CN105772763B - 一种单晶金刚石刀具加工方法以及单晶金刚石刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶金刚石刀具加工方法以及单晶金刚石刀具。本发明包括以下步骤：1)、准备单晶金刚石材料，2)、加工硬质合金基体端部，便于单晶金刚石材料的定位和焊接，3)、将单晶金刚石材料焊接在硬质合金基体端部形成单晶金刚石刀具，4)、根据刀具外观轮廓设计要求采用激光切削法加工单晶金刚石刀具，5)、采用热化学抛光法研磨单晶金刚石刀具的刀具刃口。本发明采用激光加工单晶金刚石刀具，避免了机械加工方法造成的表面冲击沟痕；用热化学抛光法研磨单晶金刚石刀具的刀具刃口，易于研磨出高质量的刀具刀刃；激光加工时，单晶金刚石刀具表面涂覆涂层，有效防止激光的透射和反射，提高刀具加工的效率和质量。

Description

一种单晶金刚石刀具加工方法以及单晶金刚石刀具

技术领域

本发明属于超硬材料加工领域，尤其涉及一种单晶金刚石刀具加工方法以及单晶金刚石刀具。

背景技术

金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构原子密度最高的等轴面心立方晶系。金刚石晶体中碳原子间的连接键为SP³杂化共价键，具有极强的结合力、稳定性和方向性。金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度、刚性、折射率和导热系数，以及极高的抗磨损性及化学稳定性。

单晶金刚石的优良特性可以满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，是理想的精密切削刀具材料。金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口在理论上可以达到原子级的平直度和锋利度，切削时切薄能力强、精度高、切削力小；其高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性可以保证刀具具有超长寿命，从而能进行长时间的持续切削，并可减小因刀具磨损对零件精度的影响，其高导热系数可降低切削温度和零件的热变形。单晶金刚石压缩性和热膨胀性小，能使刀具保持良好的尺寸稳定性，因此能达到很高的加工精度和光洁度。单晶金刚石刀具在机械加工领域具有重要的地位。

采用传统的机械研磨方法制造金刚石刀具时，因研磨线速度高，局部压力大，对刀具表面及刃口冲击剧烈，不可避免地会导致刀具表面产生微小沟纹和较厚的加工变质层，且刀刃锯齿较大，从而限制了刀具质量的进一步提高，随着超精密加工技术的不断发展以及加工精度的不断提高，对金刚石刀具的精度及质量要求也更加苛刻，并且刀具表面变质层的厚度将直接影响刀具的寿命与零件的加工质量，因此，开发新型的金刚石刀具加工方法无疑是突破机械研磨方法对刀具质量限制的最佳途径。

此外，由于金刚石成型刀具具有相当高的尺寸与精度要求，采用传统的机械研磨方法不仅加工成本非常高，而且加工精度低经常不符合要求，因此也迫切需要研发新型的金刚石工具加工方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种单晶金刚石刀具加工方法，其加工精度高，质量好。

本发明的目的之二在于提供采用所述单晶金刚石刀具加工方法加工而成的单晶金刚石刀具。

本发明的目的之一采用以下技术方案实现：

一种单晶金刚石刀具加工方法，包括以下步骤：

1)准备单晶金刚石材料；

2)加工硬质合金基体端部，便于单晶金刚石材料的定位和焊接；

3)将单晶金刚石材料焊接在硬质合金基体端部形成单晶金刚石刀具，使得单晶金刚石刀具的轴向角和径向角均为正，轴向角的范围为3～7°，径向角的范围为0～2°；

4)根据刀具外观轮廓设计要求采用激光切削法加工单晶金刚石刀具，使之具备第一后刀面、第二后刀面和刀具刃口，第一后角的范围为3～5°，第二后角的范围为20～25°；

5)激光切削加工完成后，采用热化学抛光法研磨单晶金刚石刀具的刀具刃口。

优选地，所述步骤2)为：首先在硬质合金基体端部切削出两个相互垂直的切削面，与硬质合金基体底部平行的切削面和硬质合金基体构成焊接平台，另一个切削面为焊接面，然后在焊接平台上开设出排屑槽，并在排屑槽靠近焊接面的一侧预留出定位面，最后在硬质合金基体端部突出部分远离焊接面的一侧开设出形状为内凹弧面的避空面；所述步骤3)为：单晶金刚石刀具的底面放置在定位面上，其侧面紧贴焊接面并采用真空焊接法焊接于焊接面，与焊接面相互平行的单晶金刚石刀具的表面为前刀面。

