本發(fā)明屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)狀微織構(gòu)金剛石涂層刀片的制備方法。

背景技術(shù)：

金屬切削加工過程中，刀片與工件，切屑之間的劇烈摩擦及其與切削熱的共同作用將引起刀片磨損并降低加工質(zhì)量.特別是難加工材料，如鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等.研究表明，刀片表面織構(gòu)對于刀片-工件接觸面摩擦、磨損及潤滑和加工表面質(zhì)量有著十分重要的影響.

刀片表面織構(gòu)化是一種有效的處理手段，常見的表面織構(gòu)可以用激光，電化學(xué)刻蝕，機(jī)械加工等方法在表面得到織構(gòu)槽，條紋，波紋等織構(gòu)形狀.織構(gòu)化的表面可以起到產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)以增加承載能力，形成儲油單元給接觸表面提供潤滑劑防止咬合、粘連，存儲潤滑劑而減少犁溝形成的多方面作用，從而顯著提高耐磨壽命和潤滑效果.激光表面微織構(gòu)的形貌處理技術(shù)及其加工效率高，無污染以及優(yōu)良的對微細(xì)孔的形狀和尺寸的精準(zhǔn)控制能力被認(rèn)為是表面織構(gòu)領(lǐng)域較好的方法.

申請?zhí)枮镃N201010299372的中國申請發(fā)明專利公開了一種具有優(yōu)異納米摩擦學(xué)表現(xiàn)的規(guī)則微、納織構(gòu)表金面的加工方法，該方法包括利用等離子體刻蝕復(fù)制模塑法和表面化學(xué)修飾法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在金表面上構(gòu)筑多種類型的規(guī)則微、納織構(gòu)。該專利未涉及金屬切削刀片材料表面的涂層涂覆。申請?zhí)枮镃N200910117691的中國申請發(fā)明專利公開了一種多尺度仿生織構(gòu)表面的加工方法。該方法結(jié)合表面復(fù)型法和電沉積方法，在金屬表面上微加工出具有生物表面高精度仿生織構(gòu)電鍍層。但考慮到電鍍層的硬度及其與基體的結(jié)合強(qiáng)度原因，該方法形成的織構(gòu)表面不能適應(yīng)金屬切削加工的要求，特別是難加工材料的加工要求.申請?zhí)枮镃N201210118555的中國申請發(fā)明專利公開了一種激光光刻輔助電化學(xué)沉積制備微織構(gòu)方法及其裝置。但考慮到電鍍層的硬度及其與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低的原因，該方法形成的表面毛化凸體難以適應(yīng)金屬切削加工的要求.申請?zhí)朇N200810189022的中國授權(quán)發(fā)明專利公開了一種用于水潤滑的織構(gòu)化類金剛石復(fù)合薄膜的制備方法。該方法采用激光表面微造形技術(shù)，能夠在工件表面獲得微織構(gòu)形貌造形，然后通過磁控濺射沉積技術(shù)在工件表面獲得類金剛石薄膜。薄膜大大提高了常規(guī)類金剛石薄膜在水潤滑條件下的穩(wěn)定性和減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)降低高達(dá)40%，耐磨性提高1-3倍。適用用水環(huán)境下的機(jī)械密封環(huán)、推力軸承以及其他機(jī)械傳動摩擦副的表面防護(hù)與強(qiáng)化，該專利未涉及在一般條件的下的金屬切削加工用金剛石涂層刀具，特別是不能滿足難加工材料的加工要求。

因此.將刀片表面織構(gòu)化處理與CVD金剛石薄膜涂層技術(shù)結(jié)合形成織構(gòu)化復(fù)合薄膜，可以彌補(bǔ)兩類方法的局限性，實(shí)現(xiàn)技術(shù)方法的優(yōu)化，更好的適應(yīng)于金屬切削加工，特別是難加工材料的加工需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種環(huán)狀微織構(gòu)金剛石涂層刀片的制備方法；其可降低刀片切削力和切削溫度，減小刀片磨損，增加刀片耐用度，壽命和潤滑效果，減小摩擦，提高切削效率。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種環(huán)狀微織構(gòu)金剛石涂層刀片的制備方法，包括以下步驟：

（1）對刀片進(jìn)行表面的清洗預(yù)處理；

（2）在刀片表面獲得微織構(gòu)形貌；

（3）對刀片進(jìn)行酸堿預(yù)處理；

（4）通過CVD沉積裝置對刀片表面進(jìn)行金剛石涂層，得到所需的微織構(gòu)化金剛石薄膜涂層。

步驟（1）具體為：將刀片表面去污清理，放入丙酮溶液中超聲清洗10-15分鐘。

步驟（2）具體為：采用高精度光纖激光打標(biāo)機(jī)對硬質(zhì)合金刀片表面進(jìn)行微織構(gòu)造形，打標(biāo)高度保持35mm，打標(biāo)次數(shù)控制在5次，打標(biāo)速度270mm/s，打標(biāo)功率3W，在刀片表面均勻打標(biāo)出來若干個織構(gòu)槽，在刀片表面形成微織構(gòu)形貌。

