專利名稱：金剛石涂層刀具及其在纖維復(fù)合材料加工中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金剛石涂層刀具及其應(yīng)用，更確切地說本發(fā)明提供一種用于碳纖維或玻璃纖維等復(fù)合材料加工的刀具，屬于機(jī)械加工制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料是近年材料科學(xué)高速發(fā)展的產(chǎn)物，有很大的應(yīng)用空間，且可以根據(jù)使用條件的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿足各種特殊用途，從而極大的提高了工程結(jié)構(gòu)的效能，已成為一種當(dāng)代新型的工程材料?，F(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)所用的復(fù)合材料，按照基體材料的類型可分為樹脂基、金屬基和陶瓷基這三大類。碳纖維復(fù)合材料是比較典型的一種樹脂基復(fù)合材料， 其含碳量一般都在90%以上，比強(qiáng)度高、比模量高，可用于生產(chǎn)質(zhì)輕而強(qiáng)度高、層薄而剛度大的構(gòu)件，且抗疲勞性能好，熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好，在航空、航天工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于形狀復(fù)雜的零部件成型后需要進(jìn)行二次加工，但是碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料非常難加工，主要體現(xiàn)在硬度高、層間剪切強(qiáng)度低和導(dǎo)熱性差等方面。然后，由于纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能呈各向異性，層間強(qiáng)度較低，切削時(shí)在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，碳纖維不能被平整的切斷導(dǎo)致切割效果不佳。復(fù)合材料切屑形成過程是一個(gè)基體破壞和纖維斷裂相互交織的復(fù)雜過程，因纖維斷裂和基體剪切，以及切屑和前刀面、后刀面與已加工表面之間的摩擦而產(chǎn)生大量的切屑熱。在加工表面，碳纖維以脆性斷裂的方式被去除，只能帶走很少由加工中產(chǎn)生的熱量，使材料塑性變形難，散熱性差，高溫下易產(chǎn)生熱量堵塞，從而導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料表面產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，影響加工表面質(zhì)量。切削熱主要傳向刀具和工件，導(dǎo)致刀具快速磨損，許多刀具都難以完成復(fù)合材料構(gòu)件的切削全過程，影響加工效率和加工件精度。總的來說，碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料的切割過程中容易產(chǎn)生兩種缺陷一種是切口損傷，主要是切口邊緣的附近容易產(chǎn)生出口分層、撕裂、毛刺、拉絲等缺陷；二是層間分層，主要是指碳纖維復(fù)合材料層與層之間發(fā)生的分離，從而使復(fù)合材料內(nèi)部組織變得疏松， 從而降低了構(gòu)件強(qiáng)度和其他性能。纖維復(fù)合材料的加工難題能否解決，直接關(guān)系到該材料的應(yīng)用，刀具是制約切削加工工藝的主要因素。目前普遍使用的螺旋刃整體合金或高速鋼立銑刀，連續(xù)的長(zhǎng)切削刃使得刃口不鋒利，最終導(dǎo)致了加工刀具切削性能差、加工效率低、刀具壽命短的加工效果， 且連續(xù)的長(zhǎng)切削刃容易使加工表面出現(xiàn)毛刺、分層、起皮等不合格加工現(xiàn)象。