优选地，所述单晶金刚石材料透明、无裂痕且选定作为前刀面的单晶金刚石表面光滑、平整、无划痕。

优选地，在进行步骤3)加工前，采用蒸汽清洗单晶金刚石刀具表面，并在单晶金刚石表面涂覆涂层，涂层覆盖整个单晶金刚石表面，涂层厚度0.1～0.2mm。

优选地，在所述步骤4)中，激光切削加工完成后采用工业酒精擦拭去除单晶金刚石刀具表面涂层，然后用蒸汽清洗单晶金刚石刀具。

优选地，所述涂层为白色的漆层。

优选地，在所述步骤5)中，刀具刃口的研磨抛光方法具体为：在氢气或者惰性气体的气氛中，使用经过加热的铁质研磨棒与刀具刃口表面接触并相对滑动，单晶金刚石晶格中的碳原子扩散到铁晶体晶格中，实现对刀具刃口进行抛光。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

一种采用所述单晶金刚石刀具的加工方法加工而成的单晶金刚石刀具，包括基体，所述基体一端开设有焊接平台，该焊接平台两侧的基体上分别设避空面和排屑槽，所述避空面为内凹的弧面，其中垂直于所述焊接平台的切削面为焊接面，所述排屑槽与焊接面之间预留有定位面，所述定位面位于焊接平台所在的平面，所述单晶金刚石刀具底面放置在定位面上，其侧面紧贴焊接面并焊接于焊接面，所述单晶金刚石刀具包括第二后刀面、第一后刀面、前刀面和刀具刃口，所述前刀面与焊接面平行，所述第二后刀面、第一后刀面和刀具刃口位于远离焊接平台的一侧，所述第一后刀面与前刀面之间的交线为刀具刃口。

优选地，第一后刀面为内凹的弧面，其弧面的母线与单晶金刚石刀具轴中心面的垂直面的夹角为第一后角，所述第一后角的范围为 3～5°。

优选地，第二后刀面为内凹的弧面，其弧面的母线与单晶金刚石刀具轴中心面的垂直面的夹角为第二后角，所述第二后角的范围为 20～25°。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明采用激光切削加工单晶金刚石制成刀具，对被加工金刚石表面无冲击，避免了机械加工方法造成的表面冲击沟痕，使加工金刚石表面的损伤与变质层较浅，可提高单晶金刚石刀具的寿命；采用热化学抛光法研磨刀具刃口，由于刀具刃口崩缺小、抛光余量非常少，并且加工金刚石表面与研磨棒之间的接触力非常小，易于研磨出高质量的刀刃；此外，激光切削加工时，单晶金刚石表面涂覆涂层，可有效防止激光的透射和反射，提高刀具加工的效率和质量。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的主视结构示意图。

图3为本发明的俯视结构示意图。

图4为本发明的左视结构示意图。

图5为本发明左视图中径向角的放大示意图。

图6为本发明主视图中轴向角的放大示意图。

图7为本发明径向角为0°时第一后角、第二后角的放大示意图。

图8为本发明径向角非0°时第一后角、第二后角的放大示意图。

图中：1、基体；11、排屑槽；12、焊接平台；13、避空面；14、定位面；15、焊接面；2、单晶金刚石刀具；21、第一后刀面；22、第二后刀面；23、第一后角；24、第二后角；25、前刀面；3、刀具刃口；4、径向角；5、轴向角；61、刀具轴中心线；62、前刀面投影线；71、刀具中心线；72、端面刃口。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

一种单晶金刚石刀具以及刀具加工方法，包括以下步骤：

1)准备单晶金刚石材料；

2)加工硬质合金基体1端部，便于单晶金刚石材料的定位和焊接；

3)将单晶金刚石材料焊接在硬质合金基体1端部形成单晶金刚石刀具2，使得形成单晶金刚石刀具2的轴向角5和径向角4均为正，轴向角5的范围为3～7°，径向角4的范围为0～2°；

4)根据刀具外观轮廓设计要求采用激光切削法加工单晶金刚石刀具2，使之具备第一后刀面21、第二后刀面22和刀具刃口3，第一后角23的范围为3～5°，第二后角24的范围为20～25°；

5)激光切削加工完成后，采用热化学抛光法研磨单晶金刚石刀具2的刀具刃口3。

本实施例按照设计要求加工硬质合金基体1，并使用真空焊接技术将单晶金刚石材料焊接在硬质合金基体1端部形成单晶金刚石刀具2，焊接部位为焊接面15，与焊接面15平行的单晶金刚石刀具2 为前刀面25，如图5～6所示，刀具轴中心线61与单晶金刚石刀具2的前刀面投影线62的夹角为轴向角5，刀具中心线71与单晶金刚石刀具2的端面刃口72的夹角为径向角4，焊接后单晶金刚石刀具2 的轴向角5的范围为3～7°，轴向角5以5°最优，径向角4是范围为0～2°，径向角4以0°最优，如图5～6所示；

