CN116197466A - 剐齿刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种剐齿刀具及其制备方法。剐齿刀具包括：剐齿刀具本体，剐齿刀具本体的刀面形成有多个凹凸结构，多个凹凸结构在刀面上沿至少一个方向间隔排布；和复合膜层，设置在刀面上，并且复合膜层包括：金属膜层，形成在刀面上，并覆盖多个凹凸结构的表面，金属膜层的材料包括金属；过渡膜层，设置在金属膜层远离刀面的一侧，过渡膜层包括形成在金属膜层上的第一膜层和形成在第一膜层上的第二膜层，第一膜层的材料包括金属的氮化物，第二膜层的材料包括金属和铝的合金的氮化物；和功能膜层，设置在过渡膜层远离刀面的一侧，功能膜层的材料包括金属、铝和硅的合金的氮化物。
Description
技术领域
本公开涉及刀具技术领域，尤其涉及一种剐齿刀具及其制备方法。
背景技术
齿轮作为基础零部件，其设计结构形式与制造精度直接影响着传动元件与工程机械传动***性能。目前，滚齿、插齿等常规齿轮制造技术无法满足无退刀槽内齿、双联齿轮等轻量化齿轮零件加工与传动元件创新研发；薄壁齿圈插齿加工齿圈易变形、精度差(8-9级)、加工效率低(40-50min/件)，无法满足高端传动元件高精高效生产，严重地限制了工程机械高端化发展。
剐齿技术是21世纪逐渐发展起来的齿轮加工新技术，不仅能够实现无退刀槽内齿、双联齿轮等轻量化齿轮零件加工，而且能够实现干式切削、加工精度达到GB/T 6级及以上、加工效率较滚齿与插齿提升3-4倍，表现出高精度、高效率、绿色环保等显著特点。
发明内容
发明人经研究发现，剐齿技术产业化进程中存在一个瓶颈问题，即剐齿刀具磨损快、使用寿命短，限制了剐齿技术批量化应用。
有鉴于此，本公开实施例提供一种剐齿刀具及其制备方法，能够提高刀具使用寿命。
在本公开的一个方面，提供一种剐齿刀具，包括：
剐齿刀具本体，所述剐齿刀具本体的刀面形成有多个凹凸结构，所述多个凹凸结构在所述刀面上沿至少一个方向间隔排布；和
复合膜层，设置在所述刀面上，并且所述复合膜层包括：
金属膜层，形成在所述刀面上，并覆盖所述多个凹凸结构的表面，所述金属膜层的材料包括金属；
过渡膜层，设置在所述金属膜层远离所述刀面的一侧，所述过渡膜层包括形成在所述金属膜层上的第一膜层和形成在所述第一膜层上的第二膜层，所述第一膜层的材料包括所述金属的氮化物，所述第二膜层的材料包括所述金属和铝的合金的氮化物；和
功能膜层，设置在所述过渡膜层远离所述刀面的一侧，所述功能膜层的材料包括所述金属、铝和硅的合金的氮化物。
在一些实施例中，所述金属为铬或钛。
在一些实施例中，所述金属膜层的厚度为0.2～0.3μm，和/或，所述过渡膜层的厚度为0.5～0.8μm，和/或，所述功能膜层的厚度为1～3μm。
在一些实施例中，所述刀面包括前刀面，所述多个凹凸结构包括多个圆形凹坑、多个横向凹槽、多个扇形凹槽或多个月牙形凹坑，所述多个圆形凹坑、多个横向凹槽、多个扇形凹槽或多个月牙形凹坑形成在所述前刀面上。
在一些实施例中，所述刀面包括前刀面和后刀面，所述多个凹凸结构包括多个圆形凹坑和多个横向凹槽，所述多个圆形凹坑和所述多个横向凹槽形成在所述前刀面和所述后刀面上。
在一些实施例中，各个横向凹槽沿第一方向延伸，所述多个横向凹槽沿垂直于所述第一方向的第二方向间隔排布，所述多个圆形凹坑包括沿所述第二方向间隔排布的多排圆形凹坑，每排圆形凹孔至少部分地位于对应的横向凹槽内。
在一些实施例中，所述刀面包括前刀面和后刀面，所述多个凹凸结构包括多个圆形凹坑和多个月牙形凹坑，所述多个圆形凹坑和所述多个月牙形凹坑形成在所述前刀面和所述后刀面上。
在一些实施例中，所述多个圆形凹坑和所述多个月牙形凹坑均按阵列排布，所述多个圆形凹坑沿所述阵列的至少一个排列方向与所述多个月牙形凹坑交替设置。
在一些实施例中，所述刀面包括前刀面和后刀面，所述多个凹凸结构包括多个圆形凸包，所述多个圆形凸包形成在所述前刀面和所述后刀面上。
在一些实施例中，所述多个凹凸结构还包括多个圆形凹坑、多个扇形凹槽或多个月牙形凹坑，所述多个圆形凹坑、多个扇形凹槽或多个月牙形凹坑形成在所述前刀面和所述后刀面上。
