CN110695383A - 一种深度梯度变化微织构涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车床加工的技术领域，更具体地，涉及一种深度梯度变化微织构涂层刀具及其制备方法，包括刀体、直接作用于切削工件加工表面的前刀面以及与所述工件加工表面相对设置的后刀面，所述前刀面、后刀面均设于刀体侧面，所述前刀面与后刀面的交接处设置有切削刃；所述后刀面分布有多组微织构单元，每组微织构单元包括多组凹槽，所述凹槽的深度梯度变化。本发明在刀具的后刀面加工深度梯度变化的微织构单元，加工时的润滑剂会存储于微织构单元，并且可以沿着微织构给切削刃起到冷却润滑的作用，本发明的刀具同时具有良好的涂层结合力和摩擦磨损性能，具有较长的使用寿命。

Description

一种深度梯度变化微织构涂层刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及车床加工的技术领域，更具体地，涉及一种深度梯度变化微织构 涂层刀具及其制备方法。
背景技术
近年来，摩擦学研究领域提出了一种表面织构的概念，又称表面微织构，已 被证明是提高表面摩擦学性能的有效手段。表面织构技术就是通过改变材料表面 的物理结构来改善材料表面特性的方法，表面织构是具有一定尺寸和排列的凹坑 /凹痕或凸包等图案的点阵。刀具刀面上雕刻微织构，并不影响刀具的力学性能， 微织构可存储润滑油和磨屑，降低前刀面的摩擦系数，使得切削力降低 10％～30％，显著提高刀具的耐磨性和产品的加工效率。但仅仅微织构刀具还不 满足加工需求，微织构涂层刀具应运而生。
研究表明微织构的深度是影响微织构涂层刀具性能的重要因素，微织构为浅 织构的时候可以提高涂层的结合力，但对摩擦磨损性能影响不大；微织构深度较 深的时候，涂层结合力得不到保证，但摩擦磨损性能由于微织构可以存储润滑剂 和磨屑，在刀具加工时可以在刀面与被加工表面形成一层润滑膜，提高刀具的摩 擦磨损性能以及加工质量；如何使得微织构涂层刀具同时具有好的涂层结合力和 良好的摩擦磨损性能是目前研究的难点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种深度梯度变化微织构涂层 刀具及其制备方法，在刀具的后刀面成型深度梯度变化微织构单元，同时具有较 好的涂层结合力和良好的摩擦磨损性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种深度梯度变化微织构涂层刀具，包括刀体、直接作用于切削工件加 工表面的前刀面以及与所述工件加工表面相对设置的后刀面，所述前刀面、后刀 面均设于刀体侧面，所述前刀面与后刀面的交接处设置有切削刃；所述后刀面分 布有多组微织构单元，每组微织构单元包括多组凹槽，所述凹槽的深度梯度变化。
本发明的深度梯度变化微织构涂层刀具，在刀具的后刀面加工深度梯度变化 的微织构单元，加工时的润滑剂会存储于微织构单元，并且可以沿着微织构给切 削刃起到冷却润滑的作用。本发明的刀具可根据后刀面的宽度决定微织构单元的 周期数，同时具有良好的涂层结合力和摩擦磨损性能，具有较长的使用寿命。
进一步地，所述凹槽垂直于切削刃设置，所述凹槽的端部距离切削刃400μm ～1000μm。凹槽端部距离切削刃设置一定的距离而非连通，可发挥凹槽存储磨屑 和冷却润滑的作用，且不会破坏刀具的切削刃。
进一步地，所述凹槽平行于切削刃设置，所述凹槽的侧部距离切削刃400μm ～1000μm。凹槽端部距离切削刃设置一定的距离而非连通，可发挥凹槽存储磨屑 和冷却润滑的作用。
进一步地，各组凹槽的宽度相等，且相邻凹槽之间的间距相等。凹槽的宽度 及凹槽之间的间距保持不变，仅有凹槽的深度梯度变化，外表美观且便于加工。
进一步地，所述凹槽的宽度为40μm～50μm，所述凹槽深度为1μm～30μm。 本发明的凹槽深度在1μm～30μm范围内梯度变化。
进一步地，所述凹槽为线性凹槽且多组凹槽平行设置，相邻凹槽之间的间距 为150μm～600μm。线性凹槽是为了增加凹槽加工的便捷性及冷却润滑的有效性 而做出的优选，并不作为限制性的规定。
