本发明涉及高效切削用刀具的涂层处理技术，对刀具的表面进行涂层，改善刀具切削性能和提高刀具使用寿命。
背景技术：
高效切削是一种以提高主轴转速、增加切削深度和进给量为主要技术手段，以达到大幅度提高材料去除率为目标的一项先进加工技术。目前，高效切削已经广泛应用于航天航空、汽车、机械加工等领域，其加工的材料包括钢、合金等，在高效加工过程中，材料大幅度去除的同时，切削温度急剧上升，引起刀具快速磨损，因此，有效减少刀具磨损有利于推进高效切削技术应用与发展。刀具涂层处理是提高刀具综合性能的重要途径，因其具有隔热与减摩作用，刀具涂层能够有效改善刀具切削时的切削工况，从而提高刀具使用寿命。
目前常用的刀具涂层方法有化学气相沉积和物理气相沉积。化学气相沉积制备刀具涂层过程中，需要通过活化环境将构成涂层元素的挥发性化合物分解，严重污染环境，且沉积工艺较为复杂，并需要较高的环境温度（一般900℃以上），超过了大多数刀具基体材料的热处理温度，导致刀具基体微观组织结构发生转变，整体硬度下降。物理气相沉积需在真空条件下，用物理的方法将涂层材料汽化为原子、分子或电离成离子，通过气相过程在刀具基体表面沉积成涂层。与化学气相沉积工艺相比，物理气相沉积工艺处理温度低，在600℃以下，对刀具材料的抗弯强度没有影响，薄膜内部为压应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层。但是物理气相沉积仍然存在涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长和刀具成本增加等不足。
技术实现要素：
为避免现有刀具涂层工艺的不足，本发明提供一种不需要在真空和高温环境下进行的刀具静电涂层装置及其方法。
本发明提供的一种刀具静电涂层装置采用的技术方案是：空气压缩机经空气过滤器连接控制器的输入端，控制器的第一个输出端经高压电缆连接粉末静电喷枪、第二个输出端经稀释气流管路连接粉泵、第三个输出端经送粉气流管路连接粉泵、第四个输出端经流化气流管路连接盛放有涂层粉末的供粉桶的内部下方；供粉桶上方是粉泵，供粉桶内部下方设有流化板，流化板上布满直径小于涂层粉末直径的微型通孔，流化板上方是向上伸出供粉桶并联通粉泵的细长导管；粉末静电喷枪的前方是刀具，粉泵的输出端经出粉管路连接进入粉末静电喷枪的后端。
进一步地，粉末静电喷枪的最外部是枪体，枪体内部设有轴向的送粉管路和导电柱，送粉管路的后端与所述的出粉管路连接，导电柱的后端与所述的高压电缆连接；电极针基体的后部与枪体的头部固定配合，电极针基体中心开有与送粉管路同轴心的中心通孔，在该中心通孔中同轴镶嵌电极针，电极针头部穿出在电极针基体之外且通过导线连接导电柱。
进一步地，粉末静电喷枪固定连接于左右水平布置的X轴滑台模组，前后水平的Y轴滑台模组和X轴滑台模组相互垂直连接，Y轴滑台模组和X轴滑台模组能滑动调节粉末静电喷枪相对于刀具的左右和前后距离。
更进一步地，计算机通过经USB控制器分别连接X轴电机驱动器、Y轴电机驱动器，变压器分别与X轴电机驱动器、Y轴电机驱动器和USB控制器连接，X轴电机驱动器输出端经X轴电机驱动所述的X轴滑台模组，Y轴电机驱动器输出端经Y轴电机驱动所述的Y轴滑台模组。
所述的一种刀具静电涂层装置的静电涂层方法采用的技术方案是具有以下步骤：
A、启动空气压缩机，由控制器调节气流大小，将气流分为流化气流、送粉气流及稀释气流，进入供粉桶和粉泵中；
