[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工领域，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

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 石墨具有较高的高温强度、低热膨胀系数、较好的可加工性和良好的热、电导率，耐高温性， 化学性能稳定，可塑性，抗热震性好等优点。广泛应用于模具EDM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％以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士等国家，石墨在电火花加工用电极材料 中也占据主要地位。

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、铣、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。高速铣削具有加工速度高、切削力小、温度低以及加工工件表面质量好等特点， 可以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。

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 损钝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，而且导致难以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1/3以上。所以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。

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 高速铣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以满足复杂电极要求。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。可以用于 加工非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料 的精密加工。

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，Al₂O₃地板以及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CN102211218B，涉及一种金刚石涂 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CN103397314A，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CN103770223A，发明涉及 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涉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，并未涉及石墨刀具角度优化等内容。