进一步地，所述凹槽的拐角处均设置有圆弧过渡结构。圆弧过渡结构的设置 有利于存储磨屑，并且由于制备涂层刀具的时候，涂层不会因为基体的形貌突变 发生应力集中而发生涂层剥落。
进一步地，所述微织构单元的表面镀有硬质涂层。设置硬质涂层有效改善微 织构的耐磨性能，延长微织构单元的使用寿命。
本发明还提供了一种深度梯度变化微织构涂层刀具的制备方法，包括以下步 骤：
S10.将硬质合金刀粒放置于酒精和丙酮中各超声10min～30min；
S20.在硬质合金刀粒的后刀面加工多组如前所述的微织构单元；
S30.采用PVD镀膜机在微织构单元表面沉积硬质涂层。
本发明的深度梯度变化微织构涂层刀具的制备方法，先清洗硬质合金刀粒的 表面，便于微织构单元加工的进行；在后刀面加工多组微织构单元，加工时可存 储润滑剂，并且可以沿着微织构单元给切削刃起到冷却润滑的作用，赋予刀具较 好的涂层结合力和摩擦磨损性能；并在微织构单元表面喷镀硬质涂层，改善刀具 的耐磨性能，延长刀具的使用寿命。
优选地，步骤S20中，微织构的加工采用飞秒激光器加工；步骤S30中，所 述硬质涂层选自TiC涂层、TiN涂层、Al2O3涂层中的一种。采用飞秒激光器技 术可实现非接触冷加工，减少刀具的热损伤和氧化层的生成，减少刀具基体的破 坏以及刀具表面的不完整性，且在加工微织构时，只需调整好激光的参数，改变 加工次数，就可以实现在后刀面成倍数制备微织构，高效省时且加工质量好；在 微织构的表面喷镀硬质涂层，减少刀具加工导致的磨损，延长刀具的使用寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的深度梯度变化微织构涂层刀具及其制备方法，在刀具的后刀面加工 微织构单元，用于存储润滑油和磨屑，润滑油可沿着微织构给刀具刃口及切削刃 起到冷却润滑的作用，赋予刀具良好的涂层结合力、较好的摩擦磨损性能及较长 的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的深度梯度变化微织构涂层刀具的结构示意图；
图2为垂直于切削刃设置的微织构的轮廓图；
图3为垂直于切削刃设置的微织构的表面形貌图；
图4为平行于切削刃设置的微织构的轮廓图；
图5为平行于切削刃设置的微织构的表面形貌图；
图6为实施例一中设置垂直于切削刃微织构的刀具、设置平行于切削刃微织 构的刀具及未设置微织构的刀具的在不同切削长度下的侧面磨损示意图；
图7为设置垂直于切削刃微织构的刀具、设置平行于切削刃微织构的刀具及 未设置微织构的刀具干切削条件下后刀面磨损切削长度变化图；
附图中：1-刀体；2-前刀面；3-后刀面；31-主后刀面；32-副后刀面；4-工件； 5-微织构单元；6-凹槽。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性 说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好 地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产 品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可 以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明 的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或 位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描 述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构 造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本 专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语 的具体含义。
