金剛石涂層刀具與制備方法及其在石墨高速加工中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機(jī)械加工領(lǐng)域，具體為一種金剛石涂層刀具、其制備方法及其在石墨 高速加工中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 各向同性冷等靜壓石墨具有比普通模壓石墨優(yōu)異的機(jī)械物理性能，其顆粒沒有擇 優(yōu)取向故強(qiáng)度和導(dǎo)電等能力在各方向上都一致，是當(dāng)今世界發(fā)展最迅速的工業(yè)材料之一。 各向同性石墨具有較高的高溫強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、較好的可加工性和良好的熱、電導(dǎo)率， 耐高溫性，化學(xué)性能穩(wěn)定，可塑性，抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于模具抓Μ電火花放電、太 陽(yáng)能石墨熱場(chǎng)、冶金、機(jī)械、建筑、電氣、電子、航空航天、核工業(yè)、有色及貴金屬工業(yè)、玻璃及 石英工業(yè)、半導(dǎo)體及光電子工業(yè)化工和環(huán)境工程等領(lǐng)域。與銅相比較，石墨電極具有強(qiáng)度 高、熱變形和電極消耗小等優(yōu)點(diǎn)，適合用于具有微細(xì)孔、薄壁和翅片等復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)的電 極，石墨電極正逐步取代銅電極成為電火花加工用主流。如在美國(guó)96% W上的電火花加工 用戶選用石墨作電極材料，在其它工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如日本和瑞±等國(guó)家，石墨在電火花加工 用電極材料中也占據(jù)主要地位。
[0003] 石墨為典型層狀結(jié)構(gòu)脆性材料，材料機(jī)械強(qiáng)度差，加工時(shí)易崩碎，刀具磨損嚴(yán)重， 為典型難加工材料。常規(guī)的車、銳、磨加工只能加工簡(jiǎn)單形狀的石墨零件，無法滿足各種復(fù) 雜形狀電極要求。高速銳削具有加工速度高、切削力小、溫度低W及加工工件表面質(zhì)量好等 特點(diǎn)，可W用于加工復(fù)雜形狀的電極，是精密復(fù)雜石墨電極的主要加工方法之一。
[0004] 非均質(zhì)石墨內(nèi)部存在氣孔、裂紋和顆粒邊界的組織缺陷等顯微缺陷，為一種典型 非金屬脆性易碎材料。切削過程中產(chǎn)生微細(xì)崩碎粉塵切屑，易粘結(jié)堆積在前后刀面和已加 工表面上，對(duì)切削刃產(chǎn)生劇烈的摩擦和沖擊，導(dǎo)致刀具發(fā)生早期破損、快速磨損甚至崩刃失 效，刀具磨損純化后會(huì)導(dǎo)致切削力急劇上升。脆性石墨受切削力沖擊時(shí)易發(fā)生崩角、崩邊甚 至脆性斷裂而報(bào)廢現(xiàn)象。刀具磨損不但增加加工成本，而且導(dǎo)致難W保證工件的表面質(zhì)量 和尺寸精度，通常，刀具占石墨加工總成本的1/3W上。所W降低刀具磨損提高加工效率和 工件質(zhì)量，成為石墨切削加工亟需解決的問題。
[0005] 石墨切削刀具有硬質(zhì)合金刀具、硬質(zhì)合金涂層刀具、聚晶金剛石刀具等。硬質(zhì)合金 刀具高速銳削石墨時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，TiAlN涂層刀具加工石墨時(shí)壽命未見明顯提高。聚晶金 剛石刀具磨損較小但刀具形狀難W滿足復(fù)雜電極要求。金剛石涂層刀具具有極高的硬度和 耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)?？?W用于加工非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、復(fù)合材料、高娃侶合金及其它初性有色金 屬材料的精密加工。
