化学气相沉积金刚石刀具及其加工方法与流程

本发明涉及超硬材料加工领域，特别是涉及一种化学气相沉积金刚石刀具及其加工方法。

背景技术：

金刚石又名钻石，是碳的同素异构体，属于立方晶系，具有面心立方结构，典型的原子晶体。金刚石具有很多无与伦比的优异性能，例如机械特性、热学特性、透光性、半导体特性及化学惰性等，在自然界所有的材料中均是首屈一指的。因金刚石的优异性能而被广泛应用在机械制造业中，制作成高性能的切削刀具和修整刀具。由于自然界中金刚石储量极少，并且开采也非常困难，人们大多采用合成金刚石。

20世纪50年代引入的高温高压(HTHP)方法合成的单晶金刚石刀具，具有极为锋利的切削刃和低摩擦表面，使其可加工出良好的表面光洁度。但是单晶金刚石的结构也决定了其抗断裂性能差。

20世纪70年代开发的金属烧结聚晶金刚石(PCD)刀具，具有更优良的韧性，此特性是由金刚石的晶粒尺寸、烧结过程中形成的结合强度以及PCD材料中存在钴相的结果。但是也正因为钴结合剂的存在，使其对腐蚀更为敏感，而且在高温下容易使金刚石氧化转变成石墨。此外，晶粒尺寸较小的PCD刀具耐磨性不够。

近年来开发的化学气相沉积(CVD)金刚石刀具，保留了天然金刚石的独特性质，与PCD刀具相比，CVD金刚石刀具具有更高的硬度、更好的刚性、更小的摩擦系数，以及更好的导热性和化学稳定性，并且耐磨性是PCD刀具的2-10倍。基于上述的优势，CVD金刚石刀具可以在许多加工中替代PCD刀具，而且还可应用于一些PCD和单晶金刚石刀具受限的加工场合。由于CVD金刚石刀具不导电，不能采用线切割方式进行加工，目前主要的加工方式为砂轮磨削。然而砂轮磨削效率低，而且容易在刀刃处产生微小崩口，无法满足现实要求。

技术实现要素：

基于此，有必要针对化学气相沉积(CVD)金刚石刀具存在的问题，提供一种化学气相沉积(CVD)金刚石刀具及其加工方法。

一种化学气相沉积金刚石刀具，包括基体和焊接在基体上的由化学气相沉积金刚石制成的刀片，所述基体的一端部设有互相垂直的两个避空面，以及与两个避空面邻接的安装平面，所述刀片呈方形片状，包括设置于安装平面的底面，远离安装平面的前刀面，以及位于前刀面和底面之间的侧面和切削面，所述侧面与基体的其中一个避空面重合，所述切削面外露于另一个避空面，所述切削面包括与前刀面连接的第一后刀面和与底面连接的第二后刀面，所述前刀面和第一后刀面之间形成刃口，所述第一后刀面与前刀面之间的夹角的余角为10-12°，所述第二后刀面与前刀面之间的夹角的余角为所述第一后刀面与前刀面之间的夹角的余角的两倍。

在其中一个实施例中，所述刃口的长度为3-3.5mm。

在其中一个实施例中，所述刃口至所述另一个避空面的距离为所述刃口的长度的三分之一。

在其中一个实施例中，所述第一后刀面的宽度为0.1-0.15mm。

在其中一个实施例中，所述基体包括呈环状的连接部以及由连接部一端延伸而出的安装部，所述连接部上设置连接孔，所述安装平面和避空面设置于安装部的端部。

一种上述的化学气相沉积金刚石刀具的加工方法，包括：

提供由硬质合金制成的基体和由化学气相沉积金刚石制成的刀片；

焊接刀片至基体的端部；

磨削刀片去除刀片焊接至基体的端部后过多的余量；及

激光切割刀片露出在避空面的切削面，使切削面中的第一后刀面与前刀面之间的夹角的余角为10-12°，并使切削面中的第二后刀面与前刀面之间的夹角的余角为所述第一后刀面与前刀面之间的夹角的余角的两倍。

