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)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉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，其特征在于：（1）所述的刀具為球頭銑刀，刃部螺旋槽的螺旋角為30度，刃長(zhǎng)2mm；（2）刀具刃部的頂部有一V型槽，V型槽與刀具中心垂直方向夾角α=1-5°，β=18-25°，V型槽深度隨刀具直徑變化而變化，V型槽深度S值是刀具直徑Ф值的10-18%；（3）刀具的刃部為納米金剛石涂層，納米金剛石顆粒直徑為20-50nm。頭部直徑為2-10mm。當(dāng)頭部直徑≤4mm時(shí)，刀柄直徑為≤4mm，柄部直徑為4mm；當(dāng)球頭直徑>4mm時(shí)，柄部直徑與頭部直徑相同。提供的涂層刀具應(yīng)用于口腔修復(fù)預(yù)燒結(jié)陶瓷加工時(shí)走刀量為1400mm/min，主軸速度為25000rpm。有效排出切削形成的粉末，減少斷刀現(xiàn)象，壽命提高25-30%。
【專利說(shuō)明】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
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米金剛石涂層刀具及其應(yīng)用，更確切地說(shuō)所述的納米金剛石涂層刀具，是一種用于預(yù)燒結(jié)陶瓷加工的刀具，屬于機(jī)械加工制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷材料因其獨(dú)特的分子構(gòu)成而具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，如較高的硬度和強(qiáng)度，較強(qiáng)的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫能力等，在航空航天、石油化工、海洋開(kāi)發(fā)、電器電子、汽車以及制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而陶瓷材料作為一種典型的脆性材料，其難加工性限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0003]近幾年，陶瓷材料已成為一類備受關(guān)注并且具有廣泛應(yīng)用前景的口腔修復(fù)材料，是最逼真的牙體組織人工替代材料，具有良好的生物相容性、在口腔環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性，以及與自然牙相似的熱導(dǎo)率和自然牙釉相似的磨損率，應(yīng)用最為廣泛的就是氧化鋯陶瓷。
[0004]20世紀(jì)90年代初，氧化鋯陶瓷用于口腔修復(fù)領(lǐng)域，經(jīng)歷了兩個(gè)階段:致密陶瓷切削階段和預(yù)燒結(jié)多孔陶瓷切削階段。前者是將燒結(jié)致密的氧化鋯瓷塊切削加工，由于氧化鋯的強(qiáng)度非常高，切削困難，對(duì)刀具的要求高，磨耗大，加工時(shí)間長(zhǎng)，使它的應(yīng)用受到限制。90年代后期，相繼出現(xiàn)了數(shù)個(gè)多孔陶瓷切削系統(tǒng)，采用的工藝大致相同。氧化鋯通過(guò)壓制成型并預(yù)燒結(jié)到一定溫度，此時(shí)的瓷坯疏松多孔但又具備一定的強(qiáng)度，非常便于切削加工。通過(guò)計(jì)算機(jī)放大切削到所需形狀，以補(bǔ)償再次燒結(jié)過(guò)程中的體積收縮，最后將加工好修復(fù)體放入高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)到完全致密。
[0005]在日常預(yù)燒結(jié)陶瓷時(shí)，陶瓷加工材料是以粉末的形式被磨除，陶瓷粉末容易對(duì)刀具產(chǎn)生研磨作用，使刀具鈍化，從而影響刀具使用壽命，并且容易在加工過(guò)程中造成繃瓷現(xiàn)象。普通刀具在加工過(guò)程中由于排屑較慢，陶瓷粉末在刀具槽中堆積，對(duì)刀具形成擠壓，也容易造成斷刀現(xiàn)象；選擇合適的刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)，能明顯延長(zhǎng)刀具的使用壽命，提高陶瓷的可加工性。遺憾的是，有關(guān)報(bào)道甚少。