在一些实施例中，所述多个圆形凸包按阵列排布，所述多个圆形凹坑、多个扇形凹槽或多个月牙形凹坑按阵列排布，并沿所述阵列的至少一个方向与所述多个圆形凸包交替设置。
在一些实施例中，所述圆形凹坑的直径为30～50μm，深度为10～150μm，相邻所述圆形凹坑的间距为40～100μm。
在一些实施例中，所述圆形凸包的直径为30～50μm，高度为10～150μm，相邻所述圆形凸包的间距为40～100μm。
在一些实施例中，所述横向凹槽的宽度为40～100μm，深度为10～150μm，相邻所述横向凹槽的间距为40～100μm。
在一些实施例中，所述扇形凹槽的直径为30～50μm，扇形夹角为40°～60°，深度为10～150μm，相邻所述扇形凹槽的间距为40～100μm。
在一些实施例中，所述月牙形凹坑的最大宽度为30～50μm，最大长度为50～60μm，深度为10～150μm，所述月牙形凹坑的底部尖角的角度为20°～30°，相邻所述月牙形凹坑的间距为40～100μm。
在本公开的一个方面，提供一种前述的剐齿刀具的制备方法，包括：
提供剐齿刀具本体；
在所述剐齿刀具本体的刀面上形成多个凹凸结构，其中国所述多个凹凸结构在所述刀面上沿至少一个方向间隔排布；
在所述刀面上设置复合膜层，其中设置所述复合膜层的步骤包括：
在所述刀面上形成金属膜层，并使所述金属膜层覆盖所述多个凹凸结构的表面，其中所述金属膜层的材料包括金属；
在所述金属膜层上形成第一膜层，其中所述第一膜层的材料包括所述金属的氮化物；
在所述第一膜层上形成第二膜层，其中所述第二膜层的材料包括所述金属和铝的合金的氮化物；
在所述第二膜层上形成功能膜层，其中所述功能膜层的材料包括所述金属、铝和硅的合金的氮化物。
在一些实施例中，所述金属膜层通过脉冲电弧方法形成，所述第一膜层、所述第二膜层和所述功能膜层均通过磁控溅射方法沉积形成。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：
在形成所述多个凹凸结构之前，对所述剐齿刀具本体进行超声清洗和氮气吹干。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：
在设置所述复合膜层之前，对所述剐齿刀具本体进行真空加热和氩气清洗。
因此，根据本公开实施例，在剐齿刀具本体的刀面上形成间隔排布的多个凹凸结构，并在刀面上设置复合膜层，多个凹凸结构可增强复合膜层在刀面上的附着效果，并改善刀具的耐磨性能；复合膜层包括金属膜层、包含金属的氮化物及与铝的合金的氮化物的过渡膜层及包含金属、铝和硅的合金的氮化物的功能膜层，通过金属膜层作为附着过渡膜层的基底，通过过渡膜层来缓冲功能膜层与金属膜层之间的应力突变影响，提高复合膜层与剐齿刀具本体的结合力，从而使剐齿刀具本体能够可靠地通过功能膜层在高速切削等场景下具有较好的耐磨性能和抗高温氧化性能。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是根据本公开剐齿刀具的一些实施例的工作场景示意图；
图2是根据本公开剐齿刀具的一些实施例的结构示意图；
图3是图2中圆圈A的放大示意图；
图4是根据本公开剐齿刀具实施例中复合膜层设置在剐齿刀具本体上并覆盖凹凸结构的示意图；
图5是根据本公开剐齿刀具实施例中复合膜层的结构示意图；
图6-图14分别是根据本公开剐齿刀具的一些实施例中刀面上不同形式的多个凹凸结构的示意图；
图15是根据本公开剐齿刀具的制备方法的一些实施例的流程示意图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
图1是根据本公开剐齿刀具的一些实施例的工作场景示意图。参考图1，剐齿刀具S的轴线相对于被加工的工件W的轴线倾斜，并使剐齿刀具S和工件W分别以ω2和ω1高速旋转运动，工件W还沿平行于自身的轴线的方向v微量进给，从而逐渐在工件W上切削出齿面。
图2是根据本公开剐齿刀具的一些实施例的结构示意图。图3是图2中圆圈A的放大示意图。参考图1到图3，剐齿刀具S具有周向分布的多个切削齿，切削齿的不同部位对应不同的刀面。在图3中，剐齿刀具S的本体(即剐齿刀具本体10)具有切削刃11和多个刀面。多个刀面包括通过切削刃11划分的前刀面12和后刀面13。在切削时，切削刃11切削得到的切屑主要从前刀面12流过，后刀面13可包括左侧后刀面131、顶后刀面132和右侧后刀面133。