B、流化气流经流化板上的微型通孔将涂层粉末充分分散，送粉气流通过粉泵时，在粉泵与供粉桶间形成气压差，使供粉桶内的涂层粉末由细长导管抽吸至粉泵内；稀释气流将抽吸至粉泵内的粉团和气泡打散；
C、从粉泵8输出的涂层粉末通过出粉管路送至粉末静电喷枪，同时，控制器为粉末静电喷枪提供直流负高压，在粉末静电喷枪与刀具之间形成高压静电场，带负电的涂层粉末颗粒飞向刀具表面并吸附于其上，实现静电喷涂。
本发明采用上述技术方案后，具有以下有益效果：
1、进行涂层时，在粉末静电喷枪与刀具之间建立高压静电场，涂层粉末由压缩空气输送至粉末静电喷枪，经电晕充电后，在静电力与气体推动力作用下飞向并吸附于刀具表面，涂层粉末在刀具表面流平固化，便形成与刀具表面紧密结合的涂层；在高压静电场的作用下，涂层粉末颗粒不仅能喷到刀片正面，同时还可涂覆到刀片侧面与背面，并且粉末可以进行高效回收，涂层粉末利用率高，有效节约涂层成本。
2、涂层过程中不会产生有害物质，对环境无污染，符合绿色制造要求。
3、可控性好。通过改变施加到粉末静电喷枪上的电压、涂层粉末的喷出量及喷涂距离可以有效调节刀具涂层厚度。
4、涂层厚度均匀。涂层粉末附着在刀具基体上超过一定厚度后，因同性相斥，后喷的涂层粉末便不易再吸附上去，从而达到较为均匀的膜厚。
5、装置简便、经济，涂层过程不在真空和高温环境下进行，工艺要求低。
附图说明
图1为本发明一种刀具静电涂层装置的结构示意图；
图2为图1中粉末静电喷枪17的拆解结构放大示意图；
图3是图2中枪体31内部结构图；
图4是图1中龙门支架20与刀具21的放大连接图；
图5是图1中X轴滑台模组23的结构放大图；
图6是图1中Y轴滑台模组24的结构放大图；
图7是图1中粉末静电喷枪17与X轴滑台模组23的装配结构放大图。
图中：1.空气压缩机；2.空气过滤器；3.控制器；4.高压电缆；5.稀释气流管路；6.送粉气流管路；7.流化气流管路；8.粉泵；9.供粉桶；10.细长导管；11.流化板；12.出粉管路 13.Y轴电机；14.直线导轨；15.固定杆；16.夹具；17.粉末静电喷枪；18.底板；19.有机玻璃罩；20.龙门支架；21.刀具；22.铁丝；23.X轴滑台模组；24.Y轴滑台模组；25.X轴电机；26.X轴电机驱动器；27.USB控制器；28.Y轴电机驱动器；29.变压器；30.计算机；31.枪体； 32.电极针基体；33.电极针；34.枪头保护罩；35.喷嘴；36.送粉管路；37.导电柱；39.左立柱；40.横梁；41.右立柱；42.三角支架；44.X轴联轴器；45.X轴丝杆；46.X轴滑台；47.X轴底板；48.X轴导轨；50.X轴电机架；51.Y轴电机架；53.Y轴联轴器；55.Y轴底板；56.Y轴丝杆；57.Y轴滑台；58.Y轴导轨；61.夹紧螺栓；62.固定螺母螺栓；63.固定螺母螺栓。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的刀具静电涂层装置包括计算机30，计算机30通过USB接口连接USB控制器27，USB控制器27的输出端均分别连接X轴电机驱动器26、Y轴电机驱动器28。 变压器29分别与X轴电机驱动器26、Y轴电机驱动器28和USB控制器27连接，将220V交流电降压转化为X轴电机驱动器26、Y轴电机驱动器28、USB控制器27所能接收的直流电。X轴电机驱动器26的输出端经X轴电机25能驱动X轴滑台模组23移动。Y轴电机驱动器28的输出端经Y轴电机13能驱动Y轴滑台模组24移动。
