FR2801234A1 - Pretreatment of cutting blades for tungsten carbide cutting tools to be diamond coated by chemical vapour deposition (CVD) - Google Patents
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Abstract
Description
OUTILS DE COUPE AVEC REVETEMENT DIAMANT CVD POUR L'USINAGE SUR MACHINES-OUTILS La présente invention concerne un pré-traitement des arêtes de coupe des outils en carbure de tungstène monobloc avant leur revêtement d'une couche de diamant par procédé CVD (Chimique Vapeur Déposition) et après revêtement diamant, la réalisation d'un chanfrein sur les arêtes de coupe revêtues de diamant CVD pour améliorer leur acuité. The present invention relates to a pretreatment of cutting edges of monobloc tungsten carbide tools before coating them with a diamond layer by CVD (Chemical Vapor Deposition) method. ) and after diamond coating, making a chamfer on the cutting edges coated with CVD diamond to improve their sharpness.
Ces outils sont utilisés sur machines outils, tours, perceuse fraiseuses, aléseuses, ou centre d'usinage. These tools are used on machine tools, lathes, drill milling machines, boring machines, or machining center.
Le pré-traitement est réalisé sur les parties coupantes des outils qui sont les intersections entre les faces de coupe et les dépouilles sur les deux faces, ou sur une des deux faces sur des largeurs qui varient de 0,2 à 0,5 mm par rapport au bord des arêtes de coupe. The pre-treatment is carried out on the cutting parts of the tools which are the intersections between the cutting faces and the peelings on the two faces, or on one of the two faces on widths which vary from 0.2 to 0.5 mm by ratio to the edge of the cutting edges.
Les outils peuvent être des plaquettes de coupe amovibles dites : plaquettes à jeter, des outils rotatifs, fraises alésoirs forets ou autre outils de coupe spéciaux. The tools may be removable cutting inserts, such as disposable inserts, rotary tools, drill reamers, or other special cutting tools.
Suivant les outils, le pré-traitement peut être fait sur les faces de coupe et sur les dépouilles ou seulement sur une des 2 faces, face ou dépouille. Depending on the tools, the pre-treatment can be done on the cutting faces and on the remains or only on one of the 2 faces, face or draft.
Les outils traditionnels revêtus diamant par procédé CVD ne possèdent pas ce type de pré-traitement. Conventional diamond-coated CVD tools do not have this type of pre-treatment.
Le traitement actuel avant revêtement CVD,peut être réalisé par attaque chimique du cobalt contenu dans le carbure de tungstène, de manière à créer des micro-porosités sur les faces et les dépouilles. Ce traitement permet l'accrochage du revêtement diamant par procédé CVD. The current treatment before CVD coating, can be achieved by etching the cobalt contained in tungsten carbide, so as to create micro-porosities on the faces and the remains. This treatment allows the cladding of the diamond coating by CVD process.
Le liant cobalt qui relie les grains de tungstène dans le carbure de tungstène est attaqué et détruit par des acides chlorhydriques et fluorhydrique sur une profondeur de 2 à 6 microns . The cobalt binder which connects the tungsten grains in the tungsten carbide is etched and destroyed by hydrochloric and hydrofluoric acids to a depth of 2 to 6 microns.
La profondeur d'élimination du liant cobalt varie suivant la granulométrie du carbure et son pourcentage en cobalt. The depth of removal of the cobalt binder varies according to the grain size of the carbide and its percentage of cobalt.
Des profondeurs d'attaque chimique du cobalt et son élimination sur une profondeur de 2à 3 microns sont réalisés pour les outils destinés aux travaux de finition dont la granulométrie des grains de carbure est de 0,5 à 1 micron. Des profondeurs d'attaque chimique du cobalt sur des profondeurs de 4 à 6 microns sont réalisées sur les outils d'ébauche dont les granulométries sont comprises entre 1 à 3 microns . Cobalt chemical etch depths and removal to a depth of 2 to 3 microns are achieved for finishing tools with a grain size of 0.5 to 1 micron. Chemical etching depths of cobalt at depths of 4 to 6 microns are performed on roughing tools with particle sizes ranging from 1 to 3 microns.
