CN105563665B - 金刚石涂层刀具与制备方法及其在石墨高速加工中的应用 - Google Patents

金刚石涂层刀具与制备方法及其在石墨高速加工中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了金刚石涂层刀具与制备方法及其在石墨高速加工中的应用，本发明刀具包括切削刀尖，刃部及夹持刀柄，夹持刀柄为硬质合金基体，所述的切削刀尖及刃部在基体材料上涂覆有金刚石涂层，其特征在于：刃部的底刃前角γo1为2°～6°，底刃后角α1为5°～13°，周刃前角γo2为5°～15°，周刃后角α2为10°～14°，螺旋角β为15°～45°。本发明具有硬度高、耐磨损，摩擦系数小，导热性好等特点，适用于石墨的高速加工，能够有效克服石墨粉尘对刀具表面的摩擦磨损，是制造切削石墨的理想刀具。

Description

金刚石涂层刀具与制备方法及其在石墨高速加工中的应用
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体为一种金刚石涂层刀具、其制备方法及其在石墨高速加工中的应用。
背景技术
各向同性冷等静压石墨具有比普通模压石墨优异的机械物理性能，其颗粒没有择优取向故强度和导电等能力在各方向上都一致，是当今世界发展最迅速的工业材料之一。各向同性石墨具有较高的高温强度、低热膨胀系数、较好的可加工性和良好的热、电导率，耐高温性，化学性能稳定，可塑性，抗热震性好等优点。广泛应用于模具EDM电火花放电、太阳能石墨热场、冶金、机械、建筑、电气、电子、航空航天、核工业、有色及贵金属工业、玻璃及石英工业、半导体及光电子工业化工和环境工程等领域。与铜相比较，石墨电极具有强度高、热变形和电极消耗小等优点，适合用于具有微细孔、薄壁和翅片等复杂型腔结构的电极，石墨电极正逐步取代铜电极成为电火花加工用主流。如在美国96％以上的电火花加工用户选用石墨作电极材料，在其它工业发达国家如日本和瑞士等国家，石墨在电火花加工用电极材料中也占据主要地位。
石墨为典型层状结构脆性材料，材料机械强度差，加工时易崩碎，刀具磨损严重，为典型难加工材料。常规的车、铣、磨加工只能加工简单形状的石墨零件，无法满足各种复杂形状电极要求。高速铣削具有加工速度高、切削力小、温度低以及加工工件表面质量好等特点，可以用于加工复杂形状的电极，是精密复杂石墨电极的主要加工方法之一。
非均质石墨内部存在气孔、裂纹和颗粒边界的组织缺陷等显微缺陷，为一种典型非金属脆性易碎材料。切削过程中产生微细崩碎粉尘切屑，易粘结堆积在前后刀面和已加工表面上，对切削刃产生剧烈的摩擦和冲击，导致刀具发生早期破损、快速磨损甚至崩刃失效，刀具磨损钝化后会导致切削力急剧上升。脆性石墨受切削力冲击时易发生崩角、崩边甚至脆性断裂而报废现象。刀具磨损不但增加加工成本，而且导致难以保证工件的表面质量和尺寸精度，通常，刀具占石墨加工总成本的1/3以上。所以降低刀具磨损提高加工效率和工件质量，成为石墨切削加工亟需解决的问题。
石墨切削刀具有硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具、聚晶金刚石刀具等。硬质合金刀具高速铣削石墨时刀具磨损严重，TiAlN涂层刀具加工石墨时寿命未见明显提高。聚晶金刚石刀具磨损较小但刀具形状难以满足复杂电极要求。金刚石涂层刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数及与非铁金属亲和力小等优点。可以用于加工非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。
