CN107511517B - 一种石墨模具加工用涂层端铣刀及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加工该类石墨模具的专用涂层端铣刀及其制备方法，特点为：具有独特的底刃长度分布，1条长底刃通过端铣刀底面的圆心处，3条短底刃均不通过端铣刀底面的圆心处；底刃间留有足够的排屑空间，底刃前角、后角和切削刃螺旋角角度合理。拥有可同时保证涂层结合强度和切削刃强度的最优切削刃圆弧半径。端铣刀表层经过Murakami溶液和Caro混合酸溶液的酸碱两步化学预处理后，采用化学气相沉积法涂覆了底层强韧、表层光滑且膜厚均匀合理的微纳米复合金刚石薄膜。本发明的涂层端铣刀与传统硬质合金端铣刀相比，可满足手机玻璃对热弯石墨模具表面光洁度的使用要求，显著提升刀具的工作寿命和石墨模具的加工表面光洁度。

Description

一种石墨模具加工用涂层端铣刀及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨模具加工用涂层端铣刀及其制备方法，具体涉及一种针对热弯加工手机玻璃用石墨模具加工用的涂层端铣刀及其制备方法，属于切削刀具技术领域。
背景技术
近年来，智能手机款式不断推陈出新。作为一大卖点，手机的曲面屏技术应用愈加广泛。多款曲面屏手机，如三星Galaxy S8/S8+，Vivo Xplay6等，已成功问世并受到使用者的一致青睐。据可靠消息，苹果Apple8手机也将采用曲面屏。因此可见，曲面屏手机将成为未来手机的发展趋势之一，手机曲面屏玻璃具有广阔的市场应用前景。
现今，手机曲面屏玻璃的主流制备工艺为：在数控机床上切割下料，采用烤炉、石墨模具等热弯设备与治具，先把玻璃加热到软化点，通过自由贴合模具成型或模具压力成型的方式来固定玻璃的3D曲面曲率后，再冷却成坯。其中，石墨模具具有优异的耐高温性能、是热弯手机曲面屏玻璃的关键零部件。同时，手机玻璃的表面高光洁度极高，且不能存在空洞缺陷点，这对石墨模具的加工表面质量提出了严苛的要求。
然而，传统硬质合金端铣刀在加工石墨模具的过程中，切削刃易快速磨损，石墨切屑排屑效果不佳，且石墨加工表面粗糙度和完整性较差，无法满足使用要求。因此，针对石墨模具的特殊加工要求，需要开发耐磨、排屑性能优越且加工质量更好的新型石墨模具专用平面端铣刀。
石墨模具的加工平面光洁度和加工过程刀具的排屑特性可通过端铣刀的切削刃三维几何构型的创新实现，切削刀具的耐磨性可通过涂覆超硬的金刚石薄膜实现。
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石薄膜具有硬度高 (9000～10000HV)、摩擦系数低、耐磨性强和表面化学惰性高等优异的机械及摩擦学性能。由于热丝化学气相沉积(Hot Filament CVD,HFCVD)法制备金刚石薄膜具有设备简单易控、沉积效率高、沉积面积大、加工成本低、基体形状不受限制等优点，现已在切削刀具领域得到了最普遍的应用。
经过对现有技术的文献检索发现，中国实用新型专利(CN 205167262 U)“应用于石墨高速加工中的金刚石涂层刀具”公开了石墨加工用金刚石涂层刀具底刃前、后角，周刃前、后角和螺旋角的度数范围，但对直接用于平面石墨铣削的底刃长度和排屑槽，以及金刚石薄膜的沉积工艺、涂层厚度和石墨加工表面粗糙度较少描述。中国发明专利(CN101905489 A)“金刚石涂层刀具对紧密细小石墨电极的加工方法”描述了采用刃磨加工降低金刚石涂层刀具的表面粗糙度的方法，而本专利将从沉积颗粒细小的纳米金刚石薄膜入手降低金刚石涂层刀具的表面粗糙度。
发明内容