X轴滑台模组23和Y轴滑台模组24相互垂直连接在一起，X轴滑台模组23左右水平布置，Y轴滑台模组24前后水平布置。Y轴滑台模组24的底部固定在底板18上，底板18固定不动，为铝合金薄平板，通过导线接地。X轴滑台模组23固定连接在Y轴滑台模组24上，Y轴滑台模组2能带动X轴滑台模组23整体前后水平移动。X轴滑台模组23的左端通过滑块连接直线导轨14，直线导轨14沿前后水平方向设置在底板18上，X轴滑台模组23的右端与Y轴滑台模组24固定在一起，直线导轨14方向与Y轴滑台模组24方向平行，当Y轴滑台模组2带动X轴滑台模组23运动时，X轴滑台模组23同时沿着直线导轨14前后水平滑动。
在X轴滑台模组23上固定连接粉末静电喷枪17，X轴滑台模组23能带动着粉末静电喷枪17左右水平移动。粉末静电喷枪17的前方是刀具21。刀具21悬挂在龙门支架20上，与粉末静电喷枪17面对面。这样，在Y轴滑台模组24和X轴滑台模组23的调节下，粉末静电喷枪17能左右、前后地移动，调节粉末静电喷枪17相对于刀具21的左右、前后的距离。
X轴滑台模组23与龙门支架20相互平行。在龙门支架20和刀具21的外部罩有一个有机玻璃罩19，避免喷涂时涂层粉末向周围环境扩散。有机玻璃罩19为长方体形且无底面，放置于在底板18上。有机玻璃罩19顶部开有装夹孔，便于取放刀具21；有机玻璃罩19的后侧面上开有正对着粉末静电喷枪17的圆形通孔，粉末静电喷枪17的前段能通过圆形通孔进入有机玻璃罩19中，从而对刀具21进行喷涂。
高压电缆4和出粉管路12的一端从粉末静电喷枪17的后端引出，高压电缆4的另一端连接控制器3，出粉管路12的另一端连接粉泵8的输出端。
控制器3有一个输入端和四个输出端，控制器3的一个输入端经空气过滤器2连接空气压缩机1，控制器3的第一个输出端经高压电缆4连接粉末静电喷枪17、第二个输出端经稀释气流管路5连接粉泵8、第三个输出端经送粉气流管路6连接粉泵8、第四个输出端经流化气流管路7连接供粉桶9的内部下方。
空气压缩机1能够向空气过滤器2持续有效地提供压力范围为0~0.8MPa的压缩空气。控制器3经高压电缆4为粉末静电喷枪17提供-30~-90kV的直流负高压。
控制器3内部集成了电压转换装置和气流分离装置，电压转换装置将市电压转变为高压，经高压电缆4输送给粉末静电喷枪17。同时，空气经空气压缩机1压缩后由空气过滤器2过滤，过滤干净的空气再进入控制器3中，控制器3中的气流分离装置将过滤后的干净空气分为气压大小不同的三路气流：第一路是流化气流、第二路是送粉气流、第三路是稀释气流。送粉气流管路和稀释气流管路为粉泵8提供一定压力的送粉气流和稀释气流。其中，流化气流的气压大小为0.02~0.1MPa，送粉气流的气压大小为0.05~0.2MPa、稀释气流的气压大小为0~0.05MPa。流化气流经流化气流管路7送入供粉桶9中，送粉气流经送粉气流管路6进入粉泵8中，稀释气流经稀释气流管路5也进入粉泵8中。
供粉桶9为圆桶形，其内部盛放了涂层粉末，涂层粉末为亚微米级固体润滑剂粉末与粘结剂粉末的混合物，重量混合比例为1:7~1:3；其中，固体润滑剂为二硫化钼，粘结剂为改性酚醛树脂或环氧树脂。