国外有多篇金刚石涂层刀具的相关报道，但主要是面向陶瓷、印刷线路板、有色金属及其合金，工程塑料，非金属陶瓷材料，Al2O3地板以及SiCp/Al等难加工材料加工，有关研制金刚石涂层刀具并应用与加工石墨方面的文献报道比较少。如严国祥，沈风雷撰写的《金刚石涂层刀具及其在纤维复合材料加工中的应用》专利CN 102211218 B，涉及一种金刚石涂层刀具及其用于碳纤维或玻璃纤维等复合材料加工的刀具，该刀具不适合石墨加工。王涛撰写的《一种金刚石涂层刀具的制备方法及该方法所得金刚石涂层刀具在印刷线路板制备中的应用》专利CN 103397314 A，发明金刚石涂层刀具在在印刷线路板中的应用。严国祥撰写的《纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用》专利CN 103770223 A，发明涉及一种纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用。G.P.格拉布等撰写的《金刚石涂层刀具及其制备方法》专利CN1136292A介绍了金刚石涂层刀片的制备方法，该刀具并不适合加工复杂形状石墨。张泰撰写的《金刚石涂层刀具对精密细小石墨电极的加工方法》专利CN201010234411.9涉及一种金刚石涂层刀具对精密细小石墨电极的加工方法，主要是研究了切削工艺参数，并未涉及石墨刀具角度优化等内容。
目前石墨高速加工时部分企业也选用刀具市场通用型金刚石涂层刀具，由于选用的金刚石涂层刀具并非专门针对石墨材料高速加工特性而设计的，由于所设计刀具的底刃前角、后角，周刃前角、后角，和螺旋角角度难以满足石墨材料加工特殊要求。实际使用过程中出现金刚石涂层刀具高速加工石墨时频繁出现金刚石涂层刀具大部分表面完好，但是在刀尖或切削刃其它部位已经提前出现磨损、破损现象。涂层刀具角度设计不合理导致加工的石墨工件精度下降，整支刀具提前报废而产生巨大浪费。目前有关研制石墨高速加工专用金刚石涂层刀具还在处于试验阶段，在刀具基体材质、刀具角度结果和涂层工艺方面还不够成熟导致价格昂贵。选择合适石墨加工的刀具材料、刀具结构和角度，提高刀具寿命和提高石墨机械加工的可加工性，目前相关专利和文献报道甚少。
综上所述，目前专门针对石墨高速切削加工而研制金刚石涂层刀具报道甚少，在石墨加工领域广泛使用的是普通硬质合金刀具，并没有专门针对石墨加工特性而设计的专用刀具。硬质合金刀具高速铣削石墨时刀具磨损严重，需要及时检查刀具磨损状况和频繁更换刀具，在大尺寸或精密电极加工方面应用有限，TiAlN涂层刀具加工石墨时寿命未见明显提高，聚晶金刚石刀具磨损较小，但刀具形状难以满足复杂电极要求。对于石墨刀具而言，设计合适的几何角度，有助于减少切削冲击和振动，避免加工过程中石墨工件崩碎，同时刀具角度的选择对切削力、切削振动以及刀具磨损有直接的影响，所以设计出合适的刀具前角、后角、螺旋角等角度具有重要意义。刀具的优化可实现缩短电极制造周期，提升产品市场竞争力，对整个石墨制品制造行业有重要影响。
发明内容
本发明的目的在于提供金刚石涂层刀具、其制备方法和应用，综合考虑刀具磨损、切削力和振动的影响，通过优化切削刀具的几何角度，提升了刀具整体切削性能。
本发明公开了金刚石涂层刀具，包括切削刀尖，刃部及夹持刀柄，夹持刀柄为硬质合金基体，切削刀尖及刃部在基体材料上涂覆有金刚石涂层，刃部的底刃前角γo1为2°～6°，底刃后角α1为5°～13°，周刃前角γo2为5°～15°，周刃后角α2为10°～14°，螺旋角β为15°～45°。
进一步地，所述的切削刀尖及刃部的基体材料为碳化钨硬质合金，其中钴的质量百分含量不超过6％；碳化钒或碳化钛或其它混合物比例不高于1％。
