复杂形状金刚石涂层刀具的HFCVD批量制备方法与流程

文档序号:15504375发布日期:2018-09-21 22:58阅读:294来源:国知局

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的方法,具体是一种复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的hfcvd批量制备方法。



背景技术:

随着工件材料向着轻量化、复合化方向发展,高硅铝(铅)合金、金属(陶瓷)基复合材料、陶瓷、碳和石墨复合材料、其他纤维增强复合材料、强化木地板等难加工材料在汽车、航空航天和模具等行业中大量使用。以硬质合金材料为主的整体式旋转刀具如麻花钻、立铣刀等复杂形状刀具使用量大面广,而这些刀具在高速切削加工上述难加工材料时刀具磨损严重,加工精度及表面质量难以保证。

化学气相沉积(chemicalvapordeposition,简称cvd)金刚石薄膜具有十分接近天然金刚石的高硬度、高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能,从而使其在复杂形状刀具涂层领域具有广阔的应用前景。近年来,cvd金刚石薄膜涂层技术的发展使得高性能复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的制备成为可能,cvd金刚石薄膜涂层刀具制备成本降低、效率提高、适宜于任意形状,其制备不受衬底形状的制约。因此,解决上述刀具磨损严重、加工精度及表面质量难以保证问题的一种新方法就是在复杂形状刀具(不限于硬质合金刀具,亦可以是陶瓷、cbn、带过渡层的高速钢或带过渡层的硬质合金刀具)工作表面涂覆金刚石薄膜,用以延长刀具的寿命、提高生产效率并改善加工的质量,将金刚石薄膜与复杂形状刀具几何结构组合起来,必将为各类难加工材料提供最有效的加工解决方案,复杂形状cvd金刚石薄膜涂层刀具最有希望成为新一代应用于石墨、碳纤维或玻璃纤维、陶瓷预烧体以及铝硅合金等高效加工的新型刀具。

热丝cvd(hotfilamentcvd,简称hfcvd)方法具有成本低、设备简单、工艺稳定、适用于复杂形状及大面积沉积的优点,是最适用于金刚石薄膜涂层刀具产业化生产的方法,目前国内外hfcvd金刚石薄膜涂层复杂形状钻头和铣刀正在产业化过程中;在采用hfcvd方法对钻头或铣刀的刀刃部分进行金刚石薄膜沉积时,沉积区域(刀刃区域,基体)的表面温度数值、温度场及反应基团密度场分布均匀性对薄膜质量及均匀性有着很大的影响。

用于沉积hfcvd金刚石薄膜的适宜的基体温度区间约为500-1000℃,最适宜区间约为700-900℃;超出适宜区间的基体温度难以保证金刚石薄膜的连续高效生长,在该区间内,基体温度越高,金刚石薄膜沉积速率越快,但薄膜内应力会增加,膜基结合强度下降,反之,基体温度越低,金刚石薄膜沉积速率越慢,薄膜内应力较小,膜基结合强度及薄膜质量较高,因此,针对不同类型复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的批量制备需求,需要对其基体温度数值进行具有不同侧重的控制。

hfcvd方法所采用的热源是直径较小的热丝(钽丝或钨丝),热源排布决定了复杂形状金刚石薄膜涂层刀具批量制备过程中,单支刀具刀刃不同位置以及不同刀具的刀刃表面基体温度必然存在差异,热丝与单支刀具刀刃不同位置以及不同刀具的刀刃表面之间辐射距离及辐射角的差异还会导致反应基团密度场分布的不均匀性,为了保证单支刀具不同位置及批量刀具之间金刚石薄膜沉积厚度及质量的均匀性,还需要对基体表面温度场及反应基团密度场分布的均匀性进行控制。尤其是大部分钻头和铣刀都是细长轴,导热不良,这给上述控制目标造成了更大的难度。