選用合理的刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)是解決復(fù)合材料加工難題的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金剛石涂層刀具及其應(yīng)用，提供的金剛石涂層刀具旨在提高碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合材料的切削性能和加工效率的金剛石涂層刀具，能夠很好解決上面所述的復(fù)材加工中出現(xiàn)的分層、撕裂、毛刺、拉絲、層間分層等缺陷，且明顯提高刀具的加工壽命。且由于本發(fā)明獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可用于碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料板材鏤空、銑邊、鉆孔等工藝的連續(xù)加工。本發(fā)明提供的金剛石涂層刀具，如圖1所示包括鉆尖、刃部和柄部，其特征在于(1)刀具鉆尖和刃部進(jìn)行純金剛石涂層處理，金剛石涂層擁有與自然界金剛石完全一樣的特性，包括高硬度、高強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕、高熱導(dǎo)系數(shù)，以及低摩擦系數(shù)。這些特性都有利于提高刀具的性能?？杀３帚@尖和刀刃在加工過程中的鋒利，提高加工效果，延長(zhǎng)使用壽命。(2)刀具頭部為鉆銑一體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)鉆孔和銑削的連續(xù)加工，刀具頂部的鉆尖部位，根據(jù)加工復(fù)合材料板材厚度和加工時(shí)夾持情況的不一樣，結(jié)構(gòu)有所不同針對(duì)較厚的板材，或者夾持剛性較好的情況，鉆尖頂角為135°和90°雙頂角普通鉆尖形式；針對(duì)較薄的板材，或夾持剛性較差的情況，頂角為負(fù)，即帶5 10°盤角的鉆尖形式。特殊的鉆尖設(shè)計(jì)可減少?gòu)?fù)合材料鉆孔時(shí)毛刺、分層、出口處纖維撕裂等現(xiàn)象。有助于降低和分散切削力，有效提高孔的加工質(zhì)量。(3)與鉆尖相連的刃部的切削刃由左右旋對(duì)稱交錯(cuò)的螺旋槽構(gòu)成切削單元，左右槽數(shù)相等，槽數(shù)根據(jù)刀具刃徑不同而有所變化，直徑越大，刃數(shù)越多，前刀面角度10 12°，開槽直接形成，后刀面角度18 25°，后角刃口開槽直接磨出。由本發(fā)明可提供的金剛石涂層刀具能實(shí)現(xiàn)鉆銑連續(xù)加工，在處理加工零件的鏤空工藝時(shí)，直接在復(fù)合材料板材上鉆通孔，然后進(jìn)行銑削，同時(shí)，在加工復(fù)雜零件時(shí)，可用同一把刀具連續(xù)加工，完成鉆孔、鏤空、銑邊等多種加工工藝而無需換刀，提高了加工效率和加工精度。本發(fā)明在刀具鉆尖和刃部表面進(jìn)行金剛石涂層處理，在加工時(shí)，可更長(zhǎng)時(shí)間保持刃口的鋒利，明顯改善加工效果，延長(zhǎng)刀具使用壽命，減少換刀時(shí)間，提高加工效率，降低加工成本。普通鉆頭的鉆尖設(shè)計(jì)為鉆角120°雙刃鉆，在復(fù)合材料鉆孔工藝中易出現(xiàn)出口處纖維撕裂，本發(fā)明的特殊鉆尖設(shè)計(jì)，可減少?gòu)?fù)合材料鉆孔時(shí)毛刺、分層、出口處纖維撕裂等現(xiàn)象。有助于降低和分散切削力，有效提高孔的加工質(zhì)量。