进一步地，所述的金刚石涂层的厚度为7～20μm。
其中，所述的切削刀尖顺着切削方向上设置有若干粉尘排屑槽。
优选地，所述的刃部的底刃前角γo1为4°，底刃后角α1为9°，周刃前角γo2为10°，周刃后角α2为14°，螺旋角β为30°。
优选地，所述的刃部的粗糙度<0.8。
本发明还公开了金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
S1.选择合适石墨加工的硬质合金:选取碳化钨硬质合金,其中含钴量不超过6％，其中碳化钒或碳化钛等混合物比例不高于1％，仅允许极其微量铁Fe、钒V、镍Ni、铬Cr等添加剂，材料的粒径为0.5～2μm之间，硬度HRA92～93；
S2.硬质合金棒料成型:将步骤S1选取的材料加入棒料成型机中挤压成型为筒体；
S3.筒体加工:使用五轴高精密数控磨削加工中心磨出刃部和切削刀尖，刃部的底刃前角γo1为2°～6°，底刃后角α1为5°～13°，周刃前角γo 2为5°～15°，周刃后角α2为10°～14°螺旋角β为15°～45°；
S4.涂层预处理:使用酸溶液酸洗去除和钝化钴，再用碱水溶液在超声波中清洗，最后干燥；
S5.热丝CVD成膜:在预抽真空的腔体中，碳氢化合物气体和氢气通过高温热丝裂解，在步骤S4处理得到的刀具基体上沉积厚度为7～20μm的金刚石薄膜。
其中，步骤S5中热丝CVD的温度1800℃～2000℃，硬质合金基体的温度控制在800℃～1000℃。
本发明还公开了金刚石涂层刀具的应用，所述的金刚石涂层刀具应用在石墨高速加工中。所述的石墨高速加工为等静压制备的各向同性石墨电极、石墨热场加工，金刚石薄膜涂层刀具的走刀量为3000～3200mm/min、主轴转速为12000～17000rpm、径向切深Rd＝0.5mm、轴向切深Ad＝2mm、采用顺铣、空气冷却方式加工。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过对刀具的几何角度设置，有助于减少切削冲击和振动，避免加工过程中石墨工件崩碎，同时刀具角度的选择对切削力、切削振动以及刀具磨损有直接的影响：采用底刃前角2°～6°、周刃前角5°～15°加工石墨时，刀具刃口强度较好，耐冲击和摩擦的性能好。底刃后角5°～13°、周刃后角10°～14°，确保了刀具刃口强度和切削振动稳定性。采用较小螺旋角15°～45°时，同一切削刃上同时切入石墨工件的，提高刀具切削效率，并且刀具磨损、切削力和冲击力为刀具承受范围之内。若采用过大螺旋角切削合力方向偏离工件表面的程度大，因石墨崩碎而造成的切削冲击加剧，从而导致刀具磨损、铣削力和切削振动增大。本发明综合考虑刀具磨损、切削力和振动的影响，通过设计科学合理因素试验，优化对石墨切削刀具的底刃和周刃的前角、后角及螺旋角几何角度，提升了刀具整体切削性能。
2、本发明的金刚石薄膜涂层刀具硬度比TiAlN(2600～2800HV)以及CBN(3400～4500HV)都高，极高的表面硬度使得金刚石涂层刀具极易切入硬脆石墨，并且能够有效克服石墨粉尘对刀具表面的摩擦磨损。摩擦系数小可减降低切削力和切削温度，避免金刚石涂层刀具在氧化或者石墨化，可得到高加工精度和加工表面质量。
3、本发明刀具室温下导热系数高于普通硬质合金刀具导热系数，良好的导热性能使金刚石涂层刀具迅速导出切削热，刀具表面温度基本不受切削温度的影响。弹性模量E比硬质刀具高出一半，使得刀具具有良好的切削性能。金刚石薄膜具有硬度高、耐磨损，摩擦系数小，导热性好等特点，是制造切削石墨理想材料。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为图1的B处放大示意图。