在供粉桶9内部下方设有流化板11，流化板11是布满了微型通孔的圆形薄板，该微型通孔的直径远小于涂层粉末颗粒直径大小，涂层粉末进入微型通孔中能得到充分分散。流化气流经流化气流管路7送入到流化板11上。在供粉桶9内，流化板11的上方是细长导管10，细长导管10从供粉桶9上端伸出后联通粉泵8。粉泵8位于供粉桶9上方，可以与供粉桶9固定连接在一起。由于细长导管10联通了粉泵8内部与供粉桶9内部，所以当粉泵8工作，送粉气流经送粉气流管路6进入粉泵8时，在粉泵8与供粉桶9之间便形成气压差，流化板11上的涂层粉末在流化气流的作用下由细长导管10抽吸至粉泵8内部。与此同时，稀释气流经稀释气流管路5进入粉泵8，将抽吸至粉泵8内部的粉团和气泡打散，送粉气流又将粉泵8内经稀释气流作用过的涂层粉末通过出粉管路12送至粉末静电喷枪17中。
如图2和图3所示的粉末静电喷枪17，粉末静电喷枪17由枪体31、电极针基体32、电极针33、喷嘴35和枪头保护罩34组成。喷枪最外部是枪体31，枪体31内部设有轴向的送粉管路36与导电柱37。送粉管路36的后端与出粉管路12连接，导电柱37的后端与高压电缆4连接。
枪体31头部开有凹槽，电极针基体32的后部与凹槽相配合，将电极针基体32的后部和枪体31前部固定连接在一起。电极针基体32中心开有中心通孔，该中心通孔与枪体31中心的送粉管路36同轴心。在电极针基体32的中心中心通孔中同轴镶嵌电极针33，电极针33的头部穿出在电极针基体3之外。电极针33通过导线连接位于枪体31内的导电柱37，经过导电柱37连接高压电缆4。
在电极针基体32与电极针33的外部套有枪头保护罩34，枪头保护罩34 通过其内表面螺纹安装固定于枪体31上。枪头保护罩34的前部安装了喷嘴35，喷嘴35为喇叭形，在电极针33的外部，以扩大涂层粉末的雾化张角与喷涂范围，涂层粉末经过枪体31内送粉管路36后，从电极针基体32的中心通孔喷出，经喷嘴35后呈一定的雾化张角。
枪体31、电极针基体32、喷嘴35、枪头保护罩34的材料都是聚四氟乙烯，电极针33的材料为不锈钢。
如图4和图1所示，刀具21通过铁丝22悬挂在龙门支架20上，龙门支架20由左立柱39、右立柱41及横梁40组成，材料均为铝合金。横梁40横跨在左立柱39和右立柱41上端之间，并与底板18平行；铁丝22上端固定悬挂在横梁40上。左立柱39和右立柱41的下端固定焊接在底板18上，并与底板18垂直，在焊接处用三角支架42固牢龙门支架20。
刀具21为带有装夹孔的机夹刀片，材料为硬质合金或高速钢，刀具21通过其装夹孔悬挂于铁丝22下端的弯钩上，铁丝22上端另一端悬挂于横梁40上，使刀具21与龙门支架20所在平面平行。
如图5和图1所示，X轴滑台模组23包括X轴底板47、X轴电机架50、X轴联轴器44、X轴丝杆45、X轴滑台46和X轴导轨48。X轴底板47固定在Y轴滑台模组24上，随着Y轴滑台模组24移动。X轴底板47上设有左右水平布置的X轴导轨48。X轴电机25的壳体通过X轴电机架50固定连接在X轴底板47上，左右水平布置的X轴电机25的输出轴通过X轴联轴器44同轴连接X轴丝杆45，X轴丝杆45与X轴滑台46之间通过丝杆螺母的方式连接，X轴滑台46与X轴导轨48配合。当X轴电机25工作时，通过X轴丝杆45带动X轴滑台46左右水平运动，X轴滑台46便沿X轴导轨48左右滑动。
粉末静电喷枪17固定连接在X轴滑台46上，当X轴滑台46左右水平移动时，在左右方向调节粉末静电喷枪17的位置。
如图6和图1所示，Y轴滑台模组24包括Y轴底板55、Y轴电机架51、Y轴联轴器53、Y轴丝杆56、Y轴滑台57和Y轴导轨58。Y轴底板55的底部固定在底板18上，Y轴底板55上设有前后水平布置的Y轴导轨58。Y轴电机13的壳体通过Y轴电机架51固定连接在Y轴底板55上，前后水平布置的Y轴电机13的输出轴通过Y轴联轴器53同轴连接Y轴丝杆56，Y轴丝杆56与Y轴滑台57之间通过丝杆螺母的方式连接，Y轴滑台57与Y轴导轨58配合。当Y轴电机13工作时，通过Y轴丝杆56带动Y轴滑台57运动时，Y轴滑台57便沿Y轴导轨58前后水平滑动。