此外,对于细长的复杂形状刀具而言,在刀刃位置满足高质量金刚石薄膜沉积需求的前提下,其柄部位置的温度及反应基团浓度常常有利于非晶碳、石墨等非金刚石杂质成分的生长,极易出现“黑杆”现象,影响复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的外观品质。

经对现有技术的文献检索发现,中国专利申请号200310108306.0报导了一种“整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置”,该文献公开了一种能带动装夹有刀具的旋转轴回转的整体式硬质合金刀具金刚石涂层装置,但上述技术特制的专用沉积装置只是单个整体式硬质合金复杂形状刀具金刚石涂层的实验设备,不适宜作为cvd金刚石涂层复杂形状硬质合金刀具批量制备装置。中国专利申请号201110028846.2提供了一种复杂形状金刚石涂层刀具热丝化学气相沉积批量制备方法,采用上下两行热丝布置方法,在cvd金刚石涂层沉积过程中刀具安装在三明治式底座,但上述技术热丝排布复杂,刀具基体表面温度场分布还不够均匀,刀具冷却效果还有待改进。



技术实现要素:

本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的热丝化学气相沉积(hotfilamentchemicalvapordeposition,简称hfcvd)批量制备方法,方便、有效地控制刀具刀刃区域温度数值,保证温度场及反应基团密度场的均匀分布,保证金刚石薄膜的均匀沉积,避免刀柄位置杂质沉积造成“黑杆”现象。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:

本发明涉及一种复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的热丝化学气相沉积批量制备方法,所述方法包括如下步骤:

s1、将预处理后的复杂形状刀具的刀柄插入刀具冷却底座后,放置在hfcvd设备水冷工作台上;

所述刀具冷却底座上设有与刀柄直径和长度相匹配的钻孔;所述刀具冷却底座为两层、三层或四层结构;所述两层结构为钼片层/不锈钢层、钼片层/紫铜层或钼片层/石墨层,所述三层结构为钼片层/紫铜层/不锈钢层或钼片层/石墨层/不锈钢层,所述四层结构为钼片层/石墨层/紫铜层/不锈钢层;

s2、所述hfcvd设备采用单层热丝;通入氢气和碳源,或是通入氢气、碳源和掺杂源在复杂形状刀具表面沉积金刚石薄膜。

步骤s2中,沉积掺杂涂层情况下才需通入掺杂源;掺杂方式包括:硼掺杂、硅掺杂、氮掺杂等。

优选的,所述复杂形状刀具材质为硬质合金、陶瓷、cbn、高速钢加表面过渡涂层、或硬质合金加表面过渡涂层;所述表面过渡涂层包括金属涂层、金属陶瓷涂层、非晶陶瓷涂层。

优选的,在刀具安装及薄膜沉积过程中,通过控制hfcvd设备水冷工作台升降可实现刀具冷却底座自由升降;所述热丝辐射的热量随着刀具冷却底座的升降可以均匀作用在刀刃的不同位置上。进而实现整个沉积过程中刀刃整体表面平均温度的均匀分布、反应基团密度场的均匀分布及金刚石薄膜的均匀生长。

优选的,步骤s1中,钼片层的厚度为0.05-10mm;不锈钢层的厚度为10-120mm,紫铜层的厚度为10-150mm,石墨层的厚度为10-180mm,在刀具冷却底座中,均以钼片层作为表层,钼片层既可以与下面一层紧密贴合,也可以与下面一层之间形成一定中空间距。各层厚度及其他分层排序可根据应用需求择优、自由组合。

优选的,步骤s1中,所述刀柄的直径所述复杂形状刀具的整体长度25-250mm,刃长3-100mm。

优选的,步骤s2中,所述热丝采用直径的钽丝或钨丝,其长度为100-600mm,根数为2-15,热丝间距为10-50mm。

优选的,步骤s2中,所述热丝为平行于刀具冷却底座平面的一层热丝,所述热丝可设置在复杂形状刀具刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm之间的任意位置,且随着刀具冷却底座的升降可在该范围内自由移动。