普通銑刀只有一個(gè)方向的連續(xù)刃口，導(dǎo)致在加工碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料時(shí)， 切口出現(xiàn)分層、毛刺、翻邊等不合格現(xiàn)象，同時(shí)刀具壽命較低。傳統(tǒng)魚鱗銑刀刃口為尖角形， 切削刃長(zhǎng)短，如圖4(b)所示，切削機(jī)理為切削刃的尖角將纖維拉斷達(dá)到切削目的，切削過程中可能會(huì)有纖維被拉出，出現(xiàn)較為明顯的毛刺。本發(fā)明切削刃有左旋和右旋刃口，頭部軸線沿螺旋槽方向剖面圖如圖4(a)所示，刃口全部帶正前角，刃口是由斷續(xù)的直線組成，整個(gè)切削刃部是由一系列由一小段直線的三角形刃組成，在銑削加工時(shí)，左旋、右旋的切削刃口變換切削方向，當(dāng)一個(gè)齒切削力偏離加工面時(shí)，另一個(gè)齒的切削力朝向加工面，在一定加工參數(shù)下，左右旋交叉進(jìn)行，刃口可將纖維直接剪段，有效抑制了板材變形、加工面出現(xiàn)毛刺、纖維分層、表層翻邊等不合格現(xiàn)象。從金剛石涂層的工藝角度看，直線刃口比傳統(tǒng)魚鱗銑刀的尖角刃口更有利于涂層的生長(zhǎng)。本發(fā)明、傳統(tǒng)魚鱗銑刀和普通螺旋刃銑刀加工碳纖維復(fù)合材料效果對(duì)比圖如組圖 5所示。


圖1為本發(fā)明提供的金剛石涂層刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所述的加工刀具的頂視圖。圖3為圖1所述的加工刀具鉆尖和刃部立體特寫圖。圖4(a)為圖1所示加工刀具頭部軸線沿螺旋槽方向的剖面圖，圖4(b)為魚鱗銑刀軸線沿螺旋槽方向剖面。圖5為新型復(fù)合材料加工刀具、魚鱗銑刀和普通螺旋刃刀具加工碳纖維復(fù)合材料圖，(a)為圖1所示的涂層刀具加工碳纖維復(fù)合材料的效果；(b)為魚鱗刀加工碳纖維復(fù)合材料的效果；(c)為普通螺旋刀具加工碳纖維復(fù)合材料的效果。圖6為本發(fā)明提供的金剛石涂層刀具的拉曼光譜圖。
具體實(shí)施例方式下面通過附圖和金剛石涂層刀具的制備過程以進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。實(shí)施例1金剛石涂層刀具的制作步驟1 選擇合適的硬質(zhì)合金基體材料由于涂層工藝在800°C以上進(jìn)行，因此銅鍍刀具和高速鋼刀具均不能用金剛石涂層，所選擇的基體材料應(yīng)為硬質(zhì)合金。在涂層工藝之前，選擇合適的硬質(zhì)合金基體材料進(jìn)行表面處理，對(duì)涂層效果和金剛石膜的附著力有重要影響。由于Co的存在會(huì)給金剛石的成膜帶來負(fù)面影響，因此應(yīng)選用Co的質(zhì)量百分含量控制在6%以內(nèi)，硬質(zhì)合金基材且材料的粒徑尺寸在1至3μπι之間。步驟2 進(jìn)行刀具的成型加工本發(fā)明提供的適用于纖維復(fù)合材料加工的金剛石涂層刀具，包括鉆尖、刃部和柄部，其第一種結(jié)構(gòu)特征在于刀具頭部為鉆銑一體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)鉆孔和銑削的連續(xù)加工，針對(duì)較厚的板材，或者夾持剛性較好的情況，鉆尖頂角為135°和90°雙頂角普通鉆尖形式；與鉆尖相連的刃部的切削刃由左右旋對(duì)稱交錯(cuò)的螺旋槽構(gòu)成切削單元，左右槽數(shù)相等，槽數(shù)根據(jù)刀具刃徑不同而有所變化，直徑越大，刃數(shù)越多；前刀面角度10 12°，開槽直接形成，后刀面角度18 25°，后角刃口開槽直接磨出。所提供的金剛石涂層刀具，其第二種結(jié)構(gòu)其特征在于提供的刀具包括鉆尖、刃部和柄部，刀具頭部為鉆銑一體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)鉆孔和銑削的連續(xù)加工，針對(duì)較薄的板材，或夾持剛性較差的情況，頂角為負(fù)，即帶5 10°盤角的鉆尖形式；與鉆尖相連的刃部的切削刃由左右旋對(duì)稱交錯(cuò)的螺旋槽構(gòu)成切削單元，左右槽數(shù)相等，槽數(shù)根據(jù)刀具刃徑不同而有所變化，直徑越大，刃數(shù)越多；前刀面角度10 12°，開槽直接形成，后刀面角度18 25°， 后角刃口開槽直接磨出。