本发明的目的是针对手机玻璃对其热弯石墨模具严苛的表面质量要求，开发一种高效、优质的石墨模具加工专用平面端铣刀。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种石墨模具加工用涂层端铣刀，包括刀柄和含有切削刃的切削部分，切削刃由侧刃和底刃组成，其特征在于，所述的底刃包括一条通过端铣刀底面圆心处的长底刃和三条不过端铣刀底面圆心处的短底刃均布于端铣刀底面，长底刃与短底刃间具有排屑槽，切削部分的表面具有沉积的微纳米复合金刚石薄膜。
所述的端铣刀的直径a为6～8mm，总长度e为40～60mm，切削部分长度f 为8～12mm，长底刃长度b为直径a的43％～47％，三条短底刃长度c为直径a 的31％～35％，长底刃与短底刃间排屑槽宽度d为直径a的18％～22％；底刃前角γo为3°～7°，底刃后角αo为4°～12°，螺旋角β为20°～45°，底刃的圆弧半径为端铣刀直径的0.8％～3.2％。
本发明还提供一种所述的端铣刀的制备方法：
一种所述的端铣刀的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在五轴数控磨床上，将硬质合金棒材刃按照所述规格磨出端铣刀的切削刃和槽型，
其中，硬质合金优选钨钴类硬质合金(YG6)，含钴量6％，碳化钨颗粒直径约1微米；
随后，将端铣刀放入立式旋转刀具钝化设备中钝化2小时，转速为12r/min，刀具钝化设备中的研磨粉为石英砂和核桃粉的混合研磨剂，石英砂和核桃粉的混合质量比例为2:1，
2)对端铣刀的切削部分进行预处理：
首先，将切削部分的硬质合金衬底浸泡在Murakami溶液中进行20～30 分钟超声清洗，使硬质合金表层的碳化钨(WC)颗粒碎裂，并使基体表面粗化，随后，将硬质合金基体浸泡在Caro混合酸溶液中进行1～4分钟的刻蚀以去除其表层的钴元素；
其中，所述Murakami溶液的成分为氢氧化钾(KOH)、铁***(K3(Fe(CN)6)) 和水(H2O)，其质量配比为KOH：K3(Fe(CN)6)：H2O＝1：1：8，
所述Caro混合酸溶液的成分为浓硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)，其体积配比为H2SO4：H2O2＝1：8，
然后经纯净水和丙酮的超声清洗，去除基体表面的杂质；
3)采用化学气相沉积法在预处理后的端铣刀切削部分表面沉积微纳米复合金刚石薄膜，
所述微纳米复合金刚石薄膜的底层为微米金刚石薄膜，表层为纳米金刚石薄膜，微米金刚石薄膜层的厚度为3～5微米，颗粒尺寸约2～4微米；纳米金刚石薄膜层的厚度为2～4微米，颗粒尺寸小于100纳米。
优选的，金刚石薄膜沉积过程的工艺参数为：沉积微米金刚石阶段，热丝6 根，每根长度100mm，功率2800～3300w，气压30torr，甲烷流量30sccm，氢气流量3000sccm ，沉积6小时；沉积纳米金刚石阶段，热丝6根，每根长度100mm，功率2200～2600w，气压20torr，甲烷流量60sccm，氢气流量3000sccm ，沉积4 小时。
与现有传统硬质合金端铣刀相比，本发明具有如下优点：
本发明涉及的手机玻璃热弯模具加工专用涂层端铣刀具有三短一长的底刃，底部排屑槽宽度占比高，且刀刃切削刃圆弧半径合适，表面涂覆耐磨且光滑的微纳米复合金刚石薄膜。在石墨模具的加工过程中，该端铣刀可有效消除石墨加工平面的刀痕，提升石墨模具的表面光洁度，排屑顺畅，刀具工作寿命长，可有效提升手机玻璃热弯石墨模具的加工效率和加工表面质量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会更加明显：
图1本发明的涂层端铣刀的示意图
其中，1-刀柄，2-切削部分，3-长底刃，4-短底刃，5-排屑槽。
图2本发明的涂层端铣刀底刃部分示意图
其中，a-端铣刀直径，b-长底刃长度，c-短底刃长度，d-长、短底刃间排屑槽宽度。
图3涂层端铣刀的主视图示意图
α0-底刃后角，γ0-底刃前角，β-螺旋角，f-切削部分长度，e-端铣刀总长度。
图4本发明涉及涂层端铣刀表面金刚石薄膜的微观形貌
图5手机玻璃热弯石墨模具平面示意图