优选的,步骤s2中,所述沉积可以一步完成或两步完成;两步完成时,第一步沉积后将刀具旋转90度后进行第二步沉积。所述两步完成针对直径较大的刀具。

优选的,步骤s2中,所述在复杂形状刀具表面沉积的可以是单层或复合金刚石薄膜。

优选的,所述单层金刚石薄膜包括微米、纳米、硼掺杂、硅掺杂、氮掺杂金刚石薄膜;所述复合金刚石薄膜包括微米-纳米、硼掺杂-微米、硼掺杂-纳米、硼掺杂-微米-纳米复合金刚石薄膜。

优选的,单层金刚石薄膜涂层及复合金刚石薄膜涂层中各层薄膜所采用的沉积参数范围如下:热丝温度2000-2400℃,刀具刃部温度500-1000℃,反应气体总流量200-5000sccm,碳源浓度0.5-5%,掺杂浓度500-100000ppm,反应压力6-50torr,沉积时间2-24h,涂层表面晶粒度控制在5nm-50微米之间,涂层厚度控制在0.5-30微米之间。

与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:

1、本发明可以在刀具安装及薄膜沉积过程中实现水冷工作台及刀具冷却底座的周期性自由升降,在刀具安装过程中便于留出安装操作空间;满足刀具冷却底座多层结构层数、材料、厚度实现合理的搭配的前提下,在薄膜沉积过程中,通过冷却底座的定时自由升降可以实现整个沉积过程中刀刃整体表面温度的均匀分布、反应基团密度场的均匀分布,进而保证金刚石薄膜的均匀沉积。需要强调的是:刀刃整体表面温度的均匀分布、反应基团密度场的均匀分布的效果并非容易预见的。这种效果不仅仅得益于冷却底座的自由升降上,还得益于冷却底座多层结构层数、材料、厚度的合理搭配。另外,要沉积高质量的金刚石涂层,必须将沉积温度、反应基团密度严格控制在一定范围内,否则可能会出现有石墨产生、涂层脱落、涂层颗粒过粗等各种问题。此外,冷却底座的上升或下降自然会改变之前反应腔内温度场,反应基团密度场的分布情况,这是一个动态过程。沉积参数、刀具冷却底座往复移动的周期(周期适用范围20~40min)、冷却底座结构的合理搭配尤为关键,保证在整个复杂形状刀具上沉积出高质量厚度均匀的金刚石涂层。发明专利(申请号201110028846.2)中通过多层热丝排布可以部分实现刀刃表面温度场的均匀分布,但是其效果不及本发明,且由于沉积过程中热丝和刀具的相对位置固定,热丝到刀刃表面不同位置的辐射距离及辐射角固定,因此刀刃表面不同位置的反应基团密度场仍然存在较大差异。

2、本发明提出了特定的从双层到四层的冷却底座结构形式,通过冷却底座不同材质(不同导热系数)及对应厚度搭配,结合热丝间距(即热丝-基体距离)的调整,可以针对不同规格的复杂形状刀具,实现刀刃位置温度数值的精确控制及温度场分布的辅助控制。最上层钼片层在所有结构中均是必须的,较薄的钼片层便于进行精密钻孔加工,孔内表面可以与待涂层刀具紧密配合,从而完全避免反应基团到达刀柄位置,杜绝“黑杆”现象。当冷却底座过厚时(即冷却底座表面过于靠近刀刃涂层区域时),刀具从刀尖到刀刃底部的温差会较大,即使通过自由升降也难以保证温度场分布均匀,且不锈钢、紫铜的耐热性能较差,石墨容易被刻蚀,均不能过于靠近热丝,因此在部分工况下,钼片层需要跟下面的冷却底座分离,仅起到完全遮挡刀柄、避免“黑杆”的作用,而下面的冷却底座再通过材质及厚度搭配,结合热丝间距调整,实现刀刃位置温度数值的精确控制及温度场分布的辅助控制。