[0006]金剛石涂層刀具可明顯提升刀具刃部的耐磨性，提高刀具加工壽命和加工精度。加工預(yù)燒結(jié)陶瓷時(shí)，由于陶瓷是典型的脆性材料，普通金剛石涂層刀具由于涂層顆粒較大，刀具刃部鋒利度降低，容易造成加工陶瓷薄壁時(shí)陶瓷崩裂，并在陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。而納米金剛石涂層刀具由于涂層顆粒小，能夠很好的保持刀具刃部鋒利，解決加工陶瓷時(shí)的繃瓷和裂紋問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種納米金剛石涂層刀具，在硬質(zhì)合金基體上進(jìn)行納米金剛石涂層，納米金剛石涂層與普通金剛石涂層相比，顆粒細(xì)微，不僅能夠增加刀具的耐磨性，而且能夠更好的保持刀具刃部的鋒利，且本發(fā)明獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于加工過(guò)程中陶瓷粉末的排屑，提高刀具的使用壽命。本發(fā)明提供的納米金剛石涂層刀具如圖1所示，包括刃部和柄部，其特征在于:[0008](I)本發(fā)明刀具為球頭銑刀，如圖1所示，刃部螺旋槽的螺旋角為30度，刃長(zhǎng)2mm，有效長(zhǎng)度18mm,總長(zhǎng)50mm。
[0009](2)本發(fā)明刀具刃部的頂部有一 V型槽，如圖2所示，V型槽與刀具中心垂直方向夾角a =1-5°，(6=18-25°，V型槽深度隨刀具直徑變化而變化，V型槽深度S值是刀具直徑①值的10-18%。與普通球頭銑刀相比，本發(fā)明所述的陶瓷加工用刀具頂部設(shè)計(jì)有V型槽。這是因?yàn)榕c普通金屬加工不同，陶瓷加工是以粉末磨削的方式完成，加工過(guò)程中，細(xì)小的陶瓷粉末容易堵塞在螺旋槽中，堆積的陶瓷粉末對(duì)刀具形成擠壓，容易造成斷刀而影響加工進(jìn)程，同時(shí)堆積的陶瓷粉末若不及時(shí)排除，也會(huì)與加工刀具形成對(duì)磨，加速刀具刃部的鈍化，影響刀具的使用壽命。V型槽可使加工磨除的陶瓷粉末迅速排出，有效避免陶瓷粉末的堆積，延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高預(yù)燒結(jié)陶瓷的可加工性。
[0010](3)本發(fā)明刀具刃部為納米金剛石涂層，納米涂層微觀顆粒粒徑為20-50nm。普通金剛石涂層微觀顆粒粒徑為10-12 Pm。納米金剛石涂層與普通金剛石涂層特性一樣，高硬度、高強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕，高熱導(dǎo)系數(shù)，低摩擦系數(shù)，這些特性都有助于提高刀具的加工特性，延長(zhǎng)刀具使用壽命。納米金剛石涂層與普通金剛石涂層相比，如圖3所示，納米金剛石顆粒更小，由于金剛石涂層是在基體表面無(wú)定向生長(zhǎng)的，普通金剛石涂層如圖3(b)所示，顆粒大，涂層表面由于金剛石顆粒的無(wú)序排列造成涂層表面粗糙度較高，在加工預(yù)燒結(jié)陶瓷時(shí)，磨除的陶瓷粉狀顆粒堆積在金剛石顆粒中，對(duì)刀具形成擠壓，小刃徑刀具容易斷刀。納米金剛石涂層，如圖3(a)所示，顆粒較小，涂層的表面光潔度高，刀具刃部納米顆粒的附著力比普通金剛石涂層顆粒的附著力高，且由于金剛石涂層顆粒的無(wú)定向生長(zhǎng)，普通金剛石涂層的大顆粒容易降低刀具刃部的鋒利度，而納米金剛石涂層由于顆粒小，能最大限度保持刀具刃部的鋒利度，提高刀具的加工性能。陶瓷材料脆性大，在加工陶瓷義齒時(shí)，刀具刃部鋒利度在加工過(guò)程中下降，容易造成陶瓷薄壁部分繃瓷，而納米金剛石涂層刀具鋒利度較高，且由于金剛石涂層刀具比普通刀具耐磨，能明顯提高刀具的使用壽命，減少換刀時(shí)間，提高加工效率。
[0011](4)納米涂層刀具光潔度較高，在提高刀具有效壽命的同時(shí)，還能夠在切削陶瓷薄壁材料時(shí)候保持鋒利度，極大的降低了陶瓷材料被切割后內(nèi)裂紋的可能性。而普通涂層刀具表面較為粗糙，刀具刃部鋒利度降低，容易在加工陶瓷材料時(shí)，在薄壁處出現(xiàn)繃瓷，并在陶瓷材料內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。