步驟（3）具體為：把織構(gòu)好的刀片先放在鐵氰化鉀溶液中進(jìn)行超聲清洗30分鐘，接著再把刀片放入硫酸和雙氧水的混合溶液中超聲清洗20秒，其中硫酸和雙氧水的體積比為H₂SO₄:H₂O₂=3:7，然后放入丙酮溶液中超聲清洗8分鐘，再放入由金剛石研磨粉及丙酮所組成的混合液中超聲振動40分鐘，其中金剛石研磨粉的重量與丙酮的體積比為：金剛石研磨粉：丙酮=25mg：30ml，最后把刀片放入丙酮中清洗15分鐘。

步驟（4）具體為：將得到的微織構(gòu)造形刀片進(jìn)行清洗處理，待完全干透后，采用雙層熱絲CVD沉積裝置在刀片表面沉積金剛石薄膜；先對熱絲進(jìn)行碳化處理，反應(yīng)室真空度始終保持5Pa以下，保持碳源濃度60ml/min，碳源用冰塊冷卻至0°，并用添加冰塊的保溫裝置保持在0°左右，并保持至沉積結(jié)束，氫氣濃度保持在200ml/min，微調(diào)壓力表至-95.6KPa，使兩相熱絲電壓分別調(diào)至為8V、10V、14V，分別保持10分鐘，完成碳化；開啟反應(yīng)室實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)動臺，轉(zhuǎn)動微調(diào)壓力控制閥使壓力表調(diào)整至-99KPa，然后開啟兩相穩(wěn)壓電源，轉(zhuǎn)動穩(wěn)壓電源旋鈕，增大熱絲電壓使熱絲升至18V左右，并保持功率為850W，保持形核20分鐘，然后調(diào)整碳源濃度至60ml/min，調(diào)整微調(diào)壓力控制閥使壓力調(diào)整至-97KPa，再次轉(zhuǎn)動穩(wěn)壓電源旋鈕，使熱絲電壓調(diào)整為22V左右，并保持功率為1850W至生長結(jié)束，生長6小時在刀片表面和織構(gòu)槽的內(nèi)壁形成一層金剛石薄膜。

刀片上的若干個織構(gòu)槽按照矩形陣列均勻布置，織構(gòu)槽的深度為10-15μm，織構(gòu)槽的寬度為0.1mm，織構(gòu)槽的面積占刀片表面積的12-15%。

每個織構(gòu)槽均呈田徑賽場跑道形狀，每個織構(gòu)槽均包括兩個半圓槽和兩個直線槽，一個直線槽的兩端分別與兩個半圓槽的一端連接；直線槽的長度為0.3mm，半圓槽的內(nèi)圈半徑為0.2mm，半圓槽的外圈半徑為0.3mm，相鄰兩個織構(gòu)槽之間的最短距離為0.5mm。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果：織構(gòu)槽結(jié)構(gòu)的設(shè)置，在刀片進(jìn)行切削時可使通過嵌入在刀片表面織構(gòu)槽內(nèi)的潤滑劑或潤滑液在切削熱和擠壓力的共同作用下在刀片工作表面形成連續(xù)的潤滑膜，減小刀片與工件、刀片與切屑之間的摩擦；同時織構(gòu)槽內(nèi)對切削液的存儲和對刀片切削時的冷卻可以達(dá)到潤滑效果和降低切削溫度的作用；在刀片表面和織構(gòu)槽內(nèi)形成的金剛石薄膜，附著在刀片表面的金剛石顆?？梢源蟠蟮募訌?qiáng)刀片本身的耐磨度和使用壽命。與此同時，金剛石涂層具有微孔隙、微間隙流動性，具備有一定的親、疏液效果，提高織構(gòu)化表面及邊界潤滑能力，增強(qiáng)自潤滑效果改善切削加工時的潤滑狀態(tài)，可以減小切削加工中的刀片磨損，減小摩擦力，降低切削力的作用，提高刀片切削效率和耐用度，保證工件表面質(zhì)量的目的。

本發(fā)明中在刀片表面所打標(biāo)設(shè)置的呈矩形陣列布置的若干個織構(gòu)槽可充分提高與金剛石薄膜的結(jié)合強(qiáng)度，織構(gòu)槽設(shè)置為田徑賽場跑道形狀，不僅便于打標(biāo)操作，而且可充分增加織構(gòu)槽在刀片表面覆蓋的范圍。織構(gòu)槽的深度、寬度、相鄰兩個織構(gòu)槽之間的最短距離等參數(shù)均為在試驗(yàn)操作中得出的最優(yōu)選的方案，可進(jìn)一步提高上述有益效果的性能。