3、本发明通过单层热丝排布,结合可升降刀具冷却底座装置,便可实现整个过程中沉积区域温度场及反应基团密度场的均匀分布,发明专利(申请号201110028846.2)中由于钻头、铣刀等整体式复杂形状刀具均为细长轴,采用多层热丝空间排布方式以尽可能提高复杂形状刀具金刚石涂层的均匀性。本发明避免了原有发明中多层热丝排布空间结构上的复杂性,极大地减小了断丝的风险,增加了复杂形状刀具金刚石涂层厚度的均匀性,减小了金刚石涂层内部的热应力,提高了沉积效率与质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:

图1为热丝布置示意图,热丝为单层排布;

图2为可自由升降刀具冷却底座示意图;

图3为刀具冷却底座示意图,a图中刀具冷却底座为3层结构:钼片层+紫铜层+不锈钢层,且两层紧密贴合;b图中刀具冷却底座为4层结构:钼片层+石墨层+紫铜层+不锈钢层;其中,1为钼片层,2为紫铜层,3为不锈钢层,4为刀具,5为水冷工作台,6为石墨层;

图4为实施例1采用图1所示热丝布置方式沉积的复合金刚石涂层厚度分布曲线;

图5为对比例2所采用的热丝布置示意图,热丝为上下两层排布。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对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,还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示,在加工石墨用铣刀上镀覆cvd金刚石涂层,刀柄直径为刀刃长为30mm,刀具总长为100mm。本实施例所采用的刀具冷却底座结构为:紫铜尺寸高、宽、长为20×60×120mm,不锈钢尺寸高、宽、长为30×60×120mm,厚度为0.4mm的钼片1裁成60×120mm,在刀具冷却底座均匀间隔地钻40个的孔(孔深40mm),以便安装直立插入40把铣刀。钼片覆盖在紫铜层和不锈钢层上。在本发明中,钼片的作用在于通过其精密的钻孔内表面与待涂层刀具紧密配合避免反应基团到达下方的刀柄位置从而杜绝“黑杆”现象;另外,钼片为高熔点金属材料,在薄膜沉积过程中不会受到h原子的腐蚀,因此处在最上层的钼片可保护冷却底座的下方部分。

图2为可自由升降刀具冷却底座示意图,刀具被竖直插入到冷却底座的预制孔内,刀具冷却底座整体在竖直方向上的运动是通过控制水冷工作台的升降间接实现的;如图2所示,本实施例的刀具冷却底座在刀具安装及薄膜沉积过程中均可自由升降,刀具冷却底座被平稳的放置在hfcvd设备水冷工作台上,通过控制水冷工作台的升降即可间接实现刀具冷却底座的升降。可升降水冷工作台主要有两部分组成:机械组件与控制组件,机械组件包括电机、减速器、齿轮齿条机构、工作台、水管等,控制组件包括接触器、继电器、控制按钮等。实现水冷工作台及刀具冷却底座自由升降的控制方式为plc控制,通过控制电机的转动进而经由减速器、齿轮齿条机构、工作台等构成的机械系统实现工作台及刀具冷却底座竖直方向上的往复直线运动,这种升降系统具有运作平稳、控制灵活、操作方便等特点。

第一步、将上述的长柄铣刀的刀刃置于murakami剂中进行超声腐蚀,腐蚀液的配方(重量比)铁氰化钾∶氢氧化钾∶水为1∶1∶10,时间约25分钟,取出用水洗净后再置于硫酸双氧水溶液(体积比1∶10)中腐蚀30秒钟,洗净后再置于金刚石微粉(粒度20微米)乙醇悬浮液中超声振荡处理20分钟,然后洗净吹干,将40把铣刀刀柄分5排插入到刀具冷却底座中,每排8把,置于热丝cvd反应室的水冷却平台上,开始金刚石涂层的沉积。