图4是根据本公开剐齿刀具实施例中复合膜层设置在剐齿刀具本体上并覆盖凹凸结构的示意图。图5是根据本公开剐齿刀具实施例中复合膜层的结构示意图。参考图1-图5，本公开实施例提供了一种剐齿刀具，包括剐齿刀具本体10和复合膜层30。剐齿刀具本体10的刀面形成有多个凹凸结构20，所述多个凹凸结构20在所述刀面上沿至少一个方向间隔排布。复合膜层30设置在所述刀面上。
这里的凹凸结构20可以包括相对于刀面内凹的凹槽或凹坑，也可以包括相对于刀面凸起的凸包或凸棱，也可以既包括相对于刀面内凹的凹槽或凹坑，也包括相对于刀面凸起的凸包或凸棱。
所述复合膜层30包括：金属膜层31、过渡膜层32和功能膜层33。金属膜层31形成在所述刀面上，并覆盖所述多个凹凸结构20的表面，所述金属膜层31的材料包括金属。这里的金属材料是指金属单质，例如铬Cr或钛Ti。金属膜层31覆盖多个凹凸结构20的表面，相比于平面，具有多个凹凸结构20的表面的表面积更大，可以更充分地与金属膜层31结合，从而获得更大的结合力，使得复合膜层30在刀面上更不容易剥落。
过渡膜层32设置在所述金属膜层31远离所述刀面的一侧。所述过渡膜层32包括形成在所述金属膜层31上的第一膜层321和形成在所述第一膜层321上的第二膜层322，所述第一膜层321的材料包括所述金属的氮化物，所述第二膜层322的材料包括所述金属和铝的合金的氮化物。功能膜层33设置在所述过渡膜层32远离所述刀面的一侧，所述功能膜层33的材料包括所述金属、铝和硅的合金的氮化物。
本实施例在剐齿刀具本体的刀面上形成间隔排布的多个凹凸结构，并在刀面上设置复合膜层，多个凹凸结构可增强复合膜层在刀面上的附着效果，并改善刀具的耐磨性能；复合膜层包括金属膜层、包含金属的氮化物及与铝的合金的氮化物的过渡膜层及包含金属、铝和硅的合金的氮化物的功能膜层，通过金属膜层作为附着过渡膜层的基底，通过过渡膜层来缓冲功能膜层与金属膜层之间的应力突变影响，提高复合膜层与剐齿刀具本体的结合力，从而使剐齿刀具本体能够可靠地通过功能膜层在高速切削等场景下具有较好的耐磨性能和抗高温氧化性能。
以金属Cr为例，复合膜层为Cr膜层、CrN-AlCrN过渡膜层和AlCrSiN功能膜层。对于采用硬质铁合金的剐齿刀具本体来说，这种复合膜层与刀面接触的Cr膜层能够与剐齿刀具本体相互固溶，从而获得较强的结合力，以作为附着过渡膜层的基底。
AlCrSiN功能膜层的硬度值可达3500HV，最高使用温度可达1000℃以上，并且在高速切削下，耐磨性能及抗高温氧化性较好。考虑到功能膜层与剐齿刀具本体之间热膨胀系数的差异较大，通过设置CrN-AlCrN过渡膜层来逐层地改善热膨胀系数的差异，缓冲不同材料间应力突变影响，从而有效地提高复合膜层与剐齿刀具本体之间的结合力。
考虑到金属膜层31的厚度如果过大，内应力增加，则在使用时容易剥落，而且制备效率较低；如果过小，则起到的基底作用不明显，因此在一些实施例中，所述金属膜层31的厚度为0.2～0.3μm，例如0.2μm、0.24μm、0.28μm、0.3μm等。
考虑到过渡膜层32的厚度如果过大，内应力增加，则在使用时容易剥落，而且制备效率较低；如果过小，则起到的过渡作用不明显，因此在一些实施例中，所述过渡膜层32的厚度为0.5～0.8μm，例如0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm等。
考虑到功能膜层33的厚度如果过大，内应力增加，则在使用时容易剥落，而且制备效率较低；如果过小，则起到的耐磨抗高温抗氧化的作用不明显，因此在一些实施例中，所述功能膜层33的厚度为1～3μm，例如1μm、1.6μm、2.4μm、3μm等。
举例来说，具有超高硬度的纳米陶瓷复合膜层可通过非平衡磁控溅射复合脉冲电弧设备制备。所述涂层设备包括Cr靶、AlCr合金靶、Si靶。制备获得的复合膜层自剐齿刀具本体的刀面向外依次包括Cr膜层、CrN-AlCrN过渡膜层和AlCrSiN功能膜层，粒子离子化大于90％，粗糙度小于0.2。Cr膜层厚度为0.3μm，CrN-AlCrN过渡膜层的厚度为0.6μm，AlCrSiN功能膜层的厚度为2.4μm，复合膜层的总厚度为3.3μm。