[0006] 國(guó)外有多篇金剛石涂層刀具的相關(guān)報(bào)道，但主要是面向陶瓷、印刷線路板、有色金 屬及其合金，工程塑料，非金屬陶瓷材料，Ah化地板W及SiCp/Al等難加工材料加工，有關(guān)研 制金剛石涂層刀具并應(yīng)用與加工石墨方面的文獻(xiàn)報(bào)道比較少。如嚴(yán)國(guó)祥，沈風(fēng)雷撰寫的《金 剛石涂層刀具及其在纖維復(fù)合材料加工中的應(yīng)用》專利CN 102211218 B，設(shè)及一種金剛石 涂層刀具及其用于碳纖維或玻璃纖維等復(fù)合材料加工的刀具，該刀具不適合石墨加工。王 濤撰寫的《一種金剛石涂層刀具的制備方法及該方法所得金剛石涂層刀具在印刷線路板制 備中的應(yīng)用》專利CN 103397314 A，發(fā)明金剛石涂層刀具在在印刷線路板中的應(yīng)用。嚴(yán)國(guó)祥 撰寫的《納米金剛石涂層刀具及其在口腔修復(fù)陶瓷加工中的應(yīng)用》專利CN 103770223 A，發(fā) 明設(shè)及一種納米金剛石涂層刀具及其在口腔修復(fù)陶瓷加工中的應(yīng)用。G.P.格拉布等撰寫的 《金剛石涂層刀具及其制備方法》專利CN1136292A介紹了金剛石涂層刀片的制備方法，該刀 具并不適合加工復(fù)雜形狀石墨。張?zhí)┳珜懙摹督饎偸繉拥毒邔?duì)精密細(xì)小石墨電極的加工 方法》專利CN201010234411.9設(shè)及一種金剛石涂層刀具對(duì)精密細(xì)小石墨電極的加工方法， 主要是研究了切削工藝參數(shù)，并未設(shè)及石墨刀具角度優(yōu)化等內(nèi)容。
[0007] 目前石墨高速加工時(shí)部分企業(yè)也選用刀具市場(chǎng)通用型金剛石涂層刀具，由于選用 的金剛石涂層刀具并非?？卺槍?duì)石墨材料高速加工特性而設(shè)計(jì)的，由于所設(shè)計(jì)刀具的底刃 前角、后角，周刃前角、后角，和螺旋角角度難W滿足石墨材料加工特殊要求。實(shí)際使用過程 中出現(xiàn)金剛石涂層刀具高速加工石墨時(shí)頻繁出現(xiàn)金剛石涂層刀具大部分表面完好，但是在 刀尖或切削刃其它部位已經(jīng)提前出現(xiàn)磨損、破損現(xiàn)象。涂層刀具角度設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致加工 的石墨工件精度下降，整支刀具提前報(bào)廢而產(chǎn)生巨大浪費(fèi)。目前有關(guān)研制石墨高速加工專 用金剛石涂層刀具還在處于試驗(yàn)階段，在刀具基體材質(zhì)、刀具角度結(jié)果和涂層工藝方面還 不夠成熟導(dǎo)致價(jià)格昂貴。選擇合適石墨加工的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和角度，提高刀具壽命和 提高石墨機(jī)械加工的可加工性，目前相關(guān)專利和文獻(xiàn)報(bào)道甚少。
[0008] 綜上所述，目前?？卺槍?duì)石墨高速切削加工而研制金剛石涂層刀具報(bào)道甚少，在 石墨加工領(lǐng)域廣泛使用的是普通硬質(zhì)合金刀具，并沒有?？卺槍?duì)石墨加工特性而設(shè)計(jì)的專 用刀具。硬質(zhì)合金刀具高速銳削石墨時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，需要及時(shí)檢查刀具磨損狀況和頻繁 更換刀具，在大尺寸或精密電極加工方面應(yīng)用有限，TiAlN涂層刀具加工石墨時(shí)壽命未見明 顯提高，聚晶金剛石刀具磨損較小，但刀具形狀難W滿足復(fù)雜電極要求。對(duì)于石墨刀具而 言，設(shè)計(jì)合適的幾何角度，有助于減少切削沖擊和振動(dòng)，避免加工過程中石墨工件崩碎，同 時(shí)刀具角度的選擇對(duì)切削力、切削振動(dòng)W及刀具磨損有直接的影響，所W設(shè)計(jì)出合適的刀 具前角、后角、螺旋角等角度具有重要意義。刀具的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)縮短電極制造周期，提升產(chǎn) 品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)整個(gè)石墨制品制造行業(yè)有重要影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供金剛石涂層刀具、其制備方法和應(yīng)用，綜合考慮刀具磨損、 切削力和振動(dòng)的影響，通過優(yōu)化切削刀具的幾何角度，提升了刀具整體切削性能。
[0010] 本發(fā)明公開了金剛石涂層刀具，包括切削刀尖，刃部及夾持刀柄，夾持刀柄為硬質(zhì) 合金基體，切削刀尖及刃部在基體材料上涂覆有金剛石涂層，刃部的底刃前角丫 01為2°~ 6°，底刃后角αι為5°~13°，周刃前角丫 02為5°~15°，周刃后角02為10°~14°，螺旋角β為15。 ~45。。
[0011] 進(jìn)一步地，所述的切削刀尖及刃部的基體材料為碳化鶴硬質(zhì)合金，其中鉆的質(zhì)量 百分含量不超過6% ;碳化饑或碳化鐵或其它混合物比例不高于1 %。
