CN208408566U

CN208408566U - 一种表面跨尺度复合微造型刀具

Info

Publication number: CN208408566U
Application number: CN201721292854.7U
Authority: CN
Inventors: 符永宏; 钟行涛; 李勇军; 王浩; 康正阳; 黄婷; 李海波
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2019-01-22
Anticipated expiration: 2027-10-09

Abstract

本实用新型为一种表面跨尺度复合微造型刀具，属于机械制造技术领域，在刀具材料表面进行凹腔形貌的微造型处理，以及在硬质涂层表面摩擦磨损敏感区域加工出微米级的凹腔和纳米级的沟槽，采取槽连通腔的组合方式分布，得到一种跨尺度复合微造型涂层刀具。此举不仅增强涂层刀具的膜‑基结合强度，且提高了涂层刀具表面的润湿性能和润滑性能。

Description

一种表面跨尺度复合微造型刀具

技术领域

本实用新型属于机械制造技术领域，特别是涉及一种表面涂层跨尺度复合微造型刀具。

背景技术

在机械制造领域，由于刀具在加工过程中存在摩擦磨损，故采用涂覆涂层的方式来缓解该问题，涂层作为一个化学屏障和热屏障，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。

为防止涂层脱落，增强其抗脱粘效果，在基体表面加工出均匀分布为微织构阵列，既扩大了涂层与基体之间的接触面积，增大涂层在基体表面的滑行阻力，同时两种材料之间形成互相“咬合”的几何形态，以上两种效果协同作用，增强了涂层与基体之间的结合强度和基体表面的耐磨性。

激光表面织构技术是利用短脉冲激光照射材料表面，通过气化烧蚀作用去除材料，加工出几何形貌各异的表面微观构造。由于激光加工可控性高，热变形小且不易受干扰，因此，通过该技术制备的表面微织构精度高，形貌一致性好，易在加工表面实现均匀分布。通过该技术加工出来的微米级凹腔在润滑状态下可以充当润滑剂和磨屑的收集器；纳米级沟槽与凹腔相连，基于毛细现象，可以充当润滑剂的导流管，在摩擦副相对运动过程中使其更均匀地分布在内表面，提升润滑效果，减小磨损。

中国专利（申请号CN200910154418.7）公布了“一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构”，它是在机械密封动环或静环的端面加工出毫米级的深槽和微米级的微孔，端面上的微孔可以增强液体的动压效果和节流效果，槽区内的微孔还可以增强液体的泵汲效果，起到改善密封润滑，提高流体膜刚度的作用。该专利织构尺度偏大，在密封环端面油膜厚度较薄，难以形成有效的动压润滑效应。中国专利（申请号CN201611129177.7）公布了“一种混合型表面织构刀具”，它在刀具前刀面分为织构区和未织构区，织构区设置圆/方形凹坑与微沟槽三种混合织构，来提高前刀面的润滑速度，避免边界润滑。该专利一定程度上起到延展润滑膜的作用，但由于三类织构处于互相分离的状态，润滑剂很难做到互相补充，容易导致分配不均，影响减摩效果。机械制造54卷第622期文献公布了《刀具表面微织构设计和切削仿真分析》，它在普通刀具表面加工出线性的微凹坑-微凹槽组合织构，仿真切削结果表明切削力降低，切屑卷曲增大，锯齿切削问题得到缓解，但并非涂层刀具，未验证涂层技术与组合织构的集成增益效果，且沟槽采用微米级，根据毛细管理论，引流、导流、润滑效果都要要比纳米级要弱。

为增强硬质涂层刀具表面的减摩耐磨性能，延长涂层刀具的使用寿命，本实用新型采用激光微织构技术在涂层刀具基体表面加工微米级凹腔，以及在硬质涂层表面摩擦磨损敏感区域加工出微米级的凹腔和纳米级的沟槽，采取槽连通腔的组合方式分布，得到一种跨尺度复合微造型涂层刀具。此举不仅增强膜-基结合强度，且提高了涂层刀具表面的润湿性能和润滑性能。

发明内容

本实用新型主要针对涂层刀具膜基结合性能和表面润滑性能的不足，提出了一种表面涂层跨尺度复合微造型刀具。采用基体表面织构增大膜基结合面积，提高膜基结合力，涂层表面组合织构提高切削时前刀面的润湿性，这种涂层刀具既具有涂层的隔热、稳定和高耐磨性，又兼备不同尺度微造型表面带来的良好的储屑润滑效果，有效降低切削力和切削温度，延长涂层的磨损周期和涂层刀具的使用寿命。