实施例一
如图1所示为本发明的深度梯度变化微织构涂层刀具的实施例，包括刀体1、 直接作用于切削工件4加工表面的前刀面2以及与工件4加工表面相对设置的后 刀面3，前刀面2、后刀面3均设于刀体1侧面，前刀面2与后刀面3的交接处 设置有切削刃；后刀面3分布有多组微织构单元5，每组微织构单元5包括多组 凹槽6，凹槽6的深度梯度变化；多组微织构单元5在后刀面3上循环，多组微 织构单元5组成微织构；本实施例的凹槽可同时设置在主后刀面31和副后刀面 32上，如图2所示。
本实施例在刀具的后刀面3加工深度梯度变化的微织构单元5，凹槽6深度 可通过控制激光加工次数进行控制；加工时润滑剂存储于微织构单元5中，并且 可以沿着微织构单元5给切削刃起到冷却润滑的作用，赋予刀具以较好的涂层结 合力和摩擦磨损性能。
本实施例中，各组凹槽6的宽度相等，宽度值在40μm～50μm范围内；且相 邻凹槽6之间的间距相等，间距值在150μm～600μm范围内；凹槽6的深度并非 保持不变，从始端至末端凹槽6深度在1μm～30μm范围内梯度变化。以每组微 织构单元5包括八组凹槽6说明，自始端至末端八组凹槽6深度可为 2/4/6/8/10/12/20/30μm，也可为1.5/4/6.5/8/11.5/15/23/29μm，且不限于上述列举的 深度尺寸；相邻凹槽6间深度差值有所增加，这是为了兼顾涂层结合力和摩擦磨 损性能而做出的优选，并不作为限制性的规定。各组凹槽6为线性凹槽6，但需 要说明是，这是为了增加凹槽6加工的便捷性及冷却润滑的有效性而做出的优 选，并不作为限制性的规定。
在一个实施例中，凹槽6垂直于切削刃设置，凹槽6的端部距离切削刃400μm ～1000μm，凹槽6端部距离切削刃设置一定的距离而非连通，可发挥凹槽6存储 磨屑和冷却润滑的作用。本实施例的深度梯度微织构轮廓图如图3所示，表面形 貌图如图4所示。
在一个实施例中，凹槽6平行于切削刃设置，凹槽6的侧部距离切削刃400μm ～1000μm。凹槽6端部距离切削刃设置一定的距离而非连通，可发挥凹槽6存储 磨屑和冷却润滑的作用。本实施例的深度梯度微织构轮廓图如图5所示，表面形 貌图如图6所示。在一个实施例中，凹槽6的拐角处均设置有圆弧过渡结构。需 要说明的是，设置圆弧过渡结构是为了利于存储磨屑、防止在制备涂层刀具时因 基体的形貌突变发生应力集中而发生涂层剥落而做出的优选，并不作为限制性的 规定。
在一个实施例中，微织构单元5的表面镀有硬质涂层。需要说明的是，设置 硬质涂层是为了有效改善微织构的耐磨性能、延长微织构单元5的使用寿命而做 出的优选，并不作为限制性的规定。
为了验证本实施例在刀具后刀面3设置微织构对延长刀具使用寿命的积极 作用，本实施例对设置垂直于切削刃的微织构、设置平行于切削刃的微织构、以 及未设计微织构三类刀具在切削条件下后刀面3磨损随切削长度的变化，如图7 所示。其中，设置垂直于切削刃的微织构、设置平行于切削刃的微织构两类微织 构，两类微织构单元包含的凹槽6的深度变化规律为： 1.5/4/6.5/8/11.5/15/23/29μm，垂直于切削刃的微织构：微织构距离切削刃1000μm， 周期为10个，微织构分布面积大小为12mm*6mm,微织构分布于刀具的主和副后刀面上；平行于切削刃的微织构：微织构距离切削刃1000μm，周期为3个， 微织构分布面积大小为6*12mm，分布位置同上；测试过程采用的切削参数为： 高速车床加工，切削速度v＝120m/s，切深ap＝0.5mm，每转进给量为F＝0.05mm/r。
从图7可以看出，设置垂直于切削刃的微织构的刀具的刀面磨损最小，设置 平行于切削刃的微织构的刀具的刀面磨损次之，未设置微织构的刀具的刀面磨损 最大，这是因为：在刀具后刀面3设置垂直于切削刃的微织构，加工时润滑剂存 储于微织构单元5中，润滑剂沿着微织构单元5给切削刃起到冷却润滑的作用， 赋予刀具以较好的摩擦磨损性能；而在刀具后刀面3设置平行于切削刃的微织 构，加工时润滑剂存储于微织构单元5中，润滑剂也可沿着微织构单元5给切削 刃起到冷却润滑的作用，但由于微织构单元5和切削刃的位置关系一定程度上阻 碍了润滑剂的流动，相对于垂直于切削刃的微织构，其对刀具摩擦磨损性能的改 善受到制约。
