金刚石涂层刀具与制备方法及其在石墨高速加工中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及机械加工领域，具体为一种金刚石涂层刀具、其制备方法及其在石墨 高速加工中的应用。
【背景技术】
[0002] 各向同性冷等静压石墨具有比普通模压石墨优异的机械物理性能，其颗粒没有择 优取向故强度和导电等能力在各方向上都一致，是当今世界发展最迅速的工业材料之一。 各向同性石墨具有较高的高溫强度、低热膨胀系数、较好的可加工性和良好的热、电导率， 耐高溫性，化学性能稳定，可塑性，抗热震性好等优点。广泛应用于模具抓Μ电火花放电、太 阳能石墨热场、冶金、机械、建筑、电气、电子、航空航天、核工业、有色及贵金属工业、玻璃及 石英工业、半导体及光电子工业化工和环境工程等领域。与铜相比较，石墨电极具有强度 高、热变形和电极消耗小等优点，适合用于具有微细孔、薄壁和翅片等复杂型腔结构的电 极，石墨电极正逐步取代铜电极成为电火花加工用主流。如在美国96% W上的电火花加工 用户选用石墨作电极材料，在其它工业发达国家如日本和瑞±等国家，石墨在电火花加工 用电极材料中也占据主要地位。
[0003] 石墨为典型层状结构脆性材料，材料机械强度差，加工时易崩碎，刀具磨损严重， 为典型难加工材料。常规的车、锐、磨加工只能加工简单形状的石墨零件，无法满足各种复 杂形状电极要求。高速锐削具有加工速度高、切削力小、溫度低W及加工工件表面质量好等 特点，可W用于加工复杂形状的电极，是精密复杂石墨电极的主要加工方法之一。
[0004] 非均质石墨内部存在气孔、裂纹和颗粒边界的组织缺陷等显微缺陷，为一种典型 非金属脆性易碎材料。切削过程中产生微细崩碎粉尘切屑，易粘结堆积在前后刀面和已加 工表面上，对切削刃产生剧烈的摩擦和冲击，导致刀具发生早期破损、快速磨损甚至崩刃失 效，刀具磨损纯化后会导致切削力急剧上升。脆性石墨受切削力冲击时易发生崩角、崩边甚 至脆性断裂而报废现象。刀具磨损不但增加加工成本，而且导致难W保证工件的表面质量 和尺寸精度，通常，刀具占石墨加工总成本的1/3W上。所W降低刀具磨损提高加工效率和 工件质量，成为石墨切削加工亟需解决的问题。
[0005] 石墨切削刀具有硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具、聚晶金刚石刀具等。硬质合金 刀具高速锐削石墨时刀具磨损严重，TiAlN涂层刀具加工石墨时寿命未见明显提高。聚晶金 刚石刀具磨损较小但刀具形状难W满足复杂电极要求。金刚石涂层刀具具有极高的硬度和 耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数及与非铁金属亲和力小等优点。可 W用于加工非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高娃侣合金及其它初性有色金 属材料的精密加工。
[0006] 国外有多篇金刚石涂层刀具的相关报道，但主要是面向陶瓷、印刷线路板、有色金 属及其合金，工程塑料，非金属陶瓷材料，Ah化地板W及SiCp/Al等难加工材料加工，有关研 制金刚石涂层刀具并应用与加工石墨方面的文献报道比较少。如严国祥，沈风雷撰写的《金 刚石涂层刀具及其在纤维复合材料加工中的应用》专利CN 102211218 B，设及一种金刚石 涂层刀具及其用于碳纤维或玻璃纤维等复合材料加工的刀具，该刀具不适合石墨加工。王 涛撰写的《一种金刚石涂层刀具的制备方法及该方法所得金刚石涂层刀具在印刷线路板制 备中的应用》专利CN 103397314 A，发明金刚石涂层刀具在在印刷线路板中的应用。