螺旋槽构成切削单元，左右槽数相等，槽数根据刀具刃径不同而有所变化，直径越大，刃数越多；前刀面角度10～12°，开槽直接形成，后刀面角度18～25°，后角刃口开槽直接磨出。

步骤三：刀具涂层的预处理

刀具的钻尖和刃部(需要涂层的部位)表面经特定工艺处理去除钴，表面形成微孔，易于与金刚石涂层的结合，提高基体材料与金刚石涂层的粘附力。所述的特定工艺是使用双氧水进行腐蚀，在硬质合金基体材料表面形成微孔，再用乙醇溶液在超声波中清洗、晾干。

步骤四：金刚石涂层的涂覆

将硬质合金刀具放在夹具上，置于反应腔体中，利用热丝CVD在刀具钻尖和刃部表层制备金刚石涂层，含碳气源在高温下的真空腔体中分解离化后产生原子碳，在沉积基体表面重新键合成金刚石晶相结构，并逐渐形成结晶的金刚石涂层，根据刀具直径不同，涂层厚度在10-30μm之间。涂层厚度控制在30μm以下10μm以上是因为涂层过厚，涂层中的残余应力变大，涂层易从硬质合金基体表面脱落，太薄起不到涂层的作用。

热丝温度1800-2000℃，基体温度控制在800-1000℃，在甲烷和氢气的混合气体环境中，CH₄体积百分浓度为8％-13％，CH₄/H₂体积比为0.2-0.3，反应压力为0.16-10kPa。

实施例2

在碳纤维复合材料的加工中，金刚石涂层刀具有明显的优势，尤其与目前使用较多的PCD(多晶金刚石)刀具相比，金刚石涂层钻头在生产过程中能够钻更多的孔，且在玻璃纤维复合材料的加工过程中优势更明显。金刚石涂层铣刀在切割碳纤维复合材料中也有广泛的应用，降低了加工成本，并减少了复合层之间的分层。这主要是由于CVD涂层工艺能够在所有复杂形状的钻头和铣刀表面进行涂层。而目前使用的PCD刀具多是将PCD模板焊接到刀具凹槽中去，制备工艺过程较长，对刀具的形状限制较多，成本也相对较高。PCD刀具价格是其它涂层刀具的3到5倍，是未涂层刀具的10倍。

本发明提供的金刚石涂层刀具的激光拉曼光谱表明，在1331cm^-1附件出现较为明显的尖而高的峰，是由金刚石的SP3混合轨道引起的峰值，而在1550±150cm^-1的范围未出现明显的尖峰，说明由石墨或无定形碳等SP2等混合轨道引起的峰值不明显。图6为本发明金刚石涂层刀具的激光拉曼光谱分析图，由图中可以看出，金刚石涂层纯度较高。

图2是刀具的顶视图，从图中也可以看出刀具的钻铣一体结构，中间是钻头的刃型，周围是铣刀的刃型。

图4(a)本发明刀具中头部轴线延螺旋槽方向剖面图，切削刃是由一小段直线的三角形形刃组成，切削机理与剪刀类似，左旋、右旋的切削刃口变换切削方向，在加工纤维材料时，直接将纤维剪断，有效抑制毛刺的分层的形成；是从图4(b)是普通鱼鳞铣刀轴线沿螺旋槽方向剖面图，切削机理为切削刃的尖角将纤维拉断，有可能会有纤维被拉出，出现毛刺。

5(a)图为本发明的切削加工效果图，基本没有毛刺现象，也没有较为明显的表层起皮现象；5(b)图为传统鱼鳞铣刀加工效果图，由于加工机理为刃部的刃尖将纤维拉断，局部易出现较为明显的毛刺；5(c)图为普通螺旋刃铣刀加工效果图，毛刺较多，易出现分层和起皮现象。

Claims (9)

1.一种金刚石涂层刀具，包括钻尖、刃部和柄部：

①基体材料为Co的质量百分含量为低于6％的硬质合金；

②刀具的钻尖和刃部为金刚石涂层涂覆；其特征在于

①刀具的头部为钻铣一体结构，钻尖顶角为135°和90°双顶角或顶角为5-10°盘角；

②与钻尖相连的刃部的切削刃由左右旋对称交错的螺旋槽构成切削单元，左右槽数相等。

2.按权利要求1所述的涂层刀具，其特征在于涂覆的金刚石涂层厚度为10-30μm。

3.按权利要求1所述的涂层刀具，其特征在于所述的螺旋槽的槽数根据刀具刃径不同而变化，直径越大、刃数越多。

4.按权利要求1所述的涂层刀具，其特征在于所述钻铣一体结构的中间是钻头的刃型，周围是铣刀的刃型。

5.制作如权利要求1-4中任一项所述的涂层刀具的方法，其特征在于制作步骤包括：

(1)选择合适的硬质合金基体材料；

(2)进行刀具的成型加工；

(3)刀具涂层的预处理；

(4)利用热丝CVD在刀具钻尖和刃部表面制备金刚石涂层。

6.按权利要求5所述的制作方法，其特征在于：

(1)步骤1中所述的硬质合金基体材料选用Co的质量百分含量控制在6％以内，粒径尺寸为1-3μm之间；

(2)步骤2中成型加工时前刀面角度10-12°，开槽直接形成，后刀面角度18-25°，后角刃面开槽直接磨出；

(3)步骤3涂层预处理是指使用双氧水进行腐蚀，在硬质合金基体材料表面形成微孔，再用乙醇溶液在超声波中清洗、晾干；

(4)步骤4热丝CVD的温度1800-2000℃，硬质合金基体的温度控制在800-1000℃涂层的涂覆是在甲烷和氢气的混合气体中进行的。

7.按权利要求6所述的制作方法，其特征在于步骤4的CH4/H2的体积比为0.2-0.3，反应压力为0.16-10kPa。

8.按权利要求1-4中任一项所述的涂层刀具的应用，其特征在于用于碳纤维或玻璃纤维复合材料板材的镂空、铣边或钻孔。

9.按权利要求8所述的应用，其特征在于钻尖顶角为135°和90°双顶角结构适用于厚板材的加工；顶角为5°-10°盘角适用于薄板材的加工。

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