[0012] 進(jìn)一步地，所述的金剛石涂層的厚度為7~20皿。
[0013] 其中，所述的切削刀尖順著切削方向上設(shè)置有若干粉塵排屑槽。
[0014] 優(yōu)選地，所述的刃部的底刃前角丫 01為4°，底刃后角αι為9°，周刃前角丫 02為10°， 周刃后角Q2為14°，螺旋角β為30°。
[0015] 優(yōu)選地，所述的刃部的粗糖度<0.8。
[0016] 本發(fā)明還公開了金剛石涂層刀具的制備方法，包括W下步驟：
[0017] S1.選擇合適石墨加工的硬質(zhì)合金:選取碳化鶴硬質(zhì)合金，其中含鉆量不超過6%， 其中碳化饑或碳化鐵等混合物比例不高于1 %，僅允許極其微量鐵Fe、饑化、儀Ni、銘化等添 加劑，材料的粒徑為0.5~2WI1之間，硬度HRA92~93;
[0018] S2.硬質(zhì)合金棒料成型:將步驟S1選取的材料加入棒料成型機(jī)中擠壓成型為筒體；
[0019] S3.筒體加工:使用五軸高精密數(shù)控磨削加工中屯、磨出刃部和切削刀尖，刃部的底 刃前角丫 〇1為2°~6°，底刃后角α1為5°~13°，周刃前角丫 0 2為5°~15°，周刃后角α2為10。 ~14°螺旋角β為15°~45° ;
[0020] S4.涂層預(yù)處理:使用酸溶液酸洗去除和純化鉆，再用堿水溶液在超聲波中清洗， 最后干燥；
[0021] S5.熱絲CVD成膜:在預(yù)抽真空的腔體中，碳氨化合物氣體和氨氣通過高溫?zé)峤z裂 解，在步驟S4處理得到的刀具基體上沉積厚度為7~20WI1的金剛石薄膜。
[0022] 其中，步驟S5中熱絲CVD的溫度1800°C~2000°C，硬質(zhì)合金基體的溫度控制在800 。(:~ΙΟΟΟΓ。
[0023] 本發(fā)明還公開了金剛石涂層刀具的應(yīng)用，所述的金剛石涂層刀具應(yīng)用在石墨高速 加工中。所述的石墨高速加工為等靜壓制備的各向同性石墨電極、石墨熱場(chǎng)加工，金剛石薄 膜涂層刀具的走刀量為3000~3200mm/min、主軸轉(zhuǎn)速為12000~1700化pm、徑向切深Rd = 0.5mm、軸向切深A(yù)d = 2mm、采用順銳、空氣冷卻方式加工。
[0024] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0025] 1、本發(fā)明通過對(duì)刀具的幾何角度設(shè)置，有助于減少切削沖擊和振動(dòng)，避免加工過 程中石墨工件崩碎，同時(shí)刀具角度的選擇對(duì)切削力、切削振動(dòng)W及刀具磨損有直接的影響： 采用底刃前角2°~6°、周刃前角5°~15°加工石墨時(shí)，刀具刃口強(qiáng)度較好，耐沖擊和摩擦的 性能好。底刃后角5°~13°、周刃后角10°~14°，確保了刀具刃口強(qiáng)度和切削振動(dòng)穩(wěn)定性。采 用較小螺旋角15°~45°時(shí)，同一切削刃上同時(shí)切入石墨工件的，提高刀具切削效率，并且刀 具磨損、切削力和沖擊力為刀具承受范圍之內(nèi)。若采用過大螺旋角切削合力方向偏離工件 表面的程度大，因石墨崩碎而造成的切削沖擊加劇，從而導(dǎo)致刀具磨損、銳削力和切削振動(dòng) 增大。本發(fā)明綜合考慮刀具磨損、切削力和振動(dòng)的影響，通過設(shè)計(jì)科學(xué)合理因素試驗(yàn)，優(yōu)化 對(duì)石墨切削刀具的底刃和周刃的前角、后角及螺旋角幾何角度，提升了刀具整體切削性能。 [00%] 2、本發(fā)明的金剛石薄膜涂層刀具硬度比TiAlN(2600~2800HV)W及CBN(3400~ 4500HV)都高，極高的表面硬度使得金剛石涂層刀具極易切入硬脆石墨，并且能夠有效克服 石墨粉塵對(duì)刀具表面的摩擦磨損。摩擦系數(shù)小可減降低切削力和切削溫度，避免金剛石涂 層刀具在氧化或者石墨化，可得到高加工精度和加工表面質(zhì)量。
[0027] 3、本發(fā)明刀具室溫下導(dǎo)熱系數(shù)高于普通硬質(zhì)合金刀具導(dǎo)熱系數(shù)，良好的導(dǎo)熱性能 使金剛石涂層刀具迅速導(dǎo)出切削熱，刀具表面溫度基本不受切削溫度的影響。彈性模量化k 硬質(zhì)刀具高出一半，使得刀具具有良好的切削性能。金剛石薄膜具有硬度高、耐磨損，摩擦 系數(shù)小，導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，是制造切削石墨理想材料。
【附圖說明】
[002引圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]