Le pourcentage en cobalt du carbure doit être inférieur à 10% dans tous les cas. Le pourcentage de 4% est un pourcentage optimum pour la réalisation de revêtement diamant par procédé CVD Les volumes libérés lors de l'élimination du cobalt après traitement chimique sont très faibles. Ils ne permettent pas un accrochage important du revêtement diamant sur les parties coupantes de l'outil. Les outils actuels ainsi revêtus sont limités à l'usinage de matériaux à faible effort de coupe : graphite carbone et matériaux composites. La pré-traitement, suivant l'invention ,permet d'améliorer l'adhérence du revêtement diamant sur les outils. Après ce pré- traitement et après revêtement diamant CVD, les outils peuvent être utilisés à grande vitesse pour usiner des matériaux dans lesquels les efforts et les échauffements de coupe sont importants. La planche de dessins annexés référence 1I1, illustre l'invention. Les figures la, lb, 1c, et 1d représentent différents types d'outils, les figures 2a, et 2b les différentes formes et alignements des alvéoles et les figures 3a et 3b, la structure des alvéoles et l'accrochage du revêtement diamant dans les alvéoles. Ce pré-traitement avant revêtement peut être réalisé sur des outils avec arêtes de coupe ( 4 ) droites : plaquettes de tournage et de fraisage, hélicoïdales: forets fraises, circulaires fraises ou plaquettes hémisphériques ou de formes et géométries spéciales. Selon des modes particuliers de réalisation, le pré-traitement peut être réalisé par laser, bombardement électronique ou par tout autre moyen capable de réaliser des alvéoles le long des arêtes de coupe des outils. Dans le cas d'un pré-traitement par usinage laser yag un système avec une puissance de<B>100</B> watts peut-être utilisé. The percentage of cobalt in the carbide must be less than 10% in all cases. The percentage of 4% is an optimum percentage for the realization of diamond coating by CVD process The volumes released during the removal of cobalt after chemical treatment are very low. They do not allow a significant attachment of the diamond coating on the cutting parts of the tool. The current tools thus coated are limited to the machining of low-cutting materials: carbon graphite and composite materials. The pre-treatment according to the invention makes it possible to improve the adhesion of the diamond coating to the tools. After this pre-treatment and after CVD diamond coating, the tools can be used at high speed for machining materials in which the forces and cutting heat are important. The attached drawing sheet reference 1I1, illustrates the invention. FIGS. 1a, 1b, 1c and 1d represent different types of tools, FIGS. 2a and 2b show the different shapes and alignments of the cells and FIGS. 3a and 3b show the structure of the cells and the attachment of the diamond coating in the alveoli. This pretreatment before coating can be carried out on tools with straight cutting edges (4): turning and milling cutters, helical: milling cutters, circular milling cutters or hemispherical plates or special shapes and geometries. According to particular embodiments, the pre-treatment may be performed by laser, electron bombardment or by any other means capable of producing cells along the cutting edges of the tools. In the case of pre-treatment by yag laser machining a system with a power of <B> 100 </ B> watts can be used.
Les impulsions de 5 ns sont envoyées pour créer des impacts distants de 5 à 40 microns avec une profondeur d'impact qui peut varier de 2 à 30 microns.Avec une vitesse de déplacement de 20 à 100 mm/s; les impacts laser créent des alvéoles le long des arêtes de coupe de l'outil ( 4 ). En fonction du temps de l'impact du rayon laser et de sa vitesse de déplacement, les alvéoles peuvent avoir des formes sphériques (7) ou des formes oblongues ( 8 ) . Les diamètres des alvéoles sphériques se situent suivant les application, entre 10 et 30 microns et les dimensions des formes oblongues entre 10 et 30 microns de large et 20 à 50 microns de longueur pour des profondeurs d'alvéoles qui mesurent entre 2 et 30 microns. The pulses of 5 ns are sent to create impacts ranging from 5 to 40 microns with an impact depth that can vary from 2 to 30 microns.With a movement speed of 20 to 100 mm / s; the laser impacts create cavities along the cutting edges of the tool (4). Depending on the time of the impact of the laser beam and its speed of displacement, the cells may have spherical shapes (7) or oblong shapes (8). The diameters of the spherical cells are, depending on the application, between 10 and 30 microns and the dimensions of the oblong shapes between 10 and 30 microns wide and 20 to 50 microns in length for cell depths of between 2 and 30 microns.
Le choix de la forme des alvéoles est fonction du degrés d'accrochage du revêtement que l'on veut réaliser et de la qualité des arêtes de coupe ( 4 ) recherchée. The choice of the shape of the cells is a function of the degree of attachment of the coating that is to be achieved and the quality of the cutting edges (4) sought.
