應用于石墨高速加工中的金剛石涂層刀具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及機械加工領域，具體為一種應用于石墨高速加工中的金剛石涂層 刀具。
【背景技術】
[0002] 各向同性冷等靜壓石墨具有比普通模壓石墨優(yōu)異的機械物理性能，其顆粒沒有擇 優(yōu)取向故強度和導電等能力在各方向上都一致，是當今世界發(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度、低熱膨脹系數(shù)、較好的可加工性和良好的熱、電導率， 耐高溫性，化學性能穩(wěn)定，可塑性，抗熱震性好等優(yōu)點。廣泛應用于模具EDM電火花放電、太 陽能石墨熱場、冶金、機械、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)、半導體及光電子工業(yè)化工和環(huán)境工程等領域。與銅相比較，石墨電極具有強度 高、熱變形和電極消耗小等優(yōu)點，適合用于具有微細孔、薄壁和翅片等復雜型腔結構的電 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96%以上的電火花加工 用戶選用石墨作電極材料，在其它工業(yè)發(fā)達國家如日本和瑞士等國家，石墨在電火花加工 用電極材料中也占據(jù)主要地位。
[0003] 石墨為典型層狀結構脆性材料，材料機械強度差，加工時易崩碎，刀具磨損嚴重， 為典型難加工材料。常規(guī)的車、銑、磨加工只能加工簡單形狀的石墨零件，無法滿足各種復 雜形狀電極要求。高速銑削具有加工速度高、切削力小、溫度低以及加工工件表面質量好等 特點，可以用于加工復雜形狀的電極，是精密復雜石墨電極的主要加工方法之一。
[0004]非均質石墨內部存在氣孔、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)生微細崩碎粉塵切肩，易粘結堆積在前后刀面和已加 工表面上，對切削刃產(chǎn)生劇烈的摩擦和沖擊，導致刀具發(fā)生早期破損、快速磨損甚至崩刃失 效，刀具磨損鈍化后會導致切削力急劇上升。脆性石墨受切削力沖擊時易發(fā)生崩角、崩邊甚 至脆性斷裂而報廢現(xiàn)象。刀具磨損不但增加加工成本，而且導致難以保證工件的表面質量 和尺寸精度，通常，刀具占石墨加工總成本的1/3以上。所以降低刀具磨損提高加工效率和 工件質量，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合金刀具、硬質合金涂層刀具、聚晶金剛石刀具等。硬質合金 刀具高速銑削石墨時刀具磨損嚴重，TiAIN涂層刀具加工石墨時壽命未見明顯提高。聚晶金 剛石刀具磨損較小但刀具形狀難以滿足復雜電極要求。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、低熱膨脹系數(shù)及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點。可 以用于加工非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、復合材料、高硅鋁合金及其它韌性有色金 屬材料的精密加工。
[0006] 國外有多篇金剛石涂層刀具的相關報道，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，Al 2〇3地板以及SiCp/Al等難加工材料加工，有關研 制金剛石涂層刀具并應用與加工石墨方面的文獻報道比較少。如嚴國祥，沈風雷撰寫的《金 剛石涂層刀具及其在纖維復合材料加工中的應用》專利CN 102211218 B，涉及一種金剛石 涂層刀具及其用于碳纖維或玻璃纖維等復合材料加工的刀具，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 備中的應用》專利CN 103397314 A，實用新型金剛石涂層刀具在在印刷線路板中的應用。嚴 國祥撰寫的《納米金剛石涂層刀具及其在口腔修復陶瓷加工中的應用》專利CN 103770223 A，實用新型涉及一種納米金剛石涂層刀具及其在口腔修復陶瓷加工中的應用。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雜形狀石墨。張?zhí)┳珜懙摹督饎偸繉拥毒邔芗毿∈?極的加工方法》專利CN201010234411.9涉及一種金剛石涂層刀具對精密細小石墨電極的加 工方法，主要是研究了切削工藝參數(shù)，并未涉及石墨刀具角度優(yōu)化等內容。
[0007] 目前石墨高速加工時部分企業(yè)也選用刀具市場通用型金剛石涂層刀具，由于選用 的金剛石涂層刀具并非專門針對石墨材料高速加工特性而設計的，由于所設計刀具的底刃 前角、后角，周刃前角、后角，和螺旋角角度難以滿足石墨材料加工特殊要求。實際使用過程 中出現(xiàn)金剛石涂層刀具高速加工石墨時頻繁出現(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。涂層刀具角度設計不合理導致加工 的石墨工件精度下降，整支刀具提前報廢而產(chǎn)生巨大浪費。目前有關研制石墨高速加工專 用金剛石涂層刀具還在處于試驗階段，在刀具基體材質、刀具角度結果和涂層工藝方面還 不夠成熟導致價格昂貴。選擇合適石墨加工的刀具材料、刀具結構和角度，提高刀具壽命和 提高石墨機械加工的可加工性，目前相關專利和文獻報道甚少。
[0008] 綜上所述，目前專門針對石墨高速切削加工而研制金剛石涂層刀具報道甚少，在 石墨加工領域廣泛使用的是普通硬質合金刀具，并沒有專門針對石墨加工特性而設計的專 用刀具。硬質合金刀具高速銑削石墨時刀具磨損嚴重，需要及時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用有限，TiAIN涂層刀具加工石墨時壽命未見明 顯提高，聚晶金剛石刀具磨損較小，但刀具形狀難以滿足復雜電極要求。對于石墨刀具而 言，設計合適的幾何角度，有助于減少切削沖擊和振動，避免加工過程中石墨工件崩碎，同 時刀具角度的選擇對切削力、切削振動以及刀具磨損有直接的影響，所以設計出合適的刀 具前角、后角、螺旋角等角度具有重要意義。刀具的優(yōu)化可實現(xiàn)縮短電極制造周期，提升產(chǎn) 品市場競爭力，對整個石墨制品制造行業(yè)有重要影響。 【實用新型內容】
[0009] 本實用新型的目的在于提供一種金剛石涂層刀具，適用于石墨高速加工中。綜合 考慮刀具磨損、切削力和振動的影響，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] 本實用新型公開了一種應用于石墨高速加工中的金剛石涂層刀具，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°，底刃后角〇1為5°~13°，周刃前角γ〇2為5°~15°，周 刃后角〇 2為10°~14°，螺旋角β為15°~45°。
[0011] 進一步地，所述的切削刀尖及刃部的基體材料為碳化鎢硬質合金，其中鈷的質量 百分含量不超過6% ;碳化釩或碳化鈦或其它混合物比例不高于1 %。
[0012]進一步地，所述的金剛石涂層的厚度為7~20μηι。
[0013] 其中，所述的切削刀尖順著切削方向上設置有若干粉塵排肩槽。
[0014] 優(yōu)選地，所述的刃部的底刃前角γ 〇1為4°，底刃后角〇1為9°，周刃前角γ 〇2為10°， 周刃后角〇2為14°，螺旋角β為30°。
[0015]優(yōu)選地，所述的刃部的粗糙度〈0.8。
[0016]本實用新型具有如下有益效果：
[0017] 1、本實用新型通過對刀具的幾何角度設置，有助于減少切削沖擊和振動，避免加 工過程中石墨工件崩碎，同時刀具角度的選擇對切削力、切削振動以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，刀具刃口強度較好，耐沖擊和摩 擦的性能好。底刃后角5°~13°、周刃后角10°~14°，確保了刀具刃口強度和切削振動穩(wěn)定 性。采用較小螺旋角15°~45°時，同一切削刃上