在其中一个实施例中，所述焊接为真空焊接、钎焊、高频感应焊接、气体保护焊接中的一种。

在其中一个实施例中，真空焊接时，将膏状焊料涂抹在基体的端部并放置刀片，进行200℃保温固化后，放入真空炉中抽真空，并升温至700℃，焊接30分钟，然后降温至25℃。

在其中一个实施例中，所述刀片为方形片状，磨削刀片时，采用砂轮每次进刀量0.02mm以下，以使所述侧面与基体的其中一个避空面重合，所述切削面外露于另一个避空面的距离为所述刀片边长的长度的三分之一。

在其中一个实施例中，激光切割时，激光功率8W-18W，激光宽度10-18μm，激光工作锥度5-10°，激光频率1500-16667HZ，线速度15-30mm/min，激光间距60-80μm，激光切割深度0.03-0.1mm。

上述化学气相沉积金刚石刀具及其加工方法，刃口的崩口在2μm以内，且加工效率较高，能满足对于刀具的加工质量和速度的要求。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的化学气相沉积(CVD)金刚石刀具的结构示意图。

图2为图1部分结构的主视示意图。

图3为图1部分结构的俯视示意图。

图4为图1的侧视示意图。

图5为图1所示化学气相沉积金刚石刀具的刀刃部分的截面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例提供的化学气相沉积金刚石刀具包括基体和焊接在基体10上的刀片20。所述刀片为化学气相沉积金刚石刀片。一实施例中，所述基体由硬质合金制成。

所述基体10包括呈环状的连接部11以及由连接部11一端延伸而出的安装部12。化学气相沉积金刚石刀具使用时，所述连接部11用于连接刀具的驱动件。在加工所述化学气相沉积金刚石刀具时，所述连接部11也可用于固定，例如在加工所述刀片20时，可夹持连接部11以对化学气相沉积金刚石刀具进行定位。所述连接部11上设置连接孔110，连接孔110用于设置紧固件。

所述安装部12由环状的连接部11的一端延伸而出。所述安装部12包括两个互相垂直的避空面，以下分别称为第一避空面121和第二避空面122，以及邻接第一避空面121和第二避空面122的安装平面123。所述安装平面123与基体11的连接部11中的连接孔110的轴向方向平行，且沿水平方向延伸。同时参考图2，第一避空面121和第二避空面122与安装平面123的夹角小于90°，且第一避空面121和第二避空面122远离安装平面123的一端朝向安装部12内部倾斜，使得所述安装部12的端部远离安装平面123的区域形成避空区域，以便刀片20的安装、加工以及使用过程中的走位。

同时参考图3和图4，所述刀片20呈方形片状，包括设置于安装平面123的底面21，远离安装平面123的前刀面22，以及位于前刀面22和底面21之间的四个侧面。底面21和前刀面22互相平行，且均与水平面平行。其中一个侧面23和第二避空面122重合。另一个侧面外露于第一避空面121，并作为切削面24。所述切削面24包括与前刀面22连接的第一后刀面241和与底面21连接的第二后刀面242。其中，所述前刀面22和第一后刀面241之间形成刃口25。所述切削面24外露于第一避空面121，是指刃口25、第一后刀面241和第二后刀面242中的任意一点均悬空设置在第一避空面121之外，刃口25、第一后刀面241和第二后刀面242中的任何位置均没有落入第一避空面121位于安装平面123的一侧。

所述化学气相沉积金刚石刀具在使用过程中，待加工工件与刃口25接触，刃口25用于切削待加工工件，产生的切屑流经前刀面22。第一后刀面241和第二后刀面242均不与待加工工件接触，起到避空作用。