步驟三刀具涂層的預(yù)處理刀具的鉆尖和刃部(需要涂層的部位)表面經(jīng)特定工藝處理去除鈷，表面形成微孔，易于與金剛石涂層的結(jié)合，提高基體材料與金剛石涂層的粘附力。所述的特定工藝是使用雙氧水進(jìn)行腐蝕，在硬質(zhì)合金基體材料表面形成微孔，再用乙醇溶液在超聲波中清洗、晾干。步驟四金剛石涂層的涂覆將硬質(zhì)合金刀具放在夾具上，置于反應(yīng)腔體中，利用熱絲CVD在刀具鉆尖和刃部表層制備金剛石涂層，含碳?xì)庠丛诟邷叵碌恼婵涨惑w中分解離化后產(chǎn)生原子碳，在沉積基體表面重新鍵合成金剛石晶相結(jié)構(gòu)，并逐漸形成結(jié)晶的金剛石涂層，根據(jù)刀具直徑不同，涂層厚度在10-30 μ m之間。涂層厚度控制在30 μ m以下10 μ m以上是因?yàn)橥繉舆^厚，涂層中的殘余應(yīng)力變大，涂層易從硬質(zhì)合金基體表面脫落，太薄起不到涂層的作用。熱絲溫度1800-2000°C，基體溫度控制在800-1000°C，在甲烷和氫氣的混合氣體環(huán)境中，CH4體積百分濃度為8% -13%,CH4/H2體積比為0. 2-0. 3，反應(yīng)壓力為0. 16-lOkPa。實(shí)施例2在碳纖維復(fù)合材料的加工中，金剛石涂層刀具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其與目前使用較多的P⑶(多晶金剛石)刀具相比，金剛石涂層鉆頭在生產(chǎn)過程中能夠鉆更多的孔，且在玻璃纖維復(fù)合材料的加工過程中優(yōu)勢(shì)更明顯。金剛石涂層銑刀在切割碳纖維復(fù)合材料中也有廣泛的應(yīng)用，降低了加工成本，并減少了復(fù)合層之間的分層。這主要是由于CVD涂層工藝能夠在所有復(fù)雜形狀的鉆頭和銑刀表面進(jìn)行涂層。而目前使用的PCD刀具多是將PCD模板焊接到刀具凹槽中去，制備工藝過程較長(zhǎng)，對(duì)刀具的形狀限制較多，成本也相對(duì)較高。PCD刀具價(jià)格是其它涂層刀具的3到5倍，是未涂層刀具的10倍。本發(fā)明提供的金剛石涂層刀具的激光拉曼光譜表明，在1331cm—1附件出現(xiàn)較為明顯的尖而高的峰，是由金剛石的SP3混合軌道引起的峰值，而在1550士 150CHT1的范圍未出現(xiàn)明顯的尖峰，說明由石墨或無定形碳等SP2等混合軌道引起的峰值不明顯。圖6為本發(fā)明金剛石涂層刀具的激光拉曼光譜分析圖，由圖中可以看出，金剛石涂層純度較高。圖2是刀具的頂視圖，從圖中也可以看出刀具的鉆銑一體結(jié)構(gòu)，中間是鉆頭的刃型，周圍是銑刀的刃型。圖4(a)本發(fā)明刀具中頭部軸線延螺旋槽方向剖面圖，切削刃是由一小段直線的三角形形刃組成，切削機(jī)理與剪刀類似，左旋、右旋的切削刃口變換切削方向，在加工纖維材料時(shí)，直接將纖維剪斷，有效抑制毛刺的分層的形成；是從圖4(b)是普通魚鱗銑刀軸線沿螺旋槽方向剖面圖，切削機(jī)理為切削刃的尖角將纖維拉斷，有可能會(huì)有纖維被拉出，出現(xiàn)毛刺。5(a)圖為本發(fā)明的切削加工效果圖，基本沒有毛刺現(xiàn)象，也沒有較為明顯的表層起皮現(xiàn)象；5(b)圖為傳統(tǒng)魚鱗銑刀加工效果圖，由于加工機(jī)理為刃部的刃尖將纖維拉斷， 局部易出現(xiàn)較為明顯的毛刺；5(c)圖為普通螺旋刃銑刀加工效果圖，毛刺較多，易出現(xiàn)分層和起皮現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1. 一種金剛石涂層刀具，包括鉆尖、刃部和柄部，其特征在于①基體材料為Co的質(zhì)量百分含量為低于6%的硬質(zhì)合金；②刀具的鉆尖和刃部為金剛石涂層涂覆；③刀具的頭部為鉆銑一體結(jié)構(gòu)，鉆尖頂角為135°和90°雙頂角或頂角為5-10°盤