为实现上述目标，可以通过以下方案解决各项技术问题：

一种表面跨尺度复合微造型刀具，包括刀具材料、涂层，刀具材料表面设有微造型形貌，刀具材料与涂层结合，涂层表面设有复合微造型形貌。所述微造型为凹腔形貌，所述复合微造型包括凹腔、凸起、凹凸复合和沟槽中两种或以上的混合；所述微造型、复合微造型的间距、表面边沿距均大于特征形貌直径。所述微造型为刀具材料表面阵列分布有的微米级凹腔，复合微造型为在涂层表面阵列分布有微米级凹腔、纳米级直线形沟槽与纳米级弧形沟槽，且微米级凹腔中心、纳米级直线形沟槽沿槽向对称线靠刀尖处末端点以及纳米级弧形沟槽尾端中心位于同一条直线上。

所述刀具材料表面微米级凹腔为直径d₁=50~500μm，深度h₁=5~20μm，间距L₁=550~1000μm，间距L₂=550~1000μm，面积占有率为S₁=2%~50%；所述涂层表面纳米级直线沟槽为长度a₁=500~2000μm，宽度b₁=50~900nm，深度h₂=30~500nm；所述涂层表面微米级凹腔直径d₂=50~500μm，深度h₃=5~20μm，间距L₃=200~500μm，间距L₄=200~500μm，面积占有率S₂=2%~30%；所述纳米级弧形沟槽为圆心角度数n=90°~180°，半径r₁=10~1000μm，半径r₂=10~1000μm，半径r₃=10~1000μm，宽度b₂=50~900nm，面积占有率S₃=2~20%。

所述微造型、复合微造型的间距大于微造型或复合微造型直径是指特征形貌几何中心间或对称线间的距离大于特征形貌几何中心或对称线到该微造型或复合微造型所占区域的最大边缘轮廓间的距离；表面边沿距大于微造型或复合微造型直径是指微造型或复合微造型几何中心或对称线到其所在表面边沿轮廓的距离大于微造型或复合微造型几何中心或对称线到该微造型或复合微造型所占区域的最大边缘轮廓间的距离。

所述刀具材料（1）为高速刚、硬质合金、陶瓷、CBN、金刚石等材料之一，所述涂层（2）材料为Al₂O₃、TiC、TiCN、CrN、ZrN、C3N4或TiAlN涂层之一。

所述涂层厚度为25~2000μm，且最小涂层厚度大于最大织构深度。

一种表面跨尺度复合微造型刀具及制备方法，在对刀具材料涂覆前，微造型处理刀具材料表面，在对涂层涂覆后，复合微造型处理涂层表面。具体包括以下步骤：

1）将刀具前刀面抛光至Ra＜0.01的镜面，表面去油污处理，清洗并干燥充分；

2）在刀具表面前刀面指定区域加工出分布均匀的微凹腔织构形貌，形成织构化刀具表面；

3）在织构化刀具表面沉积涂层；

4）在涂层表面指定区域加工出微米级凹腔及纳米级沟槽形貌，形成织构化涂层表面。

通过激光加工微米级凹腔，采用的激光器为Nd：YAG固体激光器，脉冲宽度100~2000μm，抽运电压100~500V，脉冲频率1~100Hz，离焦量 0mm，扫描速率2.0~50mm/s；所述纳米级沟槽采用飞秒激光器加工，工作介质为钛宝石，激光波长800nm，单脉冲最大能量为1mJ，脉冲宽度为120fs。

所述复合微造型处理为电化学加工、反应离子蚀刻技术、电火花加工、光化学腐蚀加工或激光微织构加工中的一种或几种的混合加工。

所述涂层采用的涂层工艺为物理气相沉积、化学气相沉积或阴极弧物理蒸发方法的一种。

一种表面跨尺度复合微造型刀具，所述凹腔间距为凹腔最大边缘轮廓形状几何中心之间的距离，所述面积占有率为相邻四个织构形貌几何中心构成的四边形中所包括的同种形貌织构总面积与四边形面积的比值。

本实用新型的突出优势在于：在刀具材料表面加工出阵列的微凹腔造型，增大了刀具材料与涂层之间的咬合面积，形成峰谷相交的贴合面，有助于防止涂层剥落，增强了膜基结合强度，从而提高了耐磨性。在涂层表面加工出直线型和弧线形纳米级沟槽贯穿于微米级凹腔中心的组合织构，微米级沟槽发挥储液集屑的作用，纳米级织构有利于润滑介质的在织构中的流动，易于被切屑拖覆至刀具表面，从而增强了涂层表面的持续润湿性。