在另一些实施例中，也可以采用基于同样具有很高硬度的金属Ti的复合膜层，即复合膜层自剐齿刀具本体的刀面向外依次包括Ti膜层、TiN-AlTiN过渡膜层和AlTiSiN功能膜层。
图6-图14分别是根据本公开剐齿刀具的一些实施例中刀面上不同形式的多个凹凸结构的示意图。参考图6-图9，在一些实施例中，所述刀面包括前刀面12，所述多个凹凸结构20包括多个圆形凹坑21、多个横向凹槽22、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24，所述多个圆形凹坑21、多个横向凹槽22、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24形成在所述前刀面12上。可选地，所述多个圆形凹坑21、多个横向凹槽22、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24可形成在所述前刀面12靠近切削刃的区域，以改善靠近切削刃的区域的膜层附着力，降低凹凸结构的加工成本和时长。
在图6、8和9中，多个圆形凹坑21、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24均沿横向和纵向间隔排布，以形成阵列。在图7中，多个横向凹槽22可在横向凹槽的垂直方向上间隔排布。这些设置在前刀面12的圆形凹坑21、横向凹槽22、扇形凹槽23或月牙形凹坑24能够有效地减少刀具与工件的摩擦，疏导切屑快速流出，还能够存储切削液，产生为流动压效应，从而进一步减少剐齿刀具用于湿式切削时的刀具磨损。并且，这些结构能够减小界面接触面积，破坏水膜连续性，气流在凹坑或者凹槽内产生旋涡，形成空气垫，增加气流的湍流程度，改变颗粒运动轨迹，缓冲、减少碰撞，提高耐磨性能。
参考图6，所述圆形凹坑21的直径d1和相邻所述圆形凹坑21的间距d2的取值可基于多方面因素，如果直径d1过大，则影响刀具本体强度；如果直径d1过小，则使得圆形凹坑21的加工难度增大，因此优选使所述圆形凹坑21的直径d1为30～50μm，例如30μm、38μm、44μm、50μm。如果间距d2过大，则降低圆形凹坑21在减少摩擦、疏导切屑等方面的效果，如果间距d2过小，则使得圆形凹坑的加工难度增大，因此优选使相邻所述圆形凹坑21的间距d2为40～100μm，例如40μm、60μm、80μm、100μm。
参考图4和图6，所述圆形凹坑21的深度D的取值可基于多方面因素，如果深度D取值过大，则影响刀具本体强度，如果深度D过小，则降低圆形凹坑21在减少摩擦、疏导切屑等方面的效果，在加工难度也比较大，因此优选使所述圆形凹坑21的深度D为10～150μm，例如10μm、65μm、110μm、150μm。
参考图7，所述横向凹槽22的宽度w1和相邻所述横向凹槽22的间距d3的取值可基于多方面因素，如果宽度w1过大，则影响刀具本体强度；如果宽度w1过小，则使得横向凹槽22的加工难度增大，因此优选使所述横向凹槽22的宽度w1为40～100μm，例如40μm、60μm、80μm、100μm。如果间距d3过大，则降低横向凹槽22在减少摩擦、疏导切屑等方面的效果，如果间距d3过小，则使得横向凹槽22的加工难度增大，因此优选使相邻所述横向凹槽22的间距d3为40～100μm，例如40μm、60μm、80μm、100μm。
参考图4和图7，所述横向凹槽22的深度D的取值可基于多方面因素，如果深度D取值过大，则影响刀具本体强度，如果深度D过小，则降低横向凹槽22在减少摩擦、疏导切屑等方面的效果，在加工难度也比较大，因此优选使所述横向凹槽22的深度D为10～150μm，例如10μm、65μm、110μm、150μm。