同时参考图5，所述第一后刀面241与前刀面22之间的夹角的余角A1为10-12°，所述第二后刀面242与前刀面22之间的夹角的余角A2为所述第一后刀面241与前刀面22之间的夹角的余角A1的两倍。一具体实施例中，A1为10°。

进一步地，所述刃口25的长度为3-3.5mm。即，所述刀片20的方形块状的边长为3-3.5mm。一具体实施例中，所述刃口25的长度为3mm。如图3中所示，所述刃口25至所述第一避空面121的距离d为所述刃口25的长度的三分之一。在一实施例中，所述距离d为1mm。更确切的讲，距离d是刃口25至第一避空面121与安装平面123的交线之间的距离。当第一避空面121与安装平面123非正交时，所述刃口25至所述第一避空面121的距离与上述的距离d会略有差异。

如图5中所示，所述第一后刀面241的宽度W为0.1-0.15mm。所述第一后刀面241的宽度是指刃口25与第一后刀面241和第二后刀面242两者的交线之间的距离。

本发明还提供一种上述任意实施例所述的化学气相沉积金刚石刀具的加工方法。所述加工方法大致包括如下步骤：

提供由硬质合金制成的基体和由化学气相沉积金刚石制成的刀片；

焊接刀片至基体的端部；

磨削刀片去除刀片焊接至基体的端部后过多的余量；及

激光切割刀片露出在避空面的切削面，使切削面中的第一后刀面与前刀面之间的夹角的余角为10-12°，并使切削面中的第二后刀面与前刀面之间的夹角的余角为所述第一后刀面与前刀面之间的夹角的余角的两倍。

首先，基体需要加工至方便与刀片焊接的外观结构。例如，在基体上加工形成所述的连接部和安装部，连接部上设置连接孔，安装部加工具有安装面、第一避空面、第二避空面等。为保障焊接的质量，可对基体进行表面清洗、去除氧化膜等处理。

所述刀片由化学气相沉积金刚石而成，具有大致方形片状的结构。其中刀片的两个相对较大的平面分别作为焊接用的底面21，以及切屑流经的前刀面22。所述刀片与基体的焊接可采用真空焊接、钎焊、高频感应焊接、气体保护焊接等形式。焊接后，刀片的其中一侧面23与基体的第二避空面重合，另一侧面作为切削面24外露出第一避空面。切削面24与前刀面22的交线即为刀片将要与待加工工件接触的刃口25。刃口25的长度即刀片的边长。

一实施例中，可采用真空焊接。具体的，可将膏状焊料涂抹在基体的端部并放置刀片，进行200℃保温固化后，放入真空炉中抽真空，并升温至700℃，焊接30分钟，然后降温至25℃。

焊接刀片后，刀片与基体的相对位置有可能错位而达不到成品要求，例如，刀片的侧面23与第二避空面122不重合，或者切削面24与第一避空面121之间的距离过大，因此可借助磨削的步骤将刀片上过多的余量去除。磨削刀片时，采用砂轮每次进刀量0.02mm以下，以使刀片的所述侧面23与基体10的第二避空面122重合，所述切削面24外露于第一避空面121的距离为所述刀片的边长的长度的三分之一。

磨削可采用W20或W40砂轮。

接着，对刀片的切削面24进行激光切割。激光切割时，激光功率8W-18W，激光宽度10-18μm，激光工作锥度5-10°，激光频率1500-16667HZ，线速度15-30mm/min，激光间距60-80μm，激光切割深度0.03-0.1mm。首先，对切削面24邻近前刀面24的部分进行激光切割，成型第一后刀面241，第一后刀面241与前刀面22之间的夹角满足要求后，再对切削面24邻近底面21的部分进行激光切割，以成型第二后刀面242。

上述方法加工而成的刀片，其刃口25的微小崩口在2μm以内，且激光切割的时间仅需5分钟，相较于传统的单纯采用磨削所需的几十分钟，以及产生的刀刃崩口在10μm以上来说，极大的提升了加工质量和效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。