第二步、如图1,热丝采用六根线径为的钽丝(图中第一、二、三、四、五、六热丝),钽丝间距35mm,热丝为单层排布,所在平面平行于刀具冷却底座平面,可设置在复杂形状刀具刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm之间的任意位置,且随着刀具冷却底座的升降可在该范围内自由移动。

第三步,复合金刚石薄膜沉积:反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮),调整反应室压力后开始复合cvd金刚石涂层的沉积,在沉积过程中通过plc控制水冷工作台及刀具冷却底座的周期性上升和下降(周期为30min),从而保证热丝相对于复杂形状刀具产生刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm范围内的周期性上升与下降,工艺参数为:压力25torr,气体总流量1000毫升/分,丙酮/氢气(体积比)为2.6%,钽丝温度为2100℃左右,经过1.5小时沉积后,刀刃处沉积得到约3-4微米厚的金刚石涂层。将每把刀具位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行1.5小时沉积,获得约6-8微米厚的金刚石涂层,将反应气压调整为10torr,沉积1小时后,获得8-10微米厚的微米-纳米复合金刚石薄膜涂层,将每把刀具位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行1小时沉积,最终获得10-12微米厚的微米-纳米复合金刚石薄膜涂层,并可有效保证涂层均匀性。该铣刀用于石墨加工,工作寿命比硬质合金铣刀提高10倍以上,工件的加工精度与表面光洁度也得到了提高。

如图3a所示,本实施例的不锈钢层3紧贴着水冷却平台,钼片层1覆盖在紫铜层2和不锈钢层3上面,刀具4(钻头或铣刀)垂直插入由钼片层1、紫铜层2、不锈钢层3组成的底座中,放置在hfcvd设备水冷工作台5上。实际生产中刀具冷却底座层数、各层厚度及分层排序可根据需求择优、自由组合,当冷却底座过厚时,冷却底座表面过于靠近刀刃涂层区域,刀尖到刀刃底部的温差较大,即使通过自由升降也不足以保证涂层区域温度场分布的均匀性,此时需采用图3b所示的结构,多层冷却底座中处于最上方的钼片层1与下面的冷却底座(石墨层6+紫铜层2+不锈钢层3)部分不再紧密贴合,而是形成一定的中空间距。本实施例中,紫铜的导热系数为400w/m·k,不锈钢的导热系数为30w/m·k,在铣刀、钻头等复杂形状刀具金刚石薄膜涂层沉积过程中既能对铣刀或钻头进行有效的冷却,又不会因冷却过快导致刀刃衬底温度过低,在cvd金刚石沉积过程中,一般要在750~950℃之间。衬底温度偏低,沉积速率慢,好处是涂层内应力小,附着力较好;衬底温度偏高,沉积速率快,但涂层内应力大,附着力变差。因此衬底温度有一个最佳值,在一定的热丝温度下,通过调节紫铜块、不锈钢块的厚度或者择优选用本发明提到的其他类型的多层冷却底座可以达到调节衬底温度的目的,使衬底温度处在最合适的范围内。最上层钼片层在多层冷却底座结构中是必须存在的,较薄的钼片层便于进行精密钻孔加工,孔内表面可以与待涂层刀具紧密配合,从而完全避免反应基团到达刀柄位置,杜绝“黑杆”现象。另外,钼片具有优良的抗高温蠕变性能,金刚石涂层沉积时反应腔内温度很高,钼片弥补了冷却底座中紫铜和不锈钢部分抗高温蠕变性能不足的局限性。

对于钻头和铣刀等整体式复杂形状刀具,采用热丝cvd法对其刀刃处涂覆金刚石薄膜:

采用图1的热丝布置方式,沉积得到的复合金刚石涂层厚度分布曲线如图4中曲线d所示,单层热丝排布操作简单,避免了多层热丝排布空间上的复杂性,同时沉积过程中刀具冷却底座可随水冷工作台周期性上升和下降,从而保证单层热丝相对于复杂形状刀具产生刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm范围内的周期性上升与下降,刀具不仅得到了有效冷却,并且刀刃处的衬底表面温度可保持在合适的范围内,有效促进活性h原子浓度的增加,这对提高金刚石涂层的均匀性和沉积速率都是很有益处的,对降低涂层内应力、提高附着力也有重要作用。