将单晶金刚石刀具2安装在激光五轴加工中心上，利用探针定位刀具参数及安装角度，激光切削加工对单晶金刚石刀具2表面无冲击，根据设计要求加工刀具轮廓，激光切削加工形成的切削面为第二后刀面22，在前刀面25和第二后刀面22之间的单晶金刚石刀具2 表面进行二次激光切削加工，形成的切削面为第一后刀面21，第一后刀面21与前刀面25的交线为刀具刃口3，激光使用功率范围为 50～65％，加工速度0.8～1.0mm/s；

激光切削加工完成后，采用热化学抛光法研磨单晶金刚石刀具2 的刀具刃口3，使刀具刃口3崩缺控制在2μm以内，易于研磨出高质量的刀具刃口3。

进一步，所述步骤2)为：加工硬质合金基体1端部，首先切削出两个相互垂直的切削面，与硬质合金基体1底部平行的切削面和硬质合金基体1构成焊接平台12，另一个切削面为焊接面15，然后在焊接平台12上开设出排屑槽11，并在排屑槽11靠近焊接面15的一侧预留出定位面14，最后在硬质合金基体1端部突出部分远离焊接面15的一侧开设出形状为内凹弧面的避空面13；所述步骤3)为：单晶金刚石刀具2的底面放置在定位面14上，其侧面紧贴焊接面15 并采用真空焊接法焊接于焊接面15，与焊接面15相互平行的单晶金刚石刀具2的表面为前刀面25。

加工硬质合金基体1的排屑槽11便于单晶金刚石刀具2在切削工作中顺利排出切屑，定位面14的设置便于放置焊接单晶金刚石材料，设置避空面13便于加工单晶金刚石材料，预留出加工空间，确保单晶金刚石刀具2使用时基体1不会与加工工件发生接触，单晶金刚石材料各个表面的面积不同，将单晶金刚石材料放置在定位面14 上，定位面14便于固定单晶金刚石材料，选取表面积大的一面紧贴于焊接面15能够使焊接更加稳固。

进一步，所述单晶金刚石材料透明、无裂痕且选定作为前刀面 25的单晶金刚石表面光滑、平整、无划痕，前刀面25光滑、平整不仅能够提高被加工工件的表面光洁度，并且减少与切屑的摩擦力，避免切屑遗留于前刀面25。

进一步，在进行步骤3)加工前，采用蒸汽清洗单晶金刚石刀具 2表面，并在单晶金刚石刀具2表面涂覆涂层，涂层覆盖整个单晶金刚石刀具2表面，涂层厚度0.1～0.2mm。

吹干表面水蒸气后，选用细小的毛刷在单晶金刚石刀具2表面涂覆涂层，激光切削加工时，单晶金刚石刀具2表面涂覆涂层，有效防止激光的透射和反射，提高加工效率。

进一步，在所述步骤4)中，激光切削加工完成后采用工业酒精擦拭去除单晶金刚石刀具2表面涂层，然后用蒸汽清洗单晶金刚石刀具2；使用棉签蘸取工业酒精即可擦除单晶金刚石刀具2表面涂层，操作简单，效果明显。

进一步，所述涂层为白色的漆层，单晶金刚石刀具2表面涂上漆层后能够快速干燥，加工完成后，用棉签沾酒精擦拭可擦除。

进一步，在所述步骤5)中，刀具刃口3的研磨抛光方法具体为：在氢气或者惰性气体的气氛中，使用经过加热的铁质研磨棒与刀具刃口3表面接触并相对滑动，单晶金刚石晶格中的碳原子扩散到铁晶体晶格中，实现对刀具刃口3进行抛光。

选择使用经济性好的氢气气氛，铁质研磨棒加热至800℃时研磨效果最优，对刀具刃口3进行抛光能够保证刀具刃口3的崩缺控制在2μm以内；由于刀具刃口3崩缺很小且抛光余量非常少，被加工单晶金刚石表面与研磨棒之间的接触力非常小，易于研磨出高质量的刀具刃口3。

如图1～4所示，一种采用所述单晶金刚石刀具的加工方法加工而成的单晶金刚石刀具，包括基体1，所述基体 1一端开设有焊接平台12，该焊接平台12两侧的基体1上分别设避空面13和排屑槽11，所述避空面13为内凹的弧面，其中垂直于所述焊接平台12的切削面为焊接面15，所述排屑槽11与焊接面15之间预留有定位面14，所述定位面14位于焊接平台12所在的平面，所述单晶金刚石刀具2底面放置在定位面14上，其侧面紧贴焊接面 15并焊接于焊接面15，所述单晶金刚石刀具2包括第二后刀面22、第一后刀面21、前刀面25和刀具刃口3，所述前刀面25与焊接面 15平行，所述第二后刀面22、第一后刀面21和刀具刃口3位于远离焊接平台12的一侧，所述第一后刀面21与前刀面25之间的交线为刀具刃口3。