Formes sphériques (7 ) Diamètre 2 à 30 microns avec profondeur (10 ) des alvéoles entre 2 et _5 microns pour les outils devant avoir des qualités d'arêtes de coupe( 4 ) très fines, et formes oblongues ( 8 ) largeurs entre 2 et 20 microns et longueurs entres et 60 microns avec profondeurs entre 5 et 30 microns pour les outils destinés aux travaux d'ébauche en particulier pour le fraisage des aluminiums chargés de plus de 10 % de silicium. Spherical Shapes (7) Diameter 2 to 30 microns with depth (10) of cells between 2 and 5 microns for tools having very fine cutting edge qualities (4), and oblong shapes (8) widths between 2 and 5 20 microns and lengths between and 60 microns with depths between 5 and 30 microns for tools intended for roughing work, particularly for milling aluminum loaded with more than 10% silicon.
Les largeurs (3) des zones traitées sur les faces de coupe (2) et sur les dépouilles(1) des outils, ou sur l'une des deux faces, mesurent entre 0,2 à 0,5 mm par rapport au bord des arêtes de coupe ( 4 ) de l'outil pour des profondeurs d'alvéoles qui varient entre 2 et 30 microns. The widths (3) of the treated areas on the cutting faces (2) and on the remains (1) of the tools, or on one of the two faces, are between 0.2 and 0.5 mm with respect to the edge of the cutting edges (4) of the tool for cell depths that vary between 2 and 30 microns.
Les alignements ou les inclinaisons des rangées d'alvéoles par rapport aux arêtes de coupe (4) pourront varier en fonction de l'application de l'outil. Alignments or inclinations of the rows of cells relative to the cutting edges (4) may vary depending on the application of the tool.
Pour certains outils tels que les alésoirs et les fraises en carbure, les alignements (16) seront parallèles aux arêtes du diamètre extérieur de l'outil. Pour les plaquettes de fraisage les inclinaisons des alignements ( 9) des alvéoles pourront varier de plus ou moins 45 par rapport aux arêtes de coupe (4 ) des plaquettes. For some tools such as reamers and carbide burs, the alignments (16) will be parallel to the outer diameter edges of the tool. For the milling inserts the inclinations of the alignments (9) of the cells may vary by more or less 45 with respect to the cutting edges (4) of the inserts.
Les zones traitées, face en dépouille ( 1 ) et face de coupe ( 2 ) ou l'une de ces deux faces se rejoint ou se rejoignent , lorsque les deux faces sont traitées, sur l'arête de coupe ( 4 ). The treated areas, flank face (1) and cutting face (2) or one of these two faces meets or joins, when both sides are treated, on the cutting edge (4).
Après le pré-traitement, les outils sont micro-sablés avec des abrasifs grosseur 0,02 à 0,05 mm pour éliminer les scories dues au travail du laser ou du bombardement électronique. After the pre-treatment, the tools are micro-sanded with 0.02 to 0.05 mm abrasives to remove slags due to laser work or electronic bombardment.
Après cette phase de nettoyage, les outils subissent un traitement chimique aux acides chlorhydrique et fluorhydrique pour éliminer toute trace du liant cobalt sur la surface des alvéoles et à leur périphérie. After this cleaning phase, the tools undergo a chemical treatment with hydrochloric and hydrofluoric acids to remove all traces of the cobalt binder on the surface of the cells and on their periphery.
La durée de ce traitement chimique à l'acide est fonction des profondeurs des porosités que l'on souhaite obtenir dans les alvéoles, <B>et des nuances des matériaux à traiter</B> ;<B>la durée totale du traitement</B> <B>peut varier de 40 s à 2 mn par outil.</B> The duration of this acidic chemical treatment is a function of the depths of the pores that it is desired to obtain in the cells, <B> and shades of the materials to be treated </ B> <B> the total duration of the treatment < / B> <B> can vary from 40s to 2mn per tool. </ B>
<B>Après traitement chimique les outils sont rincés avec de l' eau</B> désionisée, séchés <B>et étuvés avant revêtement diamant</B> CVD. <B> After chemical treatment the tools are rinsed with deionized water, dried and baked before diamond coating CVD.