参考图8，所述扇形凹槽23的直径d4、扇形夹角α和相邻所述扇形凹槽23的间距d5的取值可基于多方面因素，如果直径d4过大，则扇形凹槽23的弧度过平，效果降低；如果直径d4过小，则使得扇形凹槽23的加工难度增大，因此优选使所述扇形凹槽23的直径d4为30～50μm，例如30μm、36μm、42μm、50μm。如果扇形夹角α过大或过小，都会使得扇形凹槽23的加工难度增大，因此优选使所述扇形凹槽23的扇形夹角为40°～60°。如果间距d5过大，则降低扇形凹槽23在减少摩擦、疏导切屑等方面的效果，如果间距d5过小，则使得扇形凹槽23的加工难度增大，因此优选使相邻所述扇形凹槽23的间距d5为40～100μm，例如40μm、60μm、80μm、100μm。
参考图4和图8，所述扇形凹槽23的深度D的取值可基于多方面因素，如果深度D取值过大，则影响刀具本体强度，如果深度D过小，则降低扇形凹槽23在减少摩擦、疏导切屑等方面的效果，在加工难度也比较大，因此优选使所述扇形凹槽23的深度D为10～150μm，例如10μm、65μm、110μm、150μm。
参考图9，所述月牙形凹坑24的最大宽度w2和最大长度L是根据多个月牙形凹坑24的排列方向确定的，月牙形凹坑24的底部尖角指向切削刃。如果月牙形凹坑24的最大宽度w2或最大长度L过大，则影响刀具本体强度；如果最大宽度w2或最大长度L过小，则使得月牙形凹坑24的加工难度增大，因此优选使所述月牙形凹坑24的最大宽度为30～50μm，例如30μm、40μm、50μm，最大长度为50～60μm，例如50μm、55μm、60μm。
月牙形凹坑的底部尖角的角度β如果过大，则破坏水膜连续性的能力降低，角度β如果过小，则使得月牙形凹坑24的加工难度增大，因此优选使所述月牙形凹坑24的底部尖角的角度为20°～30°，例如20°、25°、30°。
参考图4和图9，所述月牙形凹坑24的深度D取值过大，则影响刀具本体强度，如果深度D过小，则降低月牙形凹坑24在减少摩擦、疏导切屑等方面的效果，在加工难度也比较大，因此优选使所述月牙形凹坑24的深度D为10～150μm，例如10μm、65μm、110μm、150μm。
参考图4和图10，在一些实施例中，所述刀面包括前刀面12和后刀面13，所述多个凹凸结构20包括多个圆形凸包25，所述多个圆形凸包25形成在所述前刀面12和所述后刀面13上。圆形凸包25能够对较大的切屑形成切断作用，并可形成有利于排出切屑的通道，减小前刀面12和后刀面13之间的接触面积，不仅可适用于湿式切削，也可适用于干式切削。可选地，所述多个圆形凸包25可形成在所述前刀面12和后刀面13上靠近切削刃的区域，以改善靠近切削刃的区域的膜层附着力，降低凹凸结构的加工成本和时长。
参考图10，所述圆形凸包25的直径d7和相邻所述圆形凸包25的间距d8可基于多方面因素，如果直径d7过大，则使得刀面粗糙度较高；如果直径d7过小，则使得圆形凸包25的加工难度增大，因此优选使所述圆形凸包25的直径d7为30～50μm，例如30μm、38μm、44μm、50μm。如果间距d8过大，则降低圆形凸包25在断屑、减小接触面积等方面的效果，如果间距d8过小，则使得圆形凸包25的加工难度增大，因此优选使相邻所述圆形凸包25的间距d8为40～100μm，例如40μm、60μm、80μm、100μm。
参考图4和图10，所述圆形凸包25的高度h的取值可基于多方面因素，如果高度h取值过大，则使得刀面粗糙度较高，如果高度h过小，则降低圆形凸包25在断屑、减小接触面积等方面的效果，在加工难度也比较大，因此优选使所述圆形凸包25的高度h为10～150μm，例如10μm、65μm、110μm、150μm。
为了提高刀具性能，可将上述不同形式的凹凸结构进行组合，利用不同凹凸结构的特性满足更多方面的刀具性能。凸包和凹坑结合在一起，凸包可以实现断屑，凹坑形成空气垫，增加气流的湍流程度，改变颗粒运动轨迹，缓冲、减少碰撞，两者结合提高耐磨性能。不同的凹坑和凹槽也可以结合在一起，通过凹槽实现多个凹坑间的切削液的流通，并产生微流动压效应，进一步减小刀具磨损。
参考图11，在一些实施例中，所述刀面包括前刀面12和后刀面13，所述多个凹凸结构20包括多个圆形凹坑21和多个横向凹槽22，所述多个圆形凹坑21和所述多个横向凹槽22形成在所述前刀面12和所述后刀面13上。可选地，所述多个圆形凹坑21和多个横向凹槽22可形成在所述前刀面12和后刀面13靠近切削刃的区域，以改善靠近切削刃的区域的膜层附着力，降低凹凸结构的加工成本和时长。