对比例1

本对比例同实施例1,所不同之处在于:

本对比例所采用的刀具冷却底座为在先发明(专利申请号201110028846.2)中的三明治式结构:铜块尺寸高、宽、长为30×60×120mm,石墨相应尺寸为30×60×120mm,厚度为0.4mm的钼片裁成60×120mm,在冷却底座均匀间隔地钻40个的孔(孔深40mm),以便安装直立插入40把铣刀。钼片覆盖在石墨块上,保护石墨不被h原子所腐蚀。该刀具冷却底座是固定的,不可升降。

热丝布置方式同图1。

本对比例1沉积得到的复合金刚石涂层厚度分布曲线如图4中的曲线a或曲线b所示。由于热丝为单层排布并且刀具冷却底座不可升降,单层热丝的布置位置会极大的影响复合金刚石涂层厚度的分布,曲线a为单层热丝靠近刀尖位置时得到的复合金刚石涂层厚度分布,曲线b则为单层热丝靠近刀刃底部位置时得到的复合金刚石涂层厚度分布。对比例1沉积复合金刚石涂层的效果远远不如实施例1。

对比例2

本对比例同实施例1,所不同之处在于:

本对比例采用图5所示的上下两层热丝排布方式,所采用的刀具冷却底座为在先发明(专利申请号201110028846.2)中的三明治式结构:铜块尺寸高、宽、长为30×60×120mm,石墨相应尺寸为30×60×120mm,厚度为0.4mm的钼片裁成60×120mm,在冷却底座均匀间隔地钻40个的孔(孔深40mm),以便安装直立插入40把铣刀。钼片覆盖在石墨块上,保护石墨不被h原子所腐蚀。该刀具冷却底座不可升降。

本对比例2相当于在先发明(专利申请号201110028846.2)的方案,沉积得到的复合金刚石涂层厚度分布曲线如图4中的曲线c所示,曲线c近似呈现出曲线a与曲线b的叠加效果,但其均匀性不及实施例1得到的曲线d的均匀性,这说明上下两层热丝排布可以部分实现刀刃表面温度场的均匀分布,但是由于沉积过程中热丝和刀具的相对位置固定,热丝到刀刃表面不同位置的辐射距离及辐射角固定,因此刀刃表面不同位置的温度场、反应基团密度场仍然存在较大差异。对比例2沉积复合金刚石薄膜层的效果低于实施例1,即在先发明的沉积效果不及本发明。

对比例3

本对比例同实施例1,所不同之处在于:

本对比例采用的刀具冷却底座为在先发明(专利申请号201110028846.2)中的三明治式结构:紫铜块尺寸高、宽、长为30×60×120mm,石墨相应尺寸为30×60×120mm,厚度为0.4mm的钼片裁成60×120mm,在冷却底座均匀间隔地钻40个的孔(孔深40mm),以便安装直立插入40把铣刀。钼片覆盖在石墨块上,保护石墨不被h原子所腐蚀。

热丝布置方式同图1,刀具冷却底座可升降。

沉积得到的复合金刚石涂层厚度分布曲线如图4中的曲线e所示,尽管曲线e能够保证刀刃整体涂层厚度的均匀性,但其沉积效率低于对比例2中的曲线c和实施例1的曲线d,并且其涂层含有一定量石墨杂质,质量不如实施例1所得涂层。这是因为在先发明中冷却底座钼片下方的两层结构为紫铜块和石墨,紫铜块的导热系数为400w/m·k,石墨的导热系数为129w/m·k,两者的导热系数均较大,且始终与钼片层紧密贴合,没有中空间距,容易导致刀刃处沉积温度冷却较快从而低于金刚石沉积的最佳沉积温度范围,沉积效率较低并且伴随有一定量的石墨产生进而降低涂层与刀具基体的结合力。