綜上所述，本發(fā)通過對刀片的表面的微織構(gòu)化處理，達(dá)到提高刀片表面的抗粘結(jié)性能的目的，使刀片在切削時不僅具有金剛石涂層的高硬度，高耐磨性的優(yōu)良切削加工性能還具備有微織構(gòu)的自潤滑效果，能夠很好的解決刀片在切削時的摩擦潤滑狀態(tài)，減小摩擦，防止粘結(jié)，有效降低切削力和切削溫度，減小刀片磨損。采用本發(fā)明制備出來的金剛石涂層刀片可廣泛用于難加工材料的切削加工。

附圖說明

圖1是微織構(gòu)刀片整體織構(gòu)槽分布形貌視圖；

圖2是圖1中刀片的織構(gòu)槽形貌具體尺寸的局部放大視圖；

圖3是圖1中微織構(gòu)自潤滑CVD金剛石刀片的局部剖視圖；

圖4是帶環(huán)狀微織構(gòu)的金剛石涂層刀片局部微觀放大視圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖4所示，本發(fā)明的一種環(huán)狀微織構(gòu)金剛石涂層刀片的制備方法，包括以下步驟：

（1）對刀片進(jìn)行表面的清洗預(yù)處理；

（2）在刀片表面獲得微織構(gòu)形貌；

（3）對刀片進(jìn)行酸堿預(yù)處理；

（4）通過CVD沉積裝置對刀片表面進(jìn)行金剛石涂層，得到所需的微織構(gòu)化金剛石薄膜涂層。

步驟（1）具體為：將刀片表面去污清理，放入丙酮溶液中超聲清洗10-15分鐘。

步驟（2）具體為：采用高精度光纖激光打標(biāo)機(jī)對硬質(zhì)合金刀片表面進(jìn)行微織構(gòu)造形，打標(biāo)高度保持35mm，打標(biāo)次數(shù)控制在5次，打標(biāo)速度270mm/s，打標(biāo)功率3W，在刀片表面均勻打標(biāo)出來若干個織構(gòu)槽1，在刀片表面形成微織構(gòu)形貌。

步驟（3）具體為：把織構(gòu)好的刀片先放在鐵氰化鉀(KOH+K₃(Fe(CN)₆))溶液中進(jìn)行超聲清洗30分鐘，接著再把刀片放入硫酸和雙氧水的混合溶液中超聲清洗20秒，其中硫酸和雙氧水的體積比為H₂SO₄:H₂O₂=3:7，然后放入丙酮溶液中超聲清洗8分鐘，再放入由金剛石研磨粉（W0.5：W5=1:1）及丙酮所組成的混合液中超聲振動40分鐘，其中金剛石研磨粉的重量與丙酮的體積比為：金剛石研磨粉：丙酮=25mg：30ml，最后把刀片放入丙酮中清洗15分鐘。

步驟（4）具體為：將得到的微織構(gòu)造形刀片進(jìn)行清洗處理，待完全干透后，采用雙層熱絲CVD沉積裝置在刀片表面沉積金剛石薄膜；先對熱絲進(jìn)行碳化處理，反應(yīng)室真空度始終保持5Pa以下，保持碳源濃度60ml/min，碳源用冰塊冷卻至0°，并用添加冰塊的保溫裝置保持在0°左右，并保持至沉積結(jié)束，氫氣濃度保持在200ml/min，微調(diào)壓力表至-95.6KPa，使兩相熱絲電壓分別調(diào)至為8V、10V、14V，分別保持10分鐘，完成碳化；開啟反應(yīng)室實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)動臺，轉(zhuǎn)動微調(diào)壓力控制閥使壓力表調(diào)整至-99KPa，然后開啟兩相穩(wěn)壓電源，轉(zhuǎn)動穩(wěn)壓電源旋鈕，增大熱絲電壓使熱絲升至18V左右，并保持功率為850W，保持形核20分鐘，然后調(diào)整碳源濃度至60ml/min，調(diào)整微調(diào)壓力控制閥使壓力調(diào)整至-97KPa，再次轉(zhuǎn)動穩(wěn)壓電源旋鈕，使熱絲電壓調(diào)整為22V左右，并保持功率為1850W至生長結(jié)束，生長6小時在刀片表面和織構(gòu)槽1的內(nèi)壁形成一層金剛石薄膜3。

刀片2上的若干個織構(gòu)槽1按照矩形陣列均勻布置，織構(gòu)槽1的深度為10-15μm，織構(gòu)槽1的寬度為0.1mm，織構(gòu)槽1的面積占刀片2表面積的12-15%。

每個織構(gòu)槽1均呈田徑賽場跑道形狀，每個織構(gòu)槽1均包括兩個半圓槽和兩個直線槽，一個直線槽的兩端分別與兩個半圓槽的一端連接；直線槽的長度為0.3mm，半圓槽的內(nèi)圈半徑為0.2mm，半圓槽的外圈半徑為0.3mm，相鄰兩個織構(gòu)槽1之間的最短距離為0.5mm。

本實(shí)施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。