在图11中，各个横向凹槽22沿第一方向延伸，所述多个横向凹槽22沿垂直于所述第一方向的第二方向间隔排布，所述多个圆形凹坑21包括沿所述第二方向间隔排布的多排圆形凹坑21，每排圆形凹孔至少部分地位于对应的横向凹槽22内。
参考图12，在一些实施例中，所述刀面包括前刀面12和后刀面13，所述多个凹凸结构20包括多个圆形凹坑21和多个月牙形凹坑24，所述多个圆形凹坑21和所述多个月牙形凹坑24形成在所述前刀面12和所述后刀面13上。多个圆形凹坑21和多个月牙形凹坑24可形成在所述前刀面12和后刀面13靠近切削刃的区域，以改善靠近切削刃的区域的膜层附着力，降低凹凸结构的加工成本和时长。
在图12中，所述多个圆形凹坑21和所述多个月牙形凹坑24均按阵列排布，所述多个圆形凹坑21沿所述阵列的至少一个排列方向与所述多个月牙形凹坑24交替设置。
参考图13和图14，在一些实施例中，所述多个凹凸结构20包括多个圆形凸包25，还包括多个圆形凹坑21、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24，所述多个圆形凹坑21、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24形成在所述前刀面12和所述后刀面13上。所述多个圆形凹坑21、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24可形成在所述前刀面12和后刀面13靠近切削刃的区域，以改善靠近切削刃的区域的膜层附着力，降低凹凸结构的加工成本和时长。
在图13和图14中，所述多个圆形凸包25按阵列排布，所述多个圆形凹坑21、多个扇形凹槽23或多个月牙形凹坑24按阵列排布，并沿所述阵列的至少一个方向与所述多个圆形凸包25交替设置。
在上述实施例中，这些凹坑、凹槽或凸包等凹凸结构实际上在刀面上比较细微，对被切削的工件表面的光滑度影响较小，不容易影响到刀具本身的强度等性能。而且多个凹凸结构按照一定规则排列分布，可以形成类似于海螺表面、牦牛角、蝼蛄体表或鱼鳞等比较耐磨的结构，从而提升刀具性能。
图15是根据本公开剐齿刀具的制备方法的一些实施例的流程示意图。基于前述各个实施例的剐齿刀具和图15，本公开实施例提供一种前述剐齿刀具的制备方法，包括步骤S1到步骤S3。在步骤S1中，提供剐齿刀具本体10。在步骤S2中，在所述剐齿刀具本体10的刀面上形成多个凹凸结构20，其中所述多个凹凸结构20在所述刀面上沿至少一个方向间隔排布。
在步骤S3中，在所述刀面上设置复合膜层30。这里设置所述复合膜层30的步骤包括：在所述刀面上形成金属膜层31，并使所述金属膜层31覆盖所述多个凹凸结构20的表面，其中所述金属膜层31的材料包括金属，例如铬或钛；在所述金属膜层31上形成第一膜层321，其中所述第一膜层321的材料包括所述金属的氮化物；在所述第一膜层321上形成第二膜层322，其中所述第二膜层322的材料包括所述金属和铝的合金的氮化物；在所述第二膜层322上形成功能膜层33，其中所述功能膜层33的材料包括所述金属、铝和硅的合金的氮化物。
在一些实施例中，所述金属膜层31通过脉冲电弧方法形成，所述第一膜层321、所述第二膜层322和所述功能膜层33均通过磁控溅射方法沉积形成。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：在形成所述多个凹凸结构20之前，对所述剐齿刀具本体10进行超声清洗和氮气吹干。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：在设置所述复合膜层30之前，对所述剐齿刀具本体10进行真空加热和氩气清洗。
下面结合前述剐齿刀具的结构及制备方法的实施例来举例说明。剐齿刀具的制备过程如下：
1)凹凸结构加工：剐齿刀具本体利用去油污粉超声清洗油污20min，之后分别放入去离子水、酒精中分别对剐齿刀具本体进行超声清洗30min，使用氮气吹干后，放入鼓风干燥箱中待用。在微织构待加工区利用激光或3D打印等方式进行加工，以形成凹凸结构，再一次对剐齿刀具本体进行清洗、烘干备用。