实施例2

本实施例同实施例1,所不同之处在于:

采用的刀具冷却底座为3层结构:钼片+石墨+不锈钢;第三步,单层金刚石薄膜沉积:反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮),调整反应室压力后开始单层cvd金刚石涂层的沉积,工艺参数为:压力25torr,气体总流量1000毫升/分,丙酮/氢气(体积比)为2.6%,钽丝温度为2100℃左右,经过3小时沉积后,刀刃处沉积得到约6-8微米厚的金刚石涂层。将每把刀具5位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行3小时沉积,获得约12-16微米厚的金刚石涂层,并可有效保证涂层均匀性。该铣刀用于石墨加工,工作寿命比硬质合金铣刀提高10倍以上,工件的加工精度与表面光洁度也得到了提高。

实施例3

本实施例同实施例1,所不同之处在于:

本实施例采用图3b所示的4层结构刀具冷却底座,最上方的钼片层1与下面的冷却底座(石墨层6+紫铜层2+不锈钢层3)部分形成一定的中空间距,石墨尺寸高、宽、长为15×60×120mm,紫铜尺寸高、宽、长为10×60×120mm,不锈钢尺寸高、宽、长为20×60×120mm,厚度为0.4mm的钼片1裁成60×120mm,在刀具冷却底座均匀间隔地钻40个的孔(孔深40mm),以便安装直立插入40把铣刀。

采用与实施例1相同的沉积参数,最终获得10-12微米厚的微米-纳米复合金刚石薄膜涂层,并可有效保证涂层均匀性。该铣刀用于石墨加工,工作寿命比硬质合金铣刀提高10倍以上,工件的加工精度与表面光洁度也得到了提高。

实施例4

在加工石墨用铣刀上镀覆cvd金刚石涂层,刀柄直径为刀刃长为20mm,刀具总长为50毫米。本实施例所采用的刀具冷却底座结构为:钼片层+不锈钢层,不锈钢尺寸高、宽、长为30×60×120mm,厚度为0.2mm的钼片1裁成60×120mm,在冷却底座均匀间隔地钻50个的孔(孔深25mm),以便安装直立插入50把铣刀。

第一步、取上述的长柄铣刀50把,进行同实施例1的预处理,将50把铣刀刀柄分5排插入到刀具冷却底座中,每排10把,置于热丝cvd反应室的水冷却平台上,开始复合金刚石涂层的沉积。

第二步、热丝采用6根线径为的钽丝,钽丝间距40毫米,热丝所在平面平行于刀具冷却底座平面,可设置在复杂形状刀具刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm之间的任意位置,且随着刀具冷却底座的升降可在该范围内自由移动。反应室抽真空后通入反应气体(氢气、丙酮和硼酸三甲酯),调整反应室压力后开始cvd金刚石涂层的沉积,在沉积过程中通过plc控制水冷工作台及刀具冷却底座的周期性上升和下降(周期为30min),从而保证热丝相对于复杂形状刀具产生刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm范围内的周期性上升与下降,工艺参数为:压力25torr,气体总流量1000毫升/分,丙酮/氢气(体积比)为2.6%,硼/碳为5000ppm,钽丝温度为2100℃左右,经过2小时沉积后,刀刃处沉积得到约5-7微米厚的硼掺杂复合金刚石涂层。将每把刀具位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行2小时沉积,获得约10-14微米厚的硼掺杂复合金刚石涂层,并可有效保证涂层均匀性。该铣刀用于石墨加工,工作寿命比硬质合金铣刀提高9倍以上,工件的加工精度与表面光洁度也得到了提高。

实施例5

在加工碳纤维增强复合材料用钻头上镀覆cvd金刚石涂层,刀柄直径为刀刃长为35mm,刀具总长为60mm。本实施例所采用的刀具冷却底座结构为:钼片层+紫铜层,紫铜尺寸高、宽、长为25×60×120mm,厚度为0.5mm的钼片裁成60×120mm,在冷却底座均匀间隔地钻35个的孔(孔深25mm),以便安装直立插入35把钻头。