<B>Les alvéoles (7</B> )<B>ou</B> (<B>8</B> )<B>ainsi traitées ont leur surface tapissées</B> <B>de micro-porosités</B> (<B>15</B> )<B>dues à l'élimination du cobalt sur leur</B> <B>surface intérieure.</B> <B> The alveoli (7 </ B>) <B> or </ B> (<B> 8 </ B>) <B> thus treated have their surface lined with micro-porosities (<B> 15 </ B>) <B> due to cobalt removal on their <B> <B> inner surface. </ B>
<B>Ce traitement chimique augmente la surface et les points</B> <B>d'accrochage du revêtement diamant</B> (<B>5</B> )<B>dans les porosités (15) des</B> <B>alvéoles et en même temps crée d'autres porosités autour des zones</B> <B>qui ont reçu le pré-traitement.</B> Les <B>alvéoles et les porosités sont ensuite comblées par le</B> <B>diamant</B> (<B>5) au moment du revêtement.</B> <B> This chemical treatment increases diamond coating surface area and bonding <B> <B> <B> <B> spots in pores (15) < Cells and at the same time creates other porosities around areas that have received pre-treatment. <B> The alveoli and porosities are then filled by the <B> diamond </ B> (<B> 5) at the time of coating. </ B>
<B>L'épaisseur du revêtement diamant par procédé</B> CVD <B>peut</B> <B>varier de 2 microns à environ 30 microns.</B> <B> The thickness of the diamond coating by CVD <B> process can vary from 2 microns to about 30 microns. </ B>
<B>Cette épaisseur est variable suivant les dimensions des alvéoles,</B> <B>des nuances des matériaux</B> traités, <B>des matières à usiner ainsi que du</B> <B>type d'usinage.</B> <B> This thickness is variable according to the dimensions of the cells, <B> of the grades of materials </ B> processed, <B> of the materials to be machined as well as the <B> type of </ b> machining. </ B>
<B>Les grosses alvéoles, diamètre 10 à 20 microns et profondeur de</B> <B>10 à 20 microns et épaisseur du revêtement de 20 à 30 microns sont</B> réservées <B>pour les travaux d'ébauche dans les aluminiums très</B> <B>chargés en silicium.</B> <B> Large cells, diameter 10 to 20 microns and depth </ B> <B> 10 to 20 microns and coating thickness 20 to 30 microns are <B> reserved <B> for roughing in very silicon-filled aluminum. </ B>
<B>Les épaisseurs de revêtement de 2 à 6 microns sont réservées</B> <B>pour les travaux qui</B> nécessitent <B>une bonne acuité des arêtes de coupe</B> <B>(4).</B> <B> Coating thicknesses of 2 to 6 microns are reserved </ B> <B> for jobs that require <B> good edge sharpness </ B> <B> (4) . </ B>
<B>Pendant</B> l'opération <B>de revêtement</B> CVD, <B>le diamant</B> (<B>5</B> )<B>va</B> <B>croître dans les alvéoles</B> (<B>7</B> )<B>ou</B> (<B>8</B> )<B>et en même temps s'incruster</B> <B>dans les porosités (15) créées par</B> l'attaque <B>chimique à l'intérieur des</B> <B>alvéoles</B> (<B>7) ou</B> (<B>8) et à leur périphérie.</B> <B> During the <B> Coating operation </ B> CVD, <B> Diamond </ B> <B> <B> goes </ B> < B> grow in alveoli </ B> (<B> 7 </ B>) <B> or (<B> 8 </ B>) <B> and at the same time become embedded </ B> <B> in the porosities (15) created by </ B> the <B> chemical attack inside the </ B> <B> </ B> cells </ B> (<B> 7) or </ B> (<B> 8) and on their periphery. </ B>
<B>Au moment de</B> l'utilisation <B>des outils les</B> efforts <B>de coupe seront</B> répartis <B>sur toutes les surfaces des alvéoles</B> situées <B>sur les arêtes de</B> <B>coupe. Le revêtement est accroché mécaniquement sur une plus</B> <B>grande surface avec des points d'appuis positifs dans les alvéoles et les</B> <B>porosités et de ce fait, n'a pas tendance à se</B> décoller <B>comme il le fait</B> <B>quand les surfaces (1) et (2) ne sont pas pré-traitées.</B> <B> When <B> tools are used <B> cutting <B> efforts will </ B> be spread <B> across all cell surfaces </ B> located < B> on the edges of <B> <B> cut. The coating is mechanically hooked to a larger surface area with positive bearing points in the cells and pores and therefore does not tend to be <50> / B> take off <B> as it does </ B> <B> when surfaces (1) and (2) are not pre-processed. </ B>
