CN109023294A - 一种金刚石涂层立铣刀及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石涂层立铣刀，包括铣刀本体(1)，在所述的铣刀本体(1)切削部位表面设有一层金刚石涂层(2)，在所述的铣刀本体(1)刃口设有半径为0.01±0.005mm的圆倒角；该铣刀采用的加工工艺包括以下步骤：a、选用含钴量为5.5％‑6.5％的硬质合金制作铣刀本体；b、在铣刀本体刃口上打磨出半径为0.01±0.005mm的圆倒角；c、通过两步浸蚀法对铣刀本体表面进行预处理；d、通过热丝化学气相沉积法在铣刀本体表面形成金刚石涂层；e、对具有金刚石涂层的铣刀实施硼砂处理。

Description

一种金刚石涂层立铣刀及其制造工艺
技术领域
本发明涉及铣刀结构以及制造工艺，尤其涉及具有金刚石涂层的立铣刀结构以及工艺。
背景技术
铝基碳化硅复合材料具有高比强度、比模量、和良好的尺寸稳定性，而且耐磨、耐疲劳。其优异的材料性能为机械加工带来了两个难题：一是加工后的尺寸精度较差，二是加工成本高。造成该难题的主要原因是SiCp/Al材料的铝基体中均匀分布这碳化硅(SiC)陶瓷增强颗粒，这些颗粒导致了机械加工过程中刀具的严重磨损，降低了加工的质量和效率。目前主要采用金刚石涂层刀具和人造金刚石刀具进行该材料的加工，但金刚石涂层刀具寿命过短，人造金刚石刀具虽然寿命较长，却不适合粗加工，且成本高。由于刀具易磨损，也造成了工件的表面质量差。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，提供一种刀具不易磨损，使用寿命长，适合粗加工，且成本低的金刚石涂层立铣刀及其制造工艺，本发明所采用的技术方案是：
一种金刚石涂层立铣刀，包括铣刀本体，在所述的铣刀本体切削部位表面设有一层金刚石涂层，在所述的铣刀本体刃口设有半径为0.01±0.005mm的圆倒角。
所述的铣刀本体刃口前角α角度为6°±1°，第一后角β角度为14°±1°，第二后角δ角度为25°±1°。
所述的铣刀本体材质为含钴量为5.5％-6.5％的硬质合金。
一种金刚石涂层立铣刀制造工艺，包括以下步骤：
a、选用含钴量为5.5％-6.5％的硬质合金制作铣刀本体；
b、在铣刀本体刃口上打磨出半径为0.01±0.005mm的圆倒角。
c、通过两步浸蚀法对铣刀本体表面进行预处理；
d、通过热丝化学气相沉积法在铣刀本体表面形成金刚石涂层；
e、对具有金刚石涂层的铣刀实施硼砂处理。
在步骤b中采用钝化机对铣刀本体刃口实施倒圆角，且铣刀本体刃口前角α角度为6°±1°，第一后角β角度为14°±1°，第二后角δ角度为25°±1°。
步骤c中首先采用Murakami试剂腐蚀硬质合金基体30分钟，然后使用3H2SO4+7H2O2浸蚀约30秒。
步骤d中铣刀本体在真空磁控建溅射镀膜机内处于丙酮和氢气环境下，保持灯丝温度在2100℃-2200℃，铣刀本体温度在800℃，沉积7小时。
步骤a中选用的硬质合金含钴量为6％。
该制造工艺中采用钴含量为6％的硬质合金基体；采用两步浸蚀法预处理减少了钴元素对金刚石涂层生成过程的影响；使用热丝化学气相沉积法(HFCVD)方法生成金刚石涂层，恰当的硬质合金与涂层比热的差距使得涂层与硬质合金基体中存在一定的应力，同时保证涂层附着力不会破坏涂层；采用喷砂后处理，在平衡涂层应力的同时，增强涂层的内应力，进一步提升涂层与基体的结合力。
采用上面结构的立铣刀，刀具的磨损速度较同类型的进口金刚石刀具，寿命提高了两倍以上，工件的被加工表面质量得到改善，能够减少加工时换刀的时间，在提升加工质量和效率的同时，降低加工中的刀具成本。
附图说明
图1为本发明刃口放大视图；
图2为本发明刃口角度视图；
图3为本铣刀实验参考图。
具体实施方式
结合附图对本发明的铣刀结构做说明：
如图1所示刃口放大图，包括铣刀本体1和金刚石涂层2，在铣刀本体1的刃口处有设有半径为0.01±0.005mm的圆倒角，该圆倒角通过钝化机实现加工，这种结构使得刀刃处形成细微的圆弧刃口，通过实验及实际加工验证发现R0.01的刃口钝圆不仅改善了刀具的寿命，也提升了加工的质量。
在上述铣刀刃口构造基础上如图2所示，铣刀本体1刃口前角α角度为6°±1°，第一后角β角度为14°±1°，第二后角δ角度为25°±1°，提高铣刀加工效果和质量。