本实施例中单晶金刚石材料真空焊接在基体1一端的焊接平台 12上，该焊接平台12两侧的基体1上分别设避空面13和排屑槽11，避空面13为内凹的弧面，可以减少部件间干涉的机会和钳工配模的难度，排屑槽11方便切屑的排出，设计合理，定位面14的设置便于单晶金刚石刀具2的放置与焊接。

如图7～8所示，进一步，第一后刀面21为内凹的弧面，其弧面的母线与单晶金刚石刀具2轴中心面的垂直面的夹角为第一后角23，所述第一后角23的范围为3～5°，第一后角23为4°时刀具刃口3 质量最优。

如图7～8所示，进一步，第二后刀面22为内凹的弧面，其弧面的母线与单晶金刚石刀具2轴中心面的垂直面的夹角为第二后角24，所述第二后角24的范围为20～25°，第二后角24为23°时刀具刃口3质量最优。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单晶金刚石刀具加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)准备单晶金刚石材料；

2)加工硬质合金基体端部，便于单晶金刚石材料的定位和焊接；

首先在硬质合金基体端部切削出两个相互垂直的切削面，与硬质合金基体底部平行的切削面和硬质合金基体构成焊接平台，另一个切削面为焊接面，然后在焊接平台上开设出排屑槽，并在排屑槽靠近焊接面的一侧预留出定位面，最后在硬质合金基体端部突出部分远离焊接面的一侧开设出形状为内凹弧面的避空面；

3)将单晶金刚石材料焊接在硬质合金基体端部形成单晶金刚石刀具，使得单晶金刚石刀具的轴向角和径向角均为正，轴向角的范围为3～7°，径向角的范围为0～2°；

4)根据刀具外观轮廓设计要求采用激光切削法加工单晶金刚石刀具，使之具备第一后刀面、第二后刀面和刀具刃口，第一后角的范围为3～5°，第二后角的范围为20～25°；

5)激光切削加工完成后，采用热化学抛光法研磨单晶金刚石刀具的刀具刃口。

2.根据权利要求1所述的单晶金刚石刀具加工方法，其特征在于：所述步骤3)为：单晶金刚石刀具的底面放置在定位面上，其侧面紧贴焊接面并采用真空焊接法焊接于焊接面，与焊接面相互平行的单晶金刚石刀具的表面为前刀面。

3.根据权利要求2所述的单晶金刚石刀具加工方法，其特征在于：所述单晶金刚石材料透明、无裂痕且选定作为前刀面的单晶金刚石表面光滑、平整、无划痕。

4.根据权利要求1所述的单晶金刚石刀具加工方法，其特征在于：在进行步骤3)加工前，采用蒸汽清洗单晶金刚石刀具表面，并在单晶金刚石表面涂覆涂层，涂层覆盖整个单晶金刚石表面，涂层厚度0.1～0.2mm。

5.根据权利要求4所述的单晶金刚石刀具加工方法，其特征在于：在所述步骤4)中，激光切削加工完成后采用工业酒精擦拭去除单晶金刚石刀具表面涂层，然后用蒸汽清洗单晶金刚石刀具。

6.根据权利要求4所述的单晶金刚石刀具加工方法，其特征在于：所述涂层为白色的漆层。

7.根据权利要求1所述的单晶金刚石刀具加工方法，其特征在于：在所述步骤5)中，刀具刃口的研磨抛光方法具体为：在氢气或者惰性气体的气氛中，使用经过加热的铁质研磨棒与刀具刃口表面接触并相对滑动，单晶金刚石晶格中的碳原子扩散到铁晶体晶格中，实现对刀具刃口进行抛光。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述单晶金刚石刀具的加工方法加工而成的单晶金刚石刀具，其特征在于：包括基体，所述基体一端开设有焊接平台，该焊接平台两侧的基体上分别设避空面和排屑槽，所述避空面为内凹的弧面，其中垂直于所述焊接平台的切削面为焊接面，所述排屑槽与焊接面之间预留有定位面，所述定位面位于焊接平台所在的平面，所述单晶金刚石刀具底面放置在定位面上，其侧面紧贴焊接面并焊接于焊接面，所述单晶金刚石刀具包括第二后刀面、第一后刀面、前刀面和刀具刃口，所述前刀面与焊接面平行，所述第二后刀面、第一后刀面和刀具刃口位于远离焊接平台的一侧，所述第一后刀面与前刀面之间的交线为刀具刃口。

9.根据权利要求8所述的单晶金刚石刀具，其特征在于：第一后刀面为内凹的弧面，其弧面的母线与单晶金刚石刀具轴中心面的垂直面的夹角为第一后角，所述第一后角的范围为3～5°。

10.根据权利要求8所述的单晶金刚石刀具，其特征在于：第二后刀面为内凹的弧面，其弧面的母线与单晶金刚石刀具轴中心面的垂直面的夹角为第二后角，所述第二后角的范围为20～25°。