[0012](5)在口腔修復(fù)預(yù)燒結(jié)陶瓷加工時(shí)的切削參數(shù)為:走刀量1400mm/min，主軸轉(zhuǎn)速25000rpmo將納米金剛石涂層刀具與普通涂層刀具在相同加工條件下進(jìn)行對(duì)比，普通金剛石涂層刀具使用壽命為400顆氧化鋯陶瓷義齒，而納米金剛石涂層刀具使用壽命提高25-30%，通常為500顆以上氧化鋯陶瓷義齒。經(jīng)驗(yàn)證，本發(fā)明與普通金剛石涂層刀具相比，使用壽命更長(zhǎng)，且能明顯減少加工過(guò)程由于薄壁處繃瓷和陶瓷裂紋而導(dǎo)致的殘次品現(xiàn)象。
[0013]總之，目前納米金剛石涂層刀具應(yīng)用于陶瓷加工領(lǐng)域鮮有報(bào)道，在口腔修復(fù)陶瓷加工領(lǐng)域，目前廣泛使用的是普通刀具，并沒(méi)有針對(duì)陶瓷加工特性而設(shè)計(jì)的專用刀具，而陶瓷是比較難加工的材料，若使用普通刀具，加工壽命短，需要經(jīng)常換刀，影響加工效率，本發(fā)明不僅能夠明顯提高加工效率，還能提升陶瓷的加工質(zhì)量，因此本發(fā)明有著廣泛的實(shí)際需求。經(jīng)驗(yàn)證，本發(fā)明與普`通刃形刀具相比，在加工預(yù)燒結(jié)陶瓷時(shí)，能有效排出切削形成的陶瓷粉末，減少斷刀現(xiàn)象，明顯減少換刀時(shí)間，提高了加工效率?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明提供的納米金剛石涂層刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是圖1所述刀具的刃部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3(a)是圖1所述刀具的納米金剛石涂層電子顯微鏡掃描圖，圖3(b)是普通金剛石涂層電子顯微鏡掃描圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，以闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明決非僅局限于實(shí)施例。
[0018]實(shí)施例1本發(fā)明提供的納米金剛石涂層刀具制作
[0019]步驟1:選擇合適的硬質(zhì)合金基體材料 [0020]由于涂層工藝在高溫800°C以上進(jìn)行，因此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)涂層效果和金剛石涂層的附著力有重要影響。由于在硬質(zhì)合金材料中，Co是重要的硬質(zhì)合金粉末的粘結(jié)劑，且Co可增強(qiáng)材料的韌性，因此Co是硬質(zhì)合金基體材料的重要元素。但是Co的存在會(huì)給金剛石的成膜帶來(lái)負(fù)面影響，因此應(yīng)將Co的含量控制在合理范圍內(nèi)。選用的硬質(zhì)合金基體材料中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I至3pm之間。
[0021]步驟2:刀具的成型加工
[0022]本發(fā)明提供的適用于預(yù)燒結(jié)陶瓷加工的納米金剛石涂層刀具，包括刃部和柄部，如圖1所示，頭部直徑2-10mm,具體可為2mm,4mm,6mm,8mm, IOmm等多種尺寸，當(dāng)頭部直徑(4mm時(shí)，柄部直徑為4mm;當(dāng)頭部直徑> 4mm時(shí)，柄部直徑與頭部直徑相同。目前使用最為廣泛的是頭部直徑為2_的這一規(guī)格。刃部螺旋槽的螺旋角為30度，刃長(zhǎng)2_，有效長(zhǎng)度18mm,總長(zhǎng) 50mm。
[0023]本發(fā)明提供的納米金剛石涂層刀具，刀具刃部的頂部有一 V型槽，如圖2所示，優(yōu)先推薦的V型槽與刀具中心垂直方向夾角a =3°，(6=20°，V型槽深度隨刀具直徑變化而變化，V型槽深度S值是刀具直徑值的15%。
[0024]步驟3:刀具涂層的預(yù)處理
[0025]刀具刃部(需要涂層的部位)表面經(jīng)特定工藝處理去除鈷，使納米金剛石在刀具表面易于生長(zhǎng)，且在表面形成微孔，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。
[0026]步驟4:納米金剛石涂層