第一步、取上述的长柄铣刀35把,进行同实施例1的预处理,将35把钻头刀柄插入到刀具冷却底座中,每排7把,置于热丝cvd反应室的水冷却平台上,开始复合金刚石涂层的沉积。

第二步、热丝采用6根线径为的钽丝,钽丝间距35毫米,热丝所在平面平行于刀具冷却底座平面,可设置在复杂形状刀具刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm之间的任意位置,且随着刀具冷却底座的升降可在该范围内自由移动。反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮),调整反应室压力后开始cvd金刚石涂层的沉积,在沉积过程中通过plc控制水冷工作台及刀具冷却底座的周期性上升和下降(周期为30min),从而保证热丝相对于复杂形状刀具产生刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm范围内的周期性上升与下降,工艺参数为:压力25torr,气体总流量1000毫升/分,丙酮/氢气(体积比)为2.6%,钽丝温度为2100℃左右,经过2小时沉积后,刀刃处沉积得到约3-4微米厚的微米金刚石涂层。将每把刀具位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行2小时沉积,获得约6-8微米厚的金刚石涂层,将压力调整为10torr,再沉积1.5小时后,沉积得到8-10微米厚的微米-纳米复合金刚石涂层,将每把刀具位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行1.5小时沉积,最终刀刃处沉积得到10-12微米厚的微米-纳米复合金刚石涂层,并可有效保证涂层均匀性。该铣刀用于碳纤维增强复合材料高效钻孔,工作寿命比硬质合金铣刀提高9倍以上,工件的加工精度与表面光洁度也得到了提高。

实施例6

在加工石墨用铣刀上镀覆cvd金刚石涂层,刀柄直径为刀刃长为20mm,刀具总长为50毫米。本实施例所采用的刀具冷却底座结构为:钼片层+石墨层,石墨尺寸高、宽、长为30×60×120mm,厚度为0.2mm的钼片1裁成60×120mm,在冷却底座均匀间隔地钻45个的孔(孔深25mm),以便安装直立插入50把铣刀。

第一步、取上述的长柄铣刀45把,进行同实施例1的预处理,将50把铣刀刀柄分5排插入到刀具冷却底座中,每排9把,置于热丝cvd反应室的水冷却平台上,开始复合金刚石涂层的沉积。

第二步、热丝采用6根线径为的钽丝,钽丝间距35毫米,热丝所在平面平行于刀具冷却底座平面,可设置在复杂形状刀具刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm之间的任意位置,且随着刀具冷却底座的升降可在该范围内自由移动。反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮),调整反应室压力后开始cvd金刚石涂层的沉积,在沉积过程中通过plc控制水冷工作台及刀具冷却底座的周期性上升和下降(周期为30min),从而保证热丝相对于复杂形状刀具产生刀尖位置向上20mm至刀刃底部向下20mm范围内的周期性上升与下降,工艺参数为:压力25torr,气体总流量1000毫升/分,丙酮/氢气(体积比)为2.6%,钽丝温度为2100℃左右,经过2小时沉积后,刀刃处沉积得到约3-5微米厚的微米金刚石涂层。将每把刀具位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行2小时沉积,获得约6-10微米厚的金刚石涂层,将压力调整为10torr,再沉积1.5小时后,沉积得到8-12微米厚的微米-纳米复合金刚石涂层,将每把刀具位置旋转90度,用同样的工艺参数再进行1.5小时沉积,最终刀刃处沉积得到10-14微米厚的微米-纳米复合金刚石涂层,并可有效保证涂层均匀性。该铣刀用于碳纤维增强复合材料高效钻孔,工作寿命比硬质合金铣刀提高9倍以上,工件的加工精度与表面光洁度也得到了提高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1