附图说明

图1为跨尺度复合微造型涂层刀具的示意图。

图2为涂层刀具材料表面的几何形貌特征俯视图。

图3为涂层刀具材料表面的几何形貌特征剖面图。

图4为涂层刀具涂层表面的几何形貌特征俯视图。

图中：d₁为刀具材料表面微米级凹腔直径、h₁为刀具材料表面微米级凹腔深度、L₁为刀具材料表面微米级凹腔中心与切削刃走向平行排列的间距、L₂为刀具材料表面微米级凹腔中心与切削刃走向垂直排列的间距、a₁为涂层表面纳米级直线沟槽长度、b₁为涂层表面纳米级直线沟槽宽度、b₂为涂层表面纳米级弧形沟槽宽度、h₂为纳米级直线沟槽与弧线沟槽深度、h₃为涂层表面微米级凹腔深度、n为涂层表面纳米级弧形沟槽圆心角度数、r₁、r₂、r₃为涂层表面三组纳米级弧形沟槽半径、d₂为涂层表面微米级凹腔直径、L₃涂层表面微米级凹腔中心沿阵列数较长方向的间距、L₄为涂层表面微米级凹腔中心沿阵列数较短方向的间距和纳米级直线沟槽间距。

具体实施方式

结合附图以下给出一个较佳的实施案例，使得本实用新型的特征与优势更易被本领域技术人员理解。并非因此限制本实用新型的专利范围。凡利用本实用新型说明书及附图内容中方法原理和技术手段作模拟或还原在其他场合或相关领域中，皆属于本实用新型的专利保护范围之列。

一种表面跨尺度复合微造型刀具，由刀具材料、织构化刀具材料表面、涂层、织构化涂层表面构成。其中涂层沉积在织构化刀具材料表面上。

如附图1所示，织构化涂层表面分布着两种尺度的复合微造型，包括微米级的凹腔和纳米级的直线沟槽、纳米级的弧线沟槽，纳米级直线形沟槽沿槽向对称线靠刀尖末端点以及纳米级弧形沟槽尾端中心位于同一条直线上。

如附图2所示，沿靠涂层下沿一半纳米级直线形沟槽与弧线沟槽槽向对称线剖切涂层获得织构化涂层表面上微米级凹腔与纳米级直线形、弧线形沟槽的剖视图。

如附图3所示，织构化刀具材料表面分布着一种微造型，包括微米级的凹腔，呈阵列分布。

如附图4所示，沿凹腔阵列与切削刃平行走向的的其中一行的凹腔中心连线进行剖切刀具材料获得织构化刀具材料表面上微米级凹腔的剖视图。

结合附图，本实用新型实施案例包括：

实施例，一种表面跨尺度复合微造型刀具，刀具材料为YG6X硬质合金，涂层为TiAlN硬质涂层，涂层方式为阴极弧物理蒸发。具体步骤为：

（1）前处理：将刀具基体材料前刀面抛光至Ra＜0.01的镜面，依次放入氢氧化钠60g/L、碳酸钠75g/L的水溶液中，超声清洗20min，清洗温度为45℃，去除表面油污及汗渍，干燥充分；

（2）激光加工织构化刀具材料表面：采用Nd：YAG脉冲激光器对刀具材料表面进行织构化处理，将刀具装夹在工作台上，调整激光器在刀具前刀面距离主切削刃100μm处，由刃外向刃内加工出行列数为10x10的阵列微凹腔织构形貌，微凹腔直径为d₁=100μm，深度为h₁=10μm，刀具材料表面微米级凹腔中心与切削刃走向平行排列的间距为L₁=600μm，刀具材料表面微米级凹腔中心与切削刃走向垂直排列的间距为L₂=600μm，面积占有率为S₁=15%，形成织构化刀具材料表面；

（3）镀硬质涂层前处理：将加工出织构化基体表面的刀具放入氢氧化钠75g/L、碳酸钠60g/L的水溶液中，超声清洗15min,清洗温度为50℃，去除表面加工残渣及粉尘，干燥充分后迅速放入已抽至8x10-3Pa本底真空度的镀膜室，烘烤至450℃，保温35min；

（4）离子清洗：通Ar气，其压力为1.2Pa,开启偏压电源，电压为750V，占空比0.2，开启离子源清洗20min，开启电弧源，偏压500V，靶电流60A，离子轰击Ti0.5min；