图6手机玻璃热弯石墨模具三维示意图
其中，1-石墨模具工作平面，2-手机玻璃热弯弧面。
图7本发明涉及端铣刀的石墨模具加工表面信息
图8对比端铣刀的石墨模具加工表面信息
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例1
本实施例采用的涂层端铣刀的外形示意图如图1和图2和图3所示，其直径 a为6mm，总长度e为50mm，切削部分长度为8mm，3条短底刃长度为2mm， 1条长底刃长度为2.82mm，其中长底刃通过端铣刀底面的圆心处，其余3条短底刃均不通过端铣刀底面的圆心处，长、短底刃中间排屑槽的宽度为1.3mm，底刃前角为5°，底刃后角为7°，螺旋角为25°。刀具基材为含钴量6％的硬质合金，其中碳化钨颗粒尺寸为1微米。
将五轴数控磨床刃磨后的端铣刀放在立式旋转刀具钝化设备中以12r/min的转速钝化2小时，采用的研磨粉是石英砂和核桃粉的混合粉，混合质量比例为2： 1，钝化后底刃切削刃圆弧半径为10μm。
随后，将钝化后的刀具放入Murakami溶液中进行25分钟超声清洗，Murakami 溶液的成分为氢氧化钾(KOH)、铁***(K3(Fe(CN)6))和水(H2O)，其质量配比为KOH：K3(Fe(CN)6)：H2O＝1：1：8。
随后，将刀具放入Caro混合酸溶液中进行1～4分钟的超声腐蚀，Caro混合酸溶液的成分为浓硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)，其体积配比为H2SO4：H2O2＝ 1：8。
随后，硬质合金端铣刀经过纯净水和丙酮的超声清洗，以去除基体表面的杂质。
再将50只预处理后的端铣刀放入真空炉中进行金刚石薄膜的沉积，采用的沉积工艺参数为：沉积微米金刚石薄膜阶段，热丝6根，每根长度100mm，功率 2800w，气压30torr，甲烷流量30sccm，氢气流量3000sccm，沉积6小时；沉积纳米金刚石薄膜阶段，热丝6根，每根长度100mm，功率2200w，气压20torr，甲烷流量60sccm，氢气流量3000sccm，沉积4小时。
所获得的微纳米复合金刚石涂层端铣刀的表面微观形貌如图4所示。
随后，将获得的金刚石涂层端铣刀用于手机玻璃热弯石墨模具的工作平面加工中，手机玻璃热弯石墨模具的平面和三维示意图分别如图5和图6所示。
在高速数控雕刻机上进行石墨模具的工作平面铣削，采用S形进刀，具体切削参数为：转速12000r/min，X方向进给率4000mm/min，Y方向步距为0.05mm，切深为0.05mm。
为更加清晰地了解该发明涉及端铣刀的切削使用性能，采用了直径同为 6mm，4条底刃，每条底刃均为2.2mm的未涂层硬质合金端铣刀进行对比。
采用白光干涉仪考察石墨模具加工表面的粗糙度，本发明涉及的端铣刀的石墨模具工作平面加工效果如图7所示，该平面内黑色考察线的粗糙度Ra为211 纳米。对比刀的石墨模具工作平面加工效果如图8所示，图中可见明显刀痕，平面内黑色考察线的粗糙度Ra为293纳米。加工结束后，本发明涉及的涂层端铣刀的底刃未见明显磨损，对比刀的底刃后刀面磨损量达到了0.2mm。
实施例2
本实施例采用的涂层端铣刀的直径为8mm，切削部分长度f为8mm，拥有三短一长4条底刃，长底刃长度为4.1mm，三条短底刃长度为2.48mm，其中长底刃通过端铣刀底面的圆心处，其余3条短底刃均不通过端铣刀底面的圆心处，长底刃与短底刃间的排屑槽宽度为1.36mm；底刃前角为7°，底刃后角为12°，螺旋角为45°。直径8mm的端铣刀钝化后，其底刃切削刃圆弧半径为20μm。
将硬质合金衬底浸泡在Murakami溶液中进行30分钟超声清洗，使硬质合金表层的碳化钨(WC)颗粒碎裂，并导致基体表面粗化。随后，将硬质合金基体浸泡在Caro混合酸溶液中进行4分钟的刻蚀以去除其表层的钴元素。
随后，硬质合金端铣刀经过纯净水和丙酮的超声清洗，以去除基体表面的杂质。