[0027]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納米金剛石晶相結(jié)構(gòu)，并逐漸形成結(jié)晶的納米金剛石涂層。納米金剛石顆粒直徑介于20-50nm范圍。
[0028]所述的熱絲溫度1800-2000°C，基體溫度控制在800-1000°C，在甲烷、氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w環(huán)境中，CH4體積百分濃度為8%-13%，CH4/H2體積比為0.2-0.3，N2/H2體積比為0.1?0.4，反應(yīng)壓力為0.16-10kPa。
[0029]步驟5:成品清潔
[0030]將完成涂層的刀具表面的殘余石墨灰用吸塵器吸除。
[0031]實(shí)施例2
[0032]使用實(shí)施例1提供的納米金剛石涂層刀具，在口腔修復(fù)預(yù)燒結(jié)陶瓷加工時(shí)走刀具為1400mm/min，主軸速度為25000rpm，與普通金剛石涂層刀具相比使用壽命提高25_30%。
【權(quán)利要求】
1.一種納米金剛石涂層刀具，包括刃部和柄部，其特征在于: (1)所述的刀具為球頭銑刀，刃部螺旋槽的螺旋角為30度，刃長(zhǎng)2mm； (2)刀具刃部的頂部有一V型槽，V型槽與刀具中心垂直方向夾角α=1-5°，β =18-25°，V型槽深度隨刀具直徑變化而變化，V型槽深度S值是刀具直徑Φ值的10-18% ； (3)刀具的刃部為納米金剛石涂層，納米金剛石顆粒直徑為20-50nm。
2.按權(quán)利要求1所述的刀具，其特征在于頭部直徑為2-10mm。
3.按權(quán)利要求2所述的刀具，其特征在于當(dāng)球頭的頭部直徑<4mm時(shí)，刀柄直徑為(4mm，柄部直徑為4mm ;當(dāng)球頭直徑Mmm時(shí)，柄部直徑與頭部直徑相同。
4.按權(quán)利要求1所述的刀具，其特征在于V型槽與刀具中心垂直方向夾角α=3°，β =25°，V型槽深度S值是刀具直徑Φ值的15%。
5.制作如權(quán)利要求1所述的刀具的方法，其特征在于: 步驟1:選擇Co含量控制在〈6%的硬質(zhì)合金，且材料的粒徑為1-3 μ m ; 步驟2:刀具的成型加工 頭部直徑為2-10mm，刀具刃部的頂部有一 V型槽，V型槽的螺旋角為30度，刃長(zhǎng)2mm，有效長(zhǎng)度為18mm，總長(zhǎng)為50mm ；V型槽與刀具中心垂直方向夾角α =1-5° ; 步驟3:刀具涂層的預(yù)處理 需要涂層的刀具刃部部位表面經(jīng)特定工藝處理去除鈷，使納米金剛石在刀具表面易于生長(zhǎng)，且在表面形成微孔，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4:納米金剛石涂層 將經(jīng)步驟3處理后的硬質(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納米金剛石晶相結(jié)構(gòu)，并逐漸形成結(jié)晶的納米金剛石涂層；所述的熱絲溫度1800-2000°C，基體溫度控制在800-1000°C ； 步驟5:成品清潔 將完成涂層的刀具表面的殘余石墨灰用吸塵器吸除。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的含碳?xì)庠唇M成為甲烷、氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，其中CH4體積百分濃度為8%-13%，CH4/H2體積比為0.2-0.3，N2/H2體積比為0.1?0.4，反應(yīng)壓力為0.16-10kPa。
7.按權(quán)利要求1、2或3所述的刀具的應(yīng)用，其特征在于應(yīng)用于口腔修復(fù)預(yù)燒結(jié)陶瓷加工時(shí)走刀量為1400mm/min,主軸速度為25000rpm。
8.按權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于有效排出切削形成的陶瓷粉末，減少斷刀現(xiàn)象，使用壽命提高25-30%。
【文檔編號(hào)】B23C5/10GK103770223SQ201410028340
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】嚴(yán)國(guó)祥 申請(qǐng)人:上海弗洛勒斯新材料科技有限公司