实施例二
本实施例为本发明的深度梯度变化微织构涂层刀具的制备方法的实施例，包 括以下步骤：
S10.将硬质合金刀粒放置于酒精和丙酮中各超声10min～30min；
S20.在硬质合金刀粒的后刀面3加工多组如前的微织构单元5；
S30.采用PVD镀膜机在微织构单元5表面沉积硬质涂层。
在一个实施例中，微织构的加工采用飞秒激光器加工。采用飞秒激光器技术 可实现非接触冷加工，减少刀具的热损伤和氧化层的生成，减少刀具基体的破坏 以及刀具表面的不完整性，且在加工微织构时，只需调整好激光的参数，改变加 工次数，就可以实现在后刀面3成倍数制备微织构，高效省时且加工质量好。
在一个实施例中，硬质涂层选自TiC涂层、TiN涂层、Al2O3涂层中的一种。 在微织构的表面喷镀硬质涂层，减少刀具加工导致的磨损，延长刀具的使用寿命。 但需要说明的是，硬质涂层并不限于上述列举材料，本实施例还可采用AlCrN 涂层、TiAlN涂层、TiN涂层等可起到耐磨作用的涂层作为硬质涂层。
经过以上步骤，在后刀面3上加工实施例一的微织构单元5，加工时可存储 润滑剂，并且润滑剂可沿着微织构单元5给切削刃起到冷却润滑的作用，赋予刀 具较好的涂层结合力和摩擦磨损性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深度梯度变化微织构涂层刀具，包括刀体(1)、直接作用于切削工件(4)加工表面的前刀面(2)以及与所述工件(4)加工表面相对设置的后刀面(3)，所述前刀面(2)、后刀面(3)均设于刀体(1)侧面，所述前刀面(2)与后刀面(3)的交接处设置有切削刃；其特征在于，所述后刀面(3)分布有多组微织构单元(5)，每组微织构单元(5)包括多组凹槽(6)，所述凹槽(6)的深度梯度变化。
2.根据权利要求1所述的深度梯度变化微织构涂层刀具，其特征在于，所述凹槽(6)垂直于切削刃设置，所述凹槽(6)的端部距离切削刃400μm～1000μm。
3.根据权利要求1所述的深度梯度变化微织构涂层刀具，其特征在于，所述凹槽(6)平行于切削刃设置，所述凹槽(6)的侧部距离切削刃400μm～1000μm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的深度梯度变化微织构涂层刀具，其特征在于，各组凹槽(6)的宽度相等，且相邻凹槽(6)之间的间距相等。
5.根据权利要求4所述的深度梯度变化微织构涂层刀具，其特征在于，所述凹槽(6)的宽度为40μm～50μm，所述凹槽(6)深度为1μm～30μm。
6.根据权利要求4所述的深度梯度变化微织构涂层刀具，其特征在于，所述凹槽(6)为线性凹槽(6)且多组凹槽(6)平行设置，相邻凹槽(6)之间的间距为150μm～600μm。
7.根据权利要求4所述的深度梯度变化微织构涂层刀具，其特征在于，所述凹槽(6)的拐角处均设置有圆弧过渡结构。
8.根据权利要求1所述的深度梯度变化微织构涂层刀具，其特征在于，所述微织构单元的表面镀有硬质涂层。
9.一种深度梯度变化微织构涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.将硬质合金刀粒放置于酒精和丙酮中各超声10min～30min；
S20.在硬质合金刀粒的后刀面(3)加工多组如权利要求1至8任一项所述的微织构单元(5)；
S30.采用PVD镀膜机在微织构单元表面沉积硬质涂层。
10.根据权利要求9所述的深度梯度变化微织构涂层刀具的制备方法，其特征在于，步骤S20中，微织构单元的加工采用飞秒激光器加工；步骤S30中，所述硬质涂层选自TiC涂层、TiN涂层、Al2O3涂层中的一种。
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