采用化学气相沉积法在预处理后的端铣刀表面沉积微纳米复合金刚石薄膜。微米金刚石薄膜层的厚度为5微米，颗粒尺寸约4微米；纳米金刚石薄膜层的厚度为4微米，颗粒尺寸小于100纳米。
在数控雕刻机上进行8mm端铣刀的切削实验，对比刀具为8mm的等长4刃未涂层硬质合金端铣刀，每条底刃的长度为3.2mm。切削实验的具体切削参数为：转速12000r/min，X方向进给率4000mm/min，Y方向步距为0.05mm，切深为 0.05mm。
切削实验后，采用白光干涉仪检测石墨模具的加工表面质量，本发明涉及的涂层端铣刀的加工表面粗糙度Ra为233纳米，对比刀具的加工表面粗糙度Ra 为492纳米。
由上述实例可见，与传统未涂层底刃等长的端铣刀相比，本发明涉及涂层端铣刀的三长一短的独特底刃及其长度分布和超硬耐磨光洁的金刚石薄膜涂层可有效改善刀具耐磨损性能，提升石墨模具的加工表面光洁度，加工的石墨模具能满足手机玻璃热弯过程的使用要求。

Claims (2)

1.一种石墨模具加工用涂层端铣刀，包括刀柄和含有切削刃的切削部分，切削刃由侧刃和底刃组成，底刃包括一条通过端铣刀底面圆心处的长底刃和三条不过端铣刀底面圆心处的短底刃均布于端铣刀底面，长底刃与短底刃间具有排屑槽，切削部分的表面具有沉积的微纳米复合金刚石薄膜；端铣刀的直径a为6～8mm，总长度e为40～60mm，切削部分长度f为8～12mm，长底刃长度b为直径a的43％～47％，三条短底刃长度c为直径a的31％～35％，长底刃与短底刃间排屑槽宽度d为直径a的18％～22％；底刃前角γo为3°～7°，底刃后角αo为4°～12°，螺旋角β为20°～45°，底刃的圆弧半径为端铣刀直径的0.8％～3.2％，其特征在于，所述的端铣刀是通过以下方法制备的，具体步骤包括：
1)在五轴数控磨床上，将硬质合金棒材刃磨出端铣刀的切削刃和槽型，其中，硬质合金为钨钴类硬质合金，含钴量6％，碳化钨颗粒直径约1微米；
随后，将端铣刀放入立式旋转刀具钝化设备中钝化2小时，转速为12r/min，刀具钝化设备中的研磨粉为石英砂和核桃粉的混合研磨剂，石英砂和核桃粉的混合质量比例为2:1，
2)对端铣刀的切削部分进行预处理：
首先，将切削部分的硬质合金衬底浸泡在Murakami溶液中进行20～30分钟超声清洗，使硬质合金表层的碳化钨(WC)颗粒碎裂，并使基体表面粗化，随后，将硬质合金基体浸泡在Caro混合酸溶液中进行1～4分钟的刻蚀以去除其表层的钴元素；
其中，所述Murakami溶液的成分为氢氧化钾(KOH)、铁***(K3(Fe(CN)6))和水(H2O)，其质量配比为KOH：K3(Fe(CN)6)：H2O＝1：1：8，
所述Caro混合酸溶液的成分为浓硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)，其体积配比为H2SO4：H2O2＝1：8，
然后经纯净水和丙酮的超声清洗，去除基体表面的杂质；
3)采用化学气相沉积法在预处理后的端铣刀切削部分表面沉积微纳米复合金刚石薄膜，
所述微纳米复合金刚石薄膜的底层为微米金刚石薄膜，表层为纳米金刚石薄膜，微米金刚石薄膜层的厚度为3～5微米，颗粒尺寸约2～4微米；纳米金刚石薄膜层的厚度为2～4微米，颗粒尺寸小于100纳米。
2.如权利要求1所述的石墨模具加工用涂层端铣刀，其特征在于，所述端铣刀的制备步骤3)中，金刚石薄膜沉积过程的工艺参数为：沉积微米金刚石阶段，热丝6根，每根长度100mm，功率2800～3300w，气压30torr，甲烷流量30sccm，氢气流量3000sccm ，沉积6小时；沉积纳米金刚石阶段，热丝6根，每根长度100mm，功率2200～2600w，气压20torr，甲烷流量60sccm，氢气流量3000sccm ，沉积4小时。
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