（5）沉积TiAlN：调整工作气压至0.5pa，偏压降低至200V，蒸发电流为70A，沉积温度为450℃，电弧镀TiAlN 30min，冷却至室温后出炉；

（6）镀硬质涂层后处理：关闭TiAlN靶源，开启离子源轰击5~10min。关闭各项控制电源、离子源及气体源，硬质涂层涂覆结束；

（7）激光加工织构化涂层表面：采用Nd：YAG脉冲激光器在硬质涂层表面进行织构化处理，将涂层刀具装夹在工作台上，调整激光器在硬质涂层表面离主切削刃和副切削刃各100μm、且开始加工点均距离刀尖50μm的两个区域，由刃外向刃里加工出与两刃各自平行的3列10个/列的微凹腔，微凹腔直径为d₂=100μm，深度为h₃=10μm，微凹腔中心沿阵列数较长方向的间距为L₃=200μm，微凹腔中心沿阵列数较短方向的间距为L₄=200μm，面积占有率为10%；采用飞秒激光器将离刀尖最近的两个微凹腔中心作为起点，沿微凹腔加工路径加工出长度为a₁=1800μm，宽度为b₁=200nm，深度为h₂=50nm，间距为L₄=200μm，面积占有率为S₂=5%的直线型纳米级沟槽；采用飞秒激光器将离刀尖由近到远的2组3列的靠近刀尖两个微凹腔中心分别作为起点或终点，加工出3条圆心角度数为n=120°，圆弧半径分别为r₁=50μm、r₂=100μm、r₃=150μm，宽度为b₂=200nm，面积占有率为S₃=5%的圆弧形纳米级沟槽。

Claims

1.一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，包括刀具材料、涂层，刀具材料表面设有微造型形貌，刀具材料与涂层结合，涂层表面设有复合微造型形貌。

2.根据权利要求1所述的一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，所述微造型为凹腔形貌，所述复合微造型包括凹腔、凸起、凹凸复合和沟槽中两种或以上的混合；所述微造型、复合微造型的间距、表面边沿距均大于特征形貌直径。

3.根据权利要求1或2所述的一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，所述微造型为刀具材料表面阵列分布有微米级凹腔，复合微造型为在涂层表面阵列分布有微米级凹腔、纳米级直线形沟槽与纳米级弧形沟槽。

4.根据权利要求3所述的一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，涂层表面的微米级凹腔中心、纳米级直线形沟槽沿槽向对称线靠刀尖处末端点以及纳米级弧形沟槽尾端中心位于同一条直线上。

5.根据权利要求3所述的一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，所述刀具材料表面阵列分布的微米级凹腔为直径d₁=50~500μm，深度h₁=5~20μm，凹腔中心与切削刃走向平行排列的间距L₁=550~1000μm，凹腔中心与切削刃走向垂直排列的间距L₂=550~1000μm，面积占有率为S₁=2%~50%；所述涂层表面的微米级凹腔直径d₂=50~500μm，深度h₃=5~20μm，凹腔中心沿阵列数较长方向的间距L₃=200~500μm，凹腔中心沿阵列数较长方向的间距L₄=200~500μm，纳米级直线沟槽为长度a₁=500~2000μm，宽度b₁=50~900nm，深度h₂=30~500nm，面积占有率S₂=2%~30%；所述纳米级弧形沟槽为圆心角度数n=90°~180°，半径r₁=10~1000μm，半径r₂=10~1000μm，半径r₃=10~1000μm，宽度b₂=50~900nm，面积占有率S₃=2~20%。

6.根据权利要求3所述的一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，所述微造型、复合微造型的间距大于微造型或复合微造型直径是指特征形貌几何中心间或对称线间的距离大于特征形貌几何中心或对称线到该微造型或复合微造型所占区域的最大边缘轮廓间的距离；表面边沿距大于微造型或复合微造型直径是指微造型或复合微造型几何中心或对称线到其所在表面边沿轮廓的距离大于微造型或复合微造型几何中心或对称线到该微造型或复合微造型所占区域的最大边缘轮廓间的距离。

7.根据权利要求1或2所述的一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，所述刀具材料为高速刚、硬质合金、陶瓷、CBN、金刚石等材料之一，所述涂层材料为Al₂O₃、TiC、TiCN、CrN、ZrN、C₃N₄或TiAlN涂层之一。

8.根据权利要求7所述的一种表面跨尺度复合微造型刀具，其特征在于，所述涂层厚度为25~2000μm，且最小涂层厚度大于最大织构深度。