2)复合膜层制备：
a)清洗：将1)中处理后的剐齿刀具本体放入真空室，调节转架转速2～3r/min，抽取真空至1.5×10-3Pa，真空室加热至350-400℃后保温15min，通入Ar，脉冲偏压800～1000V，Ar气清洗基体15～20min。
b)镀膜：首先采用脉冲电弧方法镀Cr膜层，脉冲频率为15-20Hz，弧电流75-90A，脉冲次数8000-12000次；过渡膜层采用磁控溅射方法沉积CrN膜层和AlCrN膜层，先通入N2，工作气压0-0.3Pa，偏压100V-150V，Cr靶电压-800V，沉积CrN膜层5-10min，关闭N2。然后通入Ar，工作气压达0.3Pa时，再通入N2，且工作气压由0.3Pa逐渐增压到0.5Pa，偏压100V-150V，AlCr合金靶电压-800V，沉积AlCrN膜层90-120min。最后采用磁控溅射方法沉积功能膜层，打开Si靶，工作气压0.05-0.1Pa，偏压50V-150V，沉积AlCrSiN膜层100-120min。
c)冷却：待真空室冷却至室温后，将2)得到的剐齿刀具本体取出。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (20)
1.一种剐齿刀具，其特征在于，包括：
剐齿刀具本体(10)，所述剐齿刀具本体(10)的刀面形成有多个凹凸结构(20)，所述多个凹凸结构(20)在所述刀面上沿至少一个方向间隔排布；和
复合膜层(30)，设置在所述刀面上，并且所述复合膜层(30)包括：
金属膜层(31)，形成在所述刀面上，并覆盖所述多个凹凸结构(20)的表面，所述金属膜层(31)的材料包括金属；
过渡膜层(32)，设置在所述金属膜层(31)远离所述刀面的一侧，所述过渡膜层(32)包括形成在所述金属膜层(31)上的第一膜层(321)和形成在所述第一膜层(321)上的第二膜层(322)，所述第一膜层(321)的材料包括所述金属的氮化物，所述第二膜层(322)的材料包括所述金属和铝的合金的氮化物；和
功能膜层(33)，设置在所述过渡膜层(32)远离所述刀面的一侧，所述功能膜层(33)的材料包括所述金属、铝和硅的合金的氮化物。
2.根据权利要求1所述的剐齿刀具，其特征在于，所述金属为铬或钛。
3.根据权利要求1或2所述的剐齿刀具，其特征在于，所述金属膜层(31)的厚度为0.2～0.3μm，和/或，所述过渡膜层(32)的厚度为0.5～0.8μm，和/或，所述功能膜层(33)的厚度为1～3μm。
4.根据权利要求1所述的剐齿刀具，其特征在于，所述刀面包括前刀面(12)，所述多个凹凸结构(20)包括多个圆形凹坑(21)、多个横向凹槽(22)、多个扇形凹槽(23)或多个月牙形凹坑(24)，所述多个圆形凹坑(21)、多个横向凹槽(22)、多个扇形凹槽(23)或多个月牙形凹坑(24)形成在所述前刀面(12)上。
5.根据权利要求1所述的剐齿刀具，其特征在于，所述刀面包括前刀面(12)和后刀面(13)，所述多个凹凸结构(20)包括多个圆形凹坑(21)和多个横向凹槽(22)，所述多个圆形凹坑(21)和所述多个横向凹槽(22)形成在所述前刀面(12)和所述后刀面(13)上。
6.根据权利要求5所述的剐齿刀具，其特征在于，各个横向凹槽(22)沿第一方向延伸，所述多个横向凹槽(22)沿垂直于所述第一方向的第二方向间隔排布，所述多个圆形凹坑(21)包括沿所述第二方向间隔排布的多排圆形凹坑(21)，每排圆形凹孔至少部分地位于对应的横向凹槽(22)内。
7.根据权利要求1所述的剐齿刀具，其特征在于，所述刀面包括前刀面(12)和后刀面(13)，所述多个凹凸结构(20)包括多个圆形凹坑(21)和多个月牙形凹坑(24)，所述多个圆形凹坑(21)和所述多个月牙形凹坑(24)形成在所述前刀面(12)和所述后刀面(13)上。
8.根据权利要求7所述的剐齿刀具，其特征在于，所述多个圆形凹坑(21)和所述多个月牙形凹坑(24)均按阵列排布，所述多个圆形凹坑(21)沿所述阵列的至少一个排列方向与所述多个月牙形凹坑(24)交替设置。