2.按權(quán)利要求1所述的涂層刀具，其特征在于涂覆的金剛石涂層厚度為10-30μ m。
3.按權(quán)利要求1所述的涂層刀具，其特征在于與鉆尖相連的刃部的切削刃由左右旋對(duì)稱交錯(cuò)的螺旋槽構(gòu)成切削單元，左右槽數(shù)相等。
4.按權(quán)利要求3所述的涂層刀具，其特征在于所述的螺旋槽的槽數(shù)根據(jù)刀具刃徑不同而變化，直徑越大、刃數(shù)越多。
5.按權(quán)利要求1所述的涂層刀具，其特征在于所述鉆銑一體結(jié)構(gòu)的中間是鉆頭的刃型，周圍是銑刀的刃型。
6.制作如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的涂層刀具的方法，其特征在于制作步驟包括(1)選擇合適的硬質(zhì)合金基體材料；(2)進(jìn)行刀具的成型加工；(3)刀具涂層的預(yù)處理；(4)利用熱絲CVD在刀具鉆尖和刃部表面制備金剛石涂層。
7.按權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于(1)步驟1中所述的硬質(zhì)合金基體材料選用Co的質(zhì)量百分含量控制在6%以內(nèi)，粒徑尺寸為1-3 μ m之間；(2)步驟2中成型加工時(shí)前刀面角度10-12°，開槽直接形成，后刀面角度18-25°，后角刃面開槽直接磨出；(3)步驟3涂層預(yù)處理是指使用雙氧水進(jìn)行腐蝕，在硬質(zhì)合金基體材料表面形成微孔， 再用乙醇溶液在超聲波中清洗、晾干；(4)步驟4熱絲CVD的溫度1800-2000°C，硬質(zhì)合金基體的溫度控制在800-1000°C涂層的涂覆是在甲烷和氫氣的混合氣體中進(jìn)行的。
8.按權(quán)利要求7所述的制作方法，其特征在于步驟4的CH4/H2的體積比為0.2-0. 3，反應(yīng)壓力為0. 16-10kPa。
9.按權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的涂層刀具的應(yīng)用，其特征在于用于碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料板材的鏤空、銑邊或鉆孔。
10.按權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于鉆尖頂角為135°和90°雙頂角結(jié)構(gòu)適用于較厚板材的加工；頂角為5° -10°盤角適用于較薄板材的加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金剛石涂層刀具，包括鉆尖、刃部和柄部，其特征在于①基體材料為Co的質(zhì)量百分含量為低于6％的硬質(zhì)合金；②刀具的鉆尖和刃部為金剛石涂層涂覆；③刀具的頭部為鉆銑一體結(jié)構(gòu)，鉆尖頂角為135°和90°雙頂角或頂角為5-10°盤角。涂覆的金剛石涂層厚度為10-30μm。涂層刀具的制作步驟包括(1)選擇合適的硬質(zhì)合金基體材料；(2)進(jìn)行刀具的成型加工；(3)刀具涂層的預(yù)處理；(4)利用熱絲CVD在刀具鉆尖和刃部表面制備金剛石涂層。本發(fā)明提供的涂層刀具加工纖維復(fù)合材料沒有毛刺現(xiàn)象，也無明顯的表層起皮現(xiàn)象。
文檔編號(hào)B23C5/10GK102211218SQ20111008283
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者嚴(yán)國(guó)祥, 沈風(fēng)雷 申請(qǐng)人:上海祥仁新材料有限公司