<B>Pour les</B> plaquettes <B>d'ébauche de tournage et de fraisage, avant</B> <B>revêtement, et avant le</B> pré-traitement <B>et</B> l'attaque <B>chimique du</B> <B>cobalt, pour augmenter la résistance des arêtes de coupe</B> (<B>4</B> ),<B>un</B> <B>chanfrein</B> (<B>18</B> )<B>de</B> 0,05mm <B>avec un angle négatif de 20 est réalisé</B> <B>dans le sens</B> longitudinal des <B>arêtes de coupe.</B> <B> For <B> milling and milling blanks, <B> <B> coating, and before <B> pre-processing and </ B> the <B> chemical attack of <B> <B> cobalt, to increase the resistance of the cutting edges </ B> <B> <B> <B> one <B> one <B> one </ B> <B > chamfer </ B> <B> <B> of <0.05mm <B> with a negative angle of 20 is achieved </ B> <B> in the direction </ B> Longitudinal <B> cutting edges. </ B>
<B>Après revêtement pour augmenter l'acuité des arêtes de coupe</B> <B>(4</B> )<B>et pour supprimer l'arrondi des arêtes de coupe qui se forme au-</B> cours du revêtement CVD, un léger chanfrein (14) dont la largeur varie de 0,05 mm à 10 à O,lmm à 20 est rectifié dans le sens longitudinal ou transversal. Ce chanfrein permet d'obtenir une arête de coupe (17) parfaitement tranchante. <B> After coating to increase the sharpness of the cutting edges <B> <B> (4 </ B>) <B> and to eliminate the roundness of the cutting edges that form at - </ b> During the course of the CVD coating, a slight chamfer (14) whose width varies from 0.05 mm to 10 to 0.1 mm to 20 is rectified longitudinally or transversely. This chamfer allows to obtain a cutting edge (17) perfectly sharp.
Le pré-traitement suivant l'invention et la rectification des arêtes de coupe après revêtement diamant CVD, permet la réalisation d'outils, destinés à usiner les aluminiums, les graphites, les carbones, les composites et la majorité des matériaux non ferreux : cuivre, laiton, bronze etc ... The pre-treatment according to the invention and the grinding of the cutting edges after diamond coating CVD, allows the realization of tools for machining aluminum, graphite, carbon, composites and the majority of non-ferrous materials: copper , brass, bronze etc ...
A titre d'exemple, des plaquettes de fraisage pour l'usinage des aluminiums chargés de plus de 12 % de silicium ont été pré-traitées avec des porosités oblongues de 30 microns de long, 10 microns de large, 20 microns de profondeur et des angles d'inclinaison d'alvéoles de plus ou moins 45 par rapport à la longueur de l'arête de coupe (4). Un chanfrein de protection ( 14) de 0,05mm à 20 a été rectifié après revêtement pour augmenter la résistance et l'acuité de l'arête de coupe ( 4) Le revêtement diamant à été réalisé avec une épaisseur de 20 microns. For example, milling inserts for machining aluminum loaded with more than 12% silicon have been pre-treated with oblong porosities of 30 microns in length, 10 microns in width, 20 microns in depth, and tilt angles of plus or minus 45 relative to the length of the cutting edge (4). A protective chamfer (14) of 0.05mm to 20 was rectified after coating to increase the strength and sharpness of the cutting edge (4). The diamond coating was made with a thickness of 20 microns.
Les performances<B>ont</B> été supérieures de plus de 60 % par rapport à des plaquettes revêtues sans pré-traitement et sans chanfrein sur les arêtes de coupe. Performance <B> was> 60% better than coated wafers without pre-processing and without chamfering on the cutting edges.
Après 120 heures d'usinage l'usure en dépouille était de l'ordre de 0,15 mm contre 0,25 mm pour les plaquettes sans pré-traitement. After 120 hours of machining the flank wear was of the order of 0.15 mm against 0.25 mm for platelets without pre-treatment.
Le pré, traitement suivant l'invention est particulièrement destiné aux outils avec revêtement diamant par procédé CVD pour usinage sur machines-outils. The pre-treatment according to the invention is particularly intended for tools with CVD diamond coating for machining on machine tools.
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