CN108515350A - 一种切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法，通过如下步骤实现：1）选料，选择内部无明显包裹体金刚石单晶；2）晶体定向切割，选择金刚石的（100）面作为前刀面，用激光束将金刚石单晶切割成板状单晶刀片；3）打孔镀膜，在上半部分用激光打孔，之后在上半部分镀上一层金属；4）刀杆制备；5）钎焊，取适量钎焊剂填充至金刚石单晶上部孔中，之后将金刚石刀片和基体进行真空钎焊；6）粗磨；7）精磨。通过上述方式，能够提高金刚石和刀具基体的结合力，防止刀片脱落，提高使用寿命。

Description

一种切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法
技术领域
本发明涉及一种切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法，属于机械加工工具制造领域。
背景技术
金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构属于等轴面心立方晶系（一种原子密度最高的晶系）。由于金刚石晶体中碳原子间是以sp3杂化共价键连接，因此具有极强的方向性、结合力和稳定性。金刚石因其晶体的独特结构具有最高的刚性、硬度、导热系数和折射率，以及极高的抗腐蚀性、抗磨损性及化学稳定性。金刚石的晶体结构均匀，无内部晶界，所以其刀具刃口的锋利度与平直度可以达到原子级别，切削时切削力小、切薄能力强、精度高。因为金刚石的耐磨性能好，硬度高，所以金刚石刀具经长时间的使用后，磨损程度不大，并不会改变刀具的尺寸，同时金刚石导热性能良好，在切削过程中，金刚石刀具的温度要明显低于使用其它材料的刀具温度，而且金刚石的膨胀系数极低，所以在加工过程中刀具温度变化对加工件尺寸的影响极小，这些优点便使得金刚石刀具在精密、超精密机件加工领域有着重要的地位并且应用广泛。
镁铝合金具有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收、导热性好、防电磁辐射、可薄壁成型等诸多优点，在医疗、家电、通讯、计算机、轻工业、仪器仪表等行业应用广泛，更为重要的是在国防和尖端技术的发展中也发挥着重要作用。金刚石具有高强度、高硬度、超高热导性能、良好耐磨性、有色金属摩擦系数低、抗黏结性能好以及优秀的化学稳定性和抗腐蚀能力，这些条件都为刃磨出锋利的刀刃提供保证，在工业领域内被公认为最理想的超精密切削刀具材料，尤为适合对镁铝合金进行加工。
金刚石单晶刀具已经引起刀具生产厂商的广泛关注，CN105772763A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，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。CN105415099A公开了一种单晶刀具制备工艺，包括以下步骤：1）选料，选择适合刃长的刀具进行加工；2）抛面，将已经切割好的单晶片在铸铁研磨盘上研磨；3）焊接，抛光好的单晶片需清洗干净，之后在真空炉内进行焊接；4）粗磨，使用金刚石砂轮进行粗磨；5）精磨，精磨加工在铸铁研磨盘上进行，精磨时刀刃采取逆磨, 也就是研磨方向从刀刃指向刀体, 并且在进给量给定的前提下,适当的增加研磨时间；6）检验，加工完成后，对刀具刃口进行检验。
现有技术是将金刚石单晶直接焊接于基体，与硬质合金不同的是金刚石和金属不润湿，且热膨胀系数差异大，在焊接过程中容易造成热应力集中，使得焊接上去的金刚石不牢固，在加工镁铝合金时，高速加工以车代磨已经成为了发展趋势，而金刚石单晶刀片和基体结合不牢会在使用过程中产生安全隐患，因此加工镁铝合金的金刚石单晶刀具基体要对金刚石单晶刀片具有更强的结合力，才能实现高速高效精密加工。
发明内容
针对目前加工镁铝合金用金刚石单晶刀具中金刚石易脱落不耐用的问题，本发明提供一种金刚石单晶刀具的制备方法，有效提高刀具基体和金刚石刀片的结合力，提高金刚石单晶刀具寿命，实现镁铝合金高效加工。本发明通过如下技术方案实现：
1）选料，选用高温高压法合成的金刚石单晶，用100倍光学显微镜观察，内部无明显包裹体；
2）晶体定向切割，选择金刚石的（100）面作为前刀面，用激光束对金刚石单晶进行切割，得到板状金刚石单晶刀片；
3）打孔镀膜，在上半部分用激光打孔，之后在上半部分镀上一层金属；
4）刀杆制备，将刀杆通过线切割在顶部切割出沟槽，并使用磨床磨出所需形状；
5）钎焊，取适量钎焊剂填充至金刚石单晶上部孔中，之后将钎焊剂均匀的涂抹在单晶金刚石和刀具基体上将刀具放到烤箱里烘烤预热再将其放到真空钎焊炉里进行真空钎焊；
6）粗磨，使用金刚石磨盘进行粗磨加工，磨盘的转速为25 m/s到35 m/s；
7）精磨，在铸铁磨盘上进行精磨，精磨磨盘转速控制在20~25 m/s，铸铁磨盘上涂有金刚石研磨膏。
其中步骤2）中使用金刚石的（100）面作为前刀面，是因为使用（100）晶面作为前刀面有利于金刚石刀片的研磨，且能提高金刚石刀具的寿命。尽管一般认为金刚石（111）面最为坚硬，但实施本技术方案的过程中发现（111）面不易开刃、（110）面容易破损，（100）面作为前刀面刀具锋利的和耐用性均优于（111）面或（110）面。
其中步骤3）中所述的上半部分指的是金刚石单晶片中远离金刚石刀刃与基体结合的部分。镀金属的方式可以是化学沉积或物理沉积，优选地，是化学镀或真空溅射镀，所镀金属优选为镍及其合金、铜及其合金、铬及其合金。
其中步骤5）中所述的钎焊剂优选地是银铜钛焊膏；所述的烘烤其时间优选为15min至30min，真空钎焊工艺为真空度–3KPa，加热至850℃保温10min至20min，最后冷却至室温。
本发明有效提高了金刚石刀片和刀具基体的结合力，防止金刚石刀片脱落，金刚石刀片和基体结合力增强，使得金刚石刀具能够实现高速切削镁铝合金，切削后的镁铝合金表面光洁度达到镜面级，无需再对工件研磨抛光。
具体实施方式
本发明以下将结合实施例作进一步描述：
实施例1：
1）选料，选用高温高压法合成的Ib型金刚石单晶，呈金黄色，用100倍光学显微镜观察，内部无明显包裹体；
2）晶体定向切割，选择金刚石的（100）面作为前刀面，用激光束对金刚石单晶进行切割，得到板状金刚石单晶刀片，尺寸为3×3×1 mm；
3）打孔，在上半部分用激光打出3个孔，之后在上半部分用化学镀的方式镀上一层铜硼合金，其中化学镀液配方为教科书中所记载的公知技术；
4）刀杆制备，将刀杆通过线切割在顶部切割出深3 mm，宽1.05 mm的沟槽，并使用磨床磨成圆锥形；
5）钎焊，取适量银铜钛焊膏填充至金刚石单晶上部孔中，之后将钎焊剂均匀的涂抹在单晶金刚石和刀具基体上将刀具放到烤箱里烘烤预热15 min再将其放到真空钎焊炉里在真空度–3KPa条件下，加热至850℃保温15min，最后冷却至室温；
6）粗磨，使用金刚石磨盘进行粗磨加工，磨盘的转速为25 m/s；
7）精磨，在铸铁磨盘上进行精磨，精磨磨盘转速控制在25 m/s，铸铁磨盘上涂有金刚石研磨膏。
经上述步骤即可得到加工镁铝合金的金刚石单晶刀具，使用此刀具加工镁铝合金，在刀具转速2100 r /min进给量0.06 mm/r时，得到的镁铝合金工件表面粗糙度Ra为46.1 nm。
实施例2：
1）选料，选用高温高压法合成的片状Ib型金刚石单晶，呈欠黄色，用100倍光学显微镜观察，内部无明显包裹体；
2）晶体定向切割，选择金刚石的（100）面作为前刀面，用激光束对金刚石单晶进行切割，得到板状金刚石单晶刀片，尺寸为3×3×1 mm；
3）打孔，在上半部分用激光打出4个孔，之后在上半部分用真空溅射镀的方式镀上一层铬钛合金，真空溅射镀膜技术为现有技术；
4）刀杆制备，将刀杆通过线切割在顶部切割出深3 mm，宽1.05 mm的沟槽，并使用磨床磨成圆锥形；
5）钎焊，取适量银铜钛焊膏填充至金刚石单晶上部孔中，之后将钎焊剂均匀的涂抹在单晶金刚石和刀具基体上将刀具放到烤箱里烘烤预热15 min再将其放到真空钎焊炉里在真空度–3KPa条件下，加热至850℃保温20min，最后冷却至室温；
6）粗磨，使用金刚石磨盘进行粗磨加工，磨盘的转速为30 m/s；
7）精磨，在铸铁磨盘上进行精磨，精磨磨盘转速控制在22 m/s，铸铁磨盘上涂有金刚石研磨膏。
经上述步骤即可得到加工镁铝合金的金刚石单晶刀具，使用此刀具加工镁铝合金，在刀具转速3000 r /min进给量0.08 mm/r时，得到的镁铝合金工件表面粗糙度Ra为52.4 nm。