9.根据权利要求1所述的剐齿刀具，其特征在于，所述刀面包括前刀面(12)和后刀面(13)，所述多个凹凸结构(20)包括多个圆形凸包(25)，所述多个圆形凸包(25)形成在所述前刀面(12)和所述后刀面(13)上。
10.根据权利要求9所述的剐齿刀具，其特征在于，所述多个凹凸结构(20)还包括多个圆形凹坑(21)、多个扇形凹槽(23)或多个月牙形凹坑(24)，所述多个圆形凹坑(21)、多个扇形凹槽(23)或多个月牙形凹坑(24)形成在所述前刀面(12)和所述后刀面(13)上。
11.根据权利要求10所述的剐齿刀具，其特征在于，所述多个圆形凸包(25)按阵列排布，所述多个圆形凹坑(21)、多个扇形凹槽(23)或多个月牙形凹坑(24)按阵列排布，并沿所述阵列的至少一个方向与所述多个圆形凸包(25)交替设置。
12.根据权利要求4-8和10-11中任一所述的剐齿刀具，其特征在于，所述圆形凹坑(21)的直径为30～50μm，深度为10～150μm，相邻所述圆形凹坑(21)的间距为40～100μm。
13.根据权利要求9-11中任一所述的剐齿刀具，其特征在于，所述圆形凸包(25)的直径为30～50μm，高度为10～150μm，相邻所述圆形凸包(25)的间距为40～100μm。
14.根据权利要求4-6中任一所述的剐齿刀具，其特征在于，所述横向凹槽(22)的宽度为40～100μm，深度为10～150μm，相邻所述横向凹槽(22)的间距为40～100μm。
15.根据权利要求4、10或11所述的剐齿刀具，其特征在于，所述扇形凹槽(23)的直径为30～50μm，扇形夹角为40°～60°，深度为10～150μm，相邻所述扇形凹槽(23)的间距为40～100μm。
16.根据权利要求4、7-8和10-11任一所述的剐齿刀具，其特征在于，所述月牙形凹坑(24)的最大宽度为30～50μm，最大长度为50～60μm，深度为10～150μm，所述月牙形凹坑(24)的底部尖角的角度为20°～30°，相邻所述月牙形凹坑(24)的间距为40～100μm。
17.一种权利要求1～16任一所述的剐齿刀具的制备方法，其特征在于，包括：
提供剐齿刀具本体(10)；
在所述剐齿刀具本体(10)的刀面上形成多个凹凸结构(20)，其中所述多个凹凸结构(20)在所述刀面上沿至少一个方向间隔排布；
在所述刀面上设置复合膜层(30)，其中设置所述复合膜层(30)的步骤包括：
在所述刀面上形成金属膜层(31)，并使所述金属膜层(31)覆盖所述多个凹凸结构(20)的表面，其中所述金属膜层(31)的材料包括金属；
在所述金属膜层(31)上形成第一膜层(321)，其中所述第一膜层(321)的材料包括所述金属的氮化物；
在所述第一膜层(321)上形成第二膜层(322)，其中所述第二膜层(322)的材料包括所述金属和铝的合金的氮化物；
在所述第二膜层(322)上形成功能膜层(33)，其中所述功能膜层(33)的材料包括所述金属、铝和硅的合金的氮化物。
18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述金属膜层(31)通过脉冲电弧方法形成，所述第一膜层(321)、所述第二膜层(322)和所述功能膜层(33)均通过磁控溅射方法沉积形成。
19.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在形成所述多个凹凸结构(20)之前，对所述剐齿刀具本体(10)进行超声清洗和氮气吹干。
20.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在设置所述复合膜层(30)之前，对所述剐齿刀具本体(10)进行真空加热和氩气清洗。
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- 2023-03-07 CN CN202310220212.XA patent/CN116197466A/zh active Pending
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