图3为本发明的主视示意图。
图4为图3的A-A剖面示意图。
图5为图3的C处放大示意图。
图6为扫描电镜拍摄本发明刀具的刃部的表面形貌。
图7为扫描电镜拍摄本发明刀具的刃部的横截面形貌。
图8为图7中本发明刀具的A处的金刚石薄膜能谱。
图9为本发明刀具加工石墨后表面显微形貌。
主要组件符号说明：
1：切削刀尖，2：刃部，3：夹持刀柄，4：粉尘排屑槽
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图2所示，本发明公开了一种金刚石涂层刀具，包括切削刀尖1，刃部2及夹持刀柄3，夹持刀柄3为硬质合金基体，切削刀尖1及刃部2在基体材料上涂覆有金刚石涂层。切削刀尖1及刃部2的基体材料为碳化钨硬质合金，其中钴的质量百分含量不超过6％；碳化钒或碳化钛或其它混合物比例不高于1％。金刚石涂层的厚度为7-20μm。切削刀尖1顺着切削方向上设置有若干粉尘排屑槽4，便于石墨切削时能有效排出切削形成的石墨粉，减少断刀现象，明显减少换刀时间，提高了加工效率。
本实施例中，金刚石薄膜涂层平底铣刀，总长60mm，刃长24mm，4齿,切削部分直径6mm。头部直径2-10mm，具体可为2mm，4mm，6mm，8mm，10mm等多种尺寸，当头部直径≤4mm时，柄部直径为4mm；当头部直径＞4mm时，柄部直径与头部直径相同。刃口保持锋利，前刀面光滑，不允许有毛刺、蹦角锯齿、波纹等影响使用缺陷。槽底光滑，流畅，不允许有刀痕、振痕、烧糊烧伤等基材缺陷。刃部的粗糙度Ra<0.8。其余部分的粗糙度为0.8。
如图3～5所示，刃部的底刃前角γo1为2°～6°，底刃后角α1为5°～13°，周刃前角γo2为5°～15°，周刃后角α2为10°～14°，螺旋角β为15°～45°。按表1设置三组刀具角度。
表1.#1～#3刀具角度参数
本发明底刃前角、周刃前角的设置使刀具刃口强度较好，耐冲击和摩擦的性能好。底刃后角、周刃后角的设置确保了刀具刃口强度和切削振动稳定性。螺旋角的设置使同一切削刃上同时切入石墨工件时提高刀具切削效率，并且刀具磨损、切削力和冲击力为刀具承受范围之内。
以下就本发明涂层刀具的制备过程做具体的说明。
S1.选择合适石墨加工的硬质合金:选取碳化钨硬质合金,其中含钴量不超过6％，其中碳化钒或碳化钛(VC、TiC)等混合物比例不高于1％，仅允许极其微量铁Fe、钒V、镍Ni、铬Cr等添加剂，材料的粒径为0.5～2μm之间，硬度HRA92～93。刀具材料对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。刀具材料越硬，其耐磨性越好，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。对于金刚石涂层石墨刀具，可在选材上适当选择硬度高含钴量稍低。
S2.硬质合金棒料成型:将步骤S1选取的材料加入棒料成型机中挤压成型为筒体。
S3.筒体加工:使用五轴高精密数控磨削加工中心磨出刃部和切削刀尖，刃部的底刃前角γo1，底刃后角α1，周刃前角γo 2，周刃后角α2，螺旋角β按上表1参数加工制备。
S4.涂层预处理:使用酸溶液酸洗去除和钝化钴，再用碱水溶液在超声波中清洗，最后干燥。
S5.热丝CVD成膜:在预抽真空的腔体中，碳氢化合物气体和氢气通过高温热丝裂解，在步骤S4处理得到的刀具基体上沉积厚度为7～20μm的金刚石薄膜。热丝CVD的温度1800℃～2000℃，硬质合金基体的温度控制在800℃～1000℃。
采用上述制备方法制得的刀具性能如下表2如示：
表2.1#～3#刀具的性能参数