Claims (4)

1.切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）选料，选用高温高压法合成的金刚石单晶，用100倍光学显微镜观察，内部无明显包裹体；
2）晶体定向切割，选择金刚石的（100）面作为前刀面，用激光束对金刚石单晶进行切割，得到板状金刚石单晶刀片；
3）打孔镀膜，在上半部分用激光打孔，之后在上半部分镀上一层金属；
4）刀杆制备，将刀杆通过线切割在顶部切割出沟槽，并使用磨床磨出所需形状；
5）钎焊，取适量钎焊剂填充至金刚石单晶上部孔中，之后将钎焊剂均匀的涂抹在单晶金刚石和刀具基体上将刀具放到烤箱里烘烤预热再将其放到真空钎焊炉里进行真空钎焊；
6）粗磨，使用金刚石磨盘进行粗磨加工，磨盘的转速为25-35 m/s；
7）精磨，在铸铁磨盘上进行精磨，精磨磨盘转速控制在20-25 m/s，铸铁磨盘上涂有金刚石研磨膏。
2.如权利要求1所述的切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法，其特征在于：步骤3）中镀的金属为镍及其合金、铜及其合金、铬及其合金中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法，其特征在于：步骤5）中使用的钎焊剂为银铜钛焊膏。
4.如权利要求1所述的切削镁铝合金用金刚石单晶刀具的制备方法，其特征在于：步骤5）中所述的烘烤预热时间为15min至30min，所述的真空钎焊工艺为真空度–3KPa，加热至850℃保温10min至20min，最后冷却至室温。
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