严国祥 撰写的《纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用》专利CN 103770223 A，发 明设及一种纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用。G.P.格拉布等撰写的 《金刚石涂层刀具及其制备方法》专利CN1136292A介绍了金刚石涂层刀片的制备方法，该刀 具并不适合加工复杂形状石墨。张泰撰写的《金刚石涂层刀具对精密细小石墨电极的加工 方法》专利CN201010234411.9设及一种金刚石涂层刀具对精密细小石墨电极的加工方法， 主要是研究了切削工艺参数，并未设及石墨刀具角度优化等内容。
[0007] 目前石墨高速加工时部分企业也选用刀具市场通用型金刚石涂层刀具，由于选用 的金刚石涂层刀具并非专口针对石墨材料高速加工特性而设计的，由于所设计刀具的底刃 前角、后角，周刃前角、后角，和螺旋角角度难W满足石墨材料加工特殊要求。实际使用过程 中出现金刚石涂层刀具高速加工石墨时频繁出现金刚石涂层刀具大部分表面完好，但是在 刀尖或切削刃其它部位已经提前出现磨损、破损现象。涂层刀具角度设计不合理导致加工 的石墨工件精度下降，整支刀具提前报废而产生巨大浪费。目前有关研制石墨高速加工专 用金刚石涂层刀具还在处于试验阶段，在刀具基体材质、刀具角度结果和涂层工艺方面还 不够成熟导致价格昂贵。选择合适石墨加工的刀具材料、刀具结构和角度，提高刀具寿命和 提高石墨机械加工的可加工性，目前相关专利和文献报道甚少。
[0008] 综上所述，目前专口针对石墨高速切削加工而研制金刚石涂层刀具报道甚少，在 石墨加工领域广泛使用的是普通硬质合金刀具，并没有专口针对石墨加工特性而设计的专 用刀具。硬质合金刀具高速锐削石墨时刀具磨损严重，需要及时检查刀具磨损状况和频繁 更换刀具，在大尺寸或精密电极加工方面应用有限，TiAlN涂层刀具加工石墨时寿命未见明 显提高，聚晶金刚石刀具磨损较小，但刀具形状难W满足复杂电极要求。对于石墨刀具而 言，设计合适的几何角度，有助于减少切削冲击和振动，避免加工过程中石墨工件崩碎，同 时刀具角度的选择对切削力、切削振动W及刀具磨损有直接的影响，所W设计出合适的刀 具前角、后角、螺旋角等角度具有重要意义。刀具的优化可实现缩短电极制造周期，提升产 品市场竞争力，对整个石墨制品制造行业有重要影响。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供金刚石涂层刀具、其制备方法和应用，综合考虑刀具磨损、 切削力和振动的影响，通过优化切削刀具的几何角度，提升了刀具整体切削性能。
[0010] 本发明公开了金刚石涂层刀具，包括切削刀尖，刃部及夹持刀柄，夹持刀柄为硬质 合金基体，切削刀尖及刃部在基体材料上涂覆有金刚石涂层，刃部的底刃前角丫 01为2°~ 6°，底刃后角αι为5°~13°，周刃前角丫 02为5°~15°，周刃后角02为10°~14°，螺旋角β为15。 ~45。。
[0011] 进一步地，所述的切削刀尖及刃部的基体材料为碳化鹤硬质合金，其中钻的质量 百分含量不超过6% ;碳化饥或碳化铁或其它混合物比例不高于1 %。
[0012] 进一步地，所述的金刚石涂层的厚度为7~20皿。
[0013] 其中，所述的切削刀尖顺着切削方向上设置有若干粉尘排屑槽。
[0014] 优选地，所述的刃部的底刃前角丫 01为4°，底刃后角αι为9°，周刃前角丫 02为10°， 周刃后角Q2为14°，螺旋角β为30°。