由上表可知，经本发明制备得到的刀具，室温下导热系数显著提高(硬质合金刀具导热系数仅为80～100.m-1.K-1)。良好的导热性能使金刚石涂层刀具迅速导出切削热，刀具表面温度基本不受切削温度的影响。弹性模量E，比硬质刀具高出一半，使得刀具具有良好的切削性能。本发明刀具的硬度比TiAlN(2600～2800HV)以及CBN(3400～4500HV)都高，极高的表面硬度使得金刚石涂层刀具极易切入硬脆石墨，并且能够有效克服石墨粉尘对刀具表面的摩擦磨损。摩擦系数小可减降低切削力和切削温度，避免金刚石涂层刀具在氧化或者石墨化，可得到高加工精度和加工表面质量。
图6为涂层后刀具表面金刚石形貌，扫描电镜显示该金刚石为柱状金刚石颗粒，具有良好的物理和机械特性。图7为刀具横截面区域的形貌，扫描电镜显示金刚石涂层厚度约为7μm，且硬质合金基体和金刚石结合良好。如图8金刚石涂层刀具的扫描电镜能谱表明，在金刚石刀具涂覆层截面的能谱为100％纯碳。
本发明制备的刀具主要用于石墨高速加工生产中，特别是在等静压制备的各向同性石墨电极、石墨热场加工中，设置金刚石薄膜涂层刀具的走刀量为3000～3200mm/min、主轴转速为12000～17000rpm、径向切深Rd＝0.5mm、轴向切深Ad＝2mm、采用顺铣、空气冷却方式加工。图9为2#刀具高速切削石墨表面的显微形貌，从图中可以看出石墨表面光滑平整无明显破损和崩边，保证了石墨零件的表面质量。经实验论证，该刀具在500米切削行程后刀具后刀面磨损宽度为0.01mm，石墨表粗糙度Ra为0.84μm，在相同的切削加工设备和工艺参数条件下，相比普通硬质合金刀具，金刚石涂层寿命提高3～5倍，石墨表面质量提高30％。
本发明与普通金刚石涂层刀具相比，使用寿命要长，能够有效克服石墨粉尘对刀具表面的摩擦磨损，且能明显减少加工过程由于石墨薄壁件崩角、崩边甚至脆性断裂而报废现象。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤,
S1.选择合适石墨加工的硬质合金:选取碳化钨硬质合金，其中钴的质量百分含量不超过6％，碳化钒或碳化钛的质量百分含量不高于1％，仅允许微量铁Fe、钒V、镍Ni、铬Cr添加剂，材料的粒径为0.5～2μm之间，硬度HRA92～93；
S2.硬质合金棒料成型:将步骤S1选取的材料加入棒料成型机中挤压成型为筒体；
S3.筒体加工:使用五轴高精密数控磨削加工中心磨出刃部和切削刀尖，刃部的底刃前角γo1为4°，底刃后角α1为9°，周刃前角γo2为10°，周刃后角α2为14°,螺旋角β为30°；
S4.涂层预处理:使用酸溶液酸洗去除和钝化钴，再用碱水溶液在超声波中清洗，最后干燥；
S5.热丝CVD成膜:在预抽真空的腔体中，碳氢化合物气体和氢气通过高温热丝裂解，在步骤S4处理得到的刀具基体上沉积厚度为7～20μm的金刚石薄膜。
2.如权利要求1所述的金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于：步骤S5中热丝CVD的温度1800℃～2000℃，硬质合金基体的温度控制在800℃～1000℃。
3.如权利要求1或2所述的制备方法制备的金刚石涂层刀具的应用，其特征在于：所述的金刚石涂层刀具应用在石墨高速加工中。
4.如权利要求3所述的金刚石涂层刀具的应用，其特征在于：所述的石墨高速加工为等静压制备的各向同性石墨电极、石墨热场加工，金刚石薄膜涂层刀具的走刀量为3000～3200mm/min、主轴转速为12000～17000rpm、径向切深Rd＝0.5mm、轴向切深Ad＝2mm、采用顺铣、空气冷却方式加工。
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