在实际制造中，为了探索更优的刃口钝圆参数，涉及了三个测试实验，刃口钝圆分别为R0.001，R0.003，手工钝化，其中刃口钝圆为R0.001和R0.003的立铣刀采用立式旋转钝化法进行加工。采用三个不同刃口钝圆的立铣刀分别在相同的工况下进行实验，发现在刀具失效前，各自的材料去除量分别为：R0.001，约40cm3；R0.003，约19cm3；手工钝化：约9cm3。并且为了对于进口立铣刀的切削效果，在航天企业车间相同工况下对其切削吸能进行对比，发现刃口具有0.01mm钝圆的立铣刀寿命比进口铣刀提高了两杯以上，且被加工的工件表面质量也有所提升。参考图2，为在相同工况下，材料取出量为12cm3时，新型铣刀与进口立铣刀摸寻情况对比，其中左侧为有R0.001倒圆角的立铣刀，右侧为进口铣刀(明显出现了崩刃)。
该铣刀本体材质采用的是含钴量为5.5％-6.5％的硬质合金制成,实际生产中采用6％为最佳选择。
在涂层与硬质合金基体材料结合方面，硬质合金中含有钴元素以提高基体的韧性和抗弯抗压强度，而钴元素对碳有很高的固溶度，会影响金刚石涂层的形成，更严重的是钴元素会在金刚石薄膜成型过程中催化金刚石转化为非金刚石碳，降低涂层的附着能力。若为了实现基体与金刚石涂层的紧密结合而降低硬质合金中的钴元素含量，则会造成基体韧性差，成型后的刀具强度不足，因此采用钴含量为6％的硬质合金，既保证了硬质合金的韧性，又保证了涂层的结合力强。
下面对该铣刀的制造工艺做详细的介绍：
步骤包括：
a、选用含钴量为5.5％-6.5％的硬质合金制作铣刀本体；
b、在铣刀本体刃口上打磨出半径为0.01±0.005mm的圆倒角；
c、通过两步浸蚀法对铣刀本体表面进行预处理；
d、通过热丝化学气相沉积法在铣刀本体表面形成金刚石涂层；
e、对具有金刚石涂层的铣刀实施硼砂处理。
步骤a中最优选含钴量为6％的硬质合金。
步骤b中采用钝化机对铣刀本体刃口实施倒圆角，且铣刀本体刃口前角α角度为6°±1°，第一后角β角度为14°±1°，第二后角δ角度为25°±1°，倒圆角不仅改善了刀具的寿命，也提升了加工的质量。
步骤c中首先采用Murakami试剂腐蚀硬质合金基体30分钟，然后使用3H2SO4+7H2O2浸蚀约30秒，经过处理后的基体表面Co含量更低，有效降低了钴元素对金刚石涂层形成过程的影响。Murakami试剂是由铁氰化钾、氢氧化钾和去离子水所配置而成，其中质量配比为：K3[Fe(CN)6]:KOH：H2O＝1：1：10(质量比)，通过精密电子天平来获得准确质量，配制成溶液。
在步骤d中使用CSU550A型超高真空磁控溅射多功能镀膜机，使灯丝与铣刀本体的距离保持在8mm，灯丝温度保持在2100℃-2200℃，铣刀本体温度保持在800℃，使用丙酮和氢气沉积7小时。
步骤e中采用喷砂后处理，在平衡涂层应力的同时，增强涂层的内应力，进一步提升涂层与基体的结合力。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金刚石涂层立铣刀，包括铣刀本体(1)，在所述的铣刀本体(1)切削部位表面设有一层金刚石涂层(2)，其特征在于：在所述的铣刀本体(1)刃口设有半径为0.01±0.005mm的圆倒角。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石涂层立铣刀，其特征在于：所述的铣刀本体(1)刃口前角角度为6°±1°，第一后角角度为14°±1°，第二后角角度为25°±1°。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石涂层立铣刀，其特征在于：所述的铣刀本体(1)材质为含钴量为5.5％-6.5％的硬质合金。
4.一种金刚石涂层立铣刀制造工艺，包括以下步骤：
a、选用含钴量为5.5％-6.5％的硬质合金制作铣刀本体；
b、在铣刀本体刃口上打磨出半径为0.01±0.005mm的圆倒角；
c、通过两步浸蚀法对铣刀本体表面进行预处理；
d、通过热丝化学气相沉积法在铣刀本体表面形成金刚石涂层；
e、对具有金刚石涂层的铣刀实施硼砂处理。
5.根据权利要求3所述的一种金刚石涂层立铣刀制造工艺，其特征在于：在步骤b中采用钝化机对铣刀本体刃口实施倒圆角，且铣刀本体刃口前角(α)角度为6°±1°，第一后角(β)角度为14°±1°，第二后角(δ)角度为25°±1°。
6.根据权利要求3或4所述的一种金刚石涂层立铣刀制造工艺，其特征在于：步骤c中首先采用Murakami试剂腐蚀硬质合金基体30分钟，然后使用3H2SO4+7H2O2浸蚀约30秒。
7.根据权利要求3或4所述的一种金刚石涂层立铣刀制造工艺，其特征在于：步骤d中铣刀本体在真空磁控建溅射镀膜机内处于丙酮和氢气环境下，保持灯丝温度在2100℃-2200℃，铣刀本体温度在800℃，沉积7小时。
8.根据权利要求3或4所述的一种金刚石涂层立铣刀制造工艺，其特征在于：步骤a中选用的硬质合金含钴量为6％。
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