[0015] 优选地，所述的刃部的粗糖度<0.8。
[0016] 本发明还公开了金刚石涂层刀具的制备方法，包括W下步骤：
[0017] S1.选择合适石墨加工的硬质合金:选取碳化鹤硬质合金，其中含钻量不超过6%， 其中碳化饥或碳化铁等混合物比例不高于1 %，仅允许极其微量铁Fe、饥化、儀Ni、铭化等添 加剂，材料的粒径为0.5~2WI1之间，硬度HRA92~93;
[0018] S2.硬质合金棒料成型:将步骤S1选取的材料加入棒料成型机中挤压成型为筒体；
[0019] S3.筒体加工:使用五轴高精密数控磨削加工中屯、磨出刃部和切削刀尖，刃部的底 刃前角丫 〇1为2°~6°，底刃后角α1为5°~13°，周刃前角丫 0 2为5°~15°，周刃后角α2为10。 ~14°螺旋角β为15°~45° ;
[0020] S4.涂层预处理:使用酸溶液酸洗去除和纯化钻，再用碱水溶液在超声波中清洗， 最后干燥；
[0021] S5.热丝CVD成膜:在预抽真空的腔体中，碳氨化合物气体和氨气通过高溫热丝裂 解，在步骤S4处理得到的刀具基体上沉积厚度为7~20WI1的金刚石薄膜。
[0022] 其中，步骤S5中热丝CVD的溫度1800°C~2000°C，硬质合金基体的溫度控制在800 。(:~ΙΟΟΟΓ。
[0023] 本发明还公开了金刚石涂层刀具的应用，所述的金刚石涂层刀具应用在石墨高速 加工中。所述的石墨高速加工为等静压制备的各向同性石墨电极、石墨热场加工，金刚石薄 膜涂层刀具的走刀量为3000~3200mm/min、主轴转速为12000~1700化pm、径向切深Rd = 0.5mm、轴向切深Ad = 2mm、采用顺锐、空气冷却方式加工。
[0024] 本发明具有如下有益效果：
[0025] 1、本发明通过对刀具的几何角度设置，有助于减少切削冲击和振动，避免加工过 程中石墨工件崩碎，同时刀具角度的选择对切削力、切削振动W及刀具磨损有直接的影响： 采用底刃前角2°~6°、周刃前角5°~15°加工石墨时，刀具刃口强度较好，耐冲击和摩擦的 性能好。底刃后角5°~13°、周刃后角10°~14°，确保了刀具刃口强度和切削振动稳定性。采 用较小螺旋角15°~45°时，同一切削刃上同时切入石墨工件的，提高刀具切削效率，并且刀 具磨损、切削力和冲击力为刀具承受范围之内。若采用过大螺旋角切削合力方向偏离工件 表面的程度大，因石墨崩碎而造成的切削冲击加剧，从而导致刀具磨损、锐削力和切削振动 增大。本发明综合考虑刀具磨损、切削力和振动的影响，通过设计科学合理因素试验，优化 对石墨切削刀具的底刃和周刃的前角、后角及螺旋角几何角度，提升了刀具整体切削性能。 [00%] 2、本发明的金刚石薄膜涂层刀具硬度比TiAlN(2600~2800HV)W及CBN(3400~ 4500HV)都高，极高的表面硬度使得金刚石涂层刀具极易切入硬脆石墨，并且能够有效克服 石墨粉尘对刀具表面的摩擦磨损。摩擦系数小可减降低切削力和切削溫度，避免金刚石涂 层刀具在氧化或者石墨化，可得到高加工精度和加工表面质量。
[0027] 3、本发明刀具室溫下导热系数高于普通硬质合金刀具导热系数，良好的导热性能 使金刚石涂层刀具迅速导出切削热，刀具表面溫度基本不受切削溫度的影响。弹性模量化k 硬质刀具高出一半，使得刀具具有良好的切削性能。金刚石薄膜具有硬度高、耐磨损，摩擦 系数小，导热性好等特点，是制造切削石墨理想材料。
【附图说明】
[002引图1为本发明的立体结构示意图。
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