X轴滑台模组23的X轴底板47固定连接在Y轴滑台57上，由Y轴滑台57带动整个X轴滑台模组23前后水平滑动，从而通过Y轴滑台模组24、X轴滑台模组23带动粉末静电喷枪17实现前后、左右方向上的调节，使粉末静电喷枪17的前端正对刀具21。
如图7和图5所示，粉末静电喷枪17固定连接X轴滑台模组23的X轴滑台46时，其间设有夹具16和固定杆15，夹具16通过固定螺母螺栓62连接在X轴滑台46上方，固定杆15前后水平布置，并且穿过夹具16上的通孔，在夹具16和固定杆1之间用夹紧螺栓61将两者固定。在固定杆15的前端用固定螺栓螺母63固定住粉末静电喷枪17的后段，使粉末静电喷枪17保持前后水平状态且固定不动。
参见图1-7，本发明刀具静电涂层装置工作时，将刀具21悬挂在龙门支架20的横梁40上，保证刀具21与龙门支架20所在平面平行。
计算机30发送信号给USB控制器27，USB控制器27将接收的信号转化成X轴电机驱动器26、Y轴电机驱动器27可以接收的脉冲信号，再经X轴电机驱动器26、Y轴电机驱动器27处理和放大，分别输出给X轴电机25、Y轴电机13，驱动X轴电机25和Y轴电机13按设定的方向转动一个固定的步距角，带动X轴丝杆45、Y轴丝杆56转动，从而带动粉末静电喷枪17左右、前后水平移动，调节到粉末静电喷枪17正好穿过有机玻璃罩19上的通孔后进入有机玻璃罩19内，使粉末静电喷枪17移至刀具21的正前方，达到粉末静电喷枪17和刀具21之间的喷涂距离140~150mm。
之后，启动空气压缩机1，压缩空气经空气过滤器2过滤后，由控制器3调节气流大小，将气流分为流化气流、送粉气流及稀释气流，流化气流经流化气流管路7进入供粉桶9，通过流化板11上的微型通孔将涂层粉末充分分散，送粉气流经送粉气流管路6进入粉泵8，送粉气流快速通过粉泵8时，在粉泵8与供粉桶9间形成气压差，在该气压差作用下供粉桶9内的涂层粉末由细长导管10抽吸至粉泵8内；稀释气流经稀释气流管路5进入粉泵8，将抽吸至粉泵8内的粉团和气泡打散，保证从粉末静电喷枪17喷出的涂层粉末雾化均匀而不至于产生吐粉现象。然后，送粉气流将粉泵8内经稀释气流作用过的涂层粉末通过出粉管路12送至粉末静电喷枪17，在粉末静电喷枪17内，涂层粉末通过枪体31内的送粉管路36、电极针基体32上的圆形孔喷出。与此同时，控制器3经高压电缆4、导电柱37为电极针33提供-30~-90kV的直流负高压。由于刀具21经铁丝22、龙门支架20、底板18接地，所以电极针33与刀具21之间便形成高压静电场。电极针33尖端附近的电场强度超过空气的电离场强，空气发生电离，在电极针33尖端附近周围产生了密集的负电荷。当涂层粉末通过电极针33尖端附近区域时，吸收负电荷而成为带负电的涂层粉末颗粒。在静电力和气体推动力的作用下，因静电环抱效应，带负电的涂层粉末颗粒飞向刀具21的表面（包括正前面、侧面及后背面）并吸附于其上，实现静电喷涂。
喷涂结束后，将刀具21取下，置于固化炉中。然后启动固化炉，固化炉内部空间的温度加热至160~180℃，并保温30分钟，使刀具21表面的涂层粉末充分熔融流平。最后，关闭固化炉，流平后的涂层粉末缓慢冷却固化，最终形成与刀具21表面紧密结合的涂层。