加工鋁材用塗層刀片的製作方法

2023-05-06 08:53:51

專利名稱：加工鋁材用塗層刀片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種切削刀片，尤其涉及一種加工有色金屬用塗層刀片。
背景技術：
在金屬切削領域，一股根據被加工金屬特性把被加工金屬分為P (鋼材)、M (不鏽 鋼)、K(鑄鐵)、N(有色金屬)、S(耐熱合金和鈦合金)和H(淬火鋼)幾個大類。而鋁材 在有色金屬領域中的量大面廣，其切削特點是熔點低，切屑韌性較好，且鋁材切屑容易在刀 片前刀面的上表面上粘結。切屑與前刀面粘結會產生以下消極影響一是使前刀面發生嚴 重的粘結磨損，切屑流動不暢，從而導致切削力增加，切削熱增加，最終使得刀具的壽命變 短；二是前刀面切屑的粘結，容易在刀片的前刀面上形成積屑瘤，造成加工工件表面的光潔 度達不到要求。現有切削刀片的生產工藝流程是在刀片燒結後先對前刀面進行拋光處理，然後研 磨形成刃口，其工藝流程如圖1所示。如圖1所示工藝加工得到的鋁材加工用切削刀片其 外表全部為硬質合金，而且其前刀面是硬質合金拋光面，這樣的切削刀片耐磨損性能較差， 刀片的使用壽命不長。隨著切削刀片加工技術的不斷發展，塗層的先進性開始在金屬切削領域得到廣泛 的應用。在現有較為先進的切削刀片中，出現有各種形式的複合塗層刀片，也出現有在複合 塗層基礎上去除部分塗層的加工技術(例如通過噴砂或刷子處理塗層刀片)，但其去塗層 加工目的是在刀片局部去除化學性質穩定性相對較差的塗層物質，進而暴露出化學性質更 為穩定的塗層物質作為與被加工金屬接觸的接觸面，在其他部位可保留最外層穩定性相對 較差的塗層物質以作為切削時磨損檢測的易識別標誌。當然，一股的噴砂處理塗層也不能 等同於加工鋁材用塗層刀片中的拋光技術，因為根據處理目的的不同，噴砂可能是用來進 行粗糙化、用來進行金屬表面的拉絲、或者直接用於去除多餘塗層或毛刺等等，因此經普通 的噴砂處理並不一定能達到拋光效果，換句話說，經普通噴砂處理後的塗層刀片並不能當 然應用於鋁材的加工。隨著PVD塗層技術的發展和普及，一些刀片生產商也開始嘗試將塗層的優越性應 用於加工鋁材的硬質合金刀片上。根據我們多年的生產實踐經驗，具有優異性能的鋁材加 工刀應當具備兩個條件拋光的前刀面和鋒利的刃口。鋁材加工刀片後刀面與工件是近乎線接觸，後刀面的磨損不是我們的關注點，而 前刀面與切屑是面接觸，切削熱和切削力主要集中於前刀面，因此前刀面的改進上會取得 事半功倍的效果。但現有的塗層刀片並未有將後刀面塗層全部磨削除去而只保留前刀面塗 層的做法，因為按照人們多年來形成的思維定勢，切削刀片都應儘可能利用後刀面的塗層 物質以提高耐磨性。此外，現有的塗層刀片塗覆的塗層表面存在粗糙度高的缺陷，如果為克 服粗糙度高的缺陷而對塗層進行拋光已經形成刃口的刀片進行塗層後拋光，則會影響到鋁 材加工刀的第二個必備條件------鋒利的刃口。現有刀片的刃口有兩種鋒利的刃口和鈍化了的刃口。鈍化了的刃口其特點是有足夠的刃口強度和低程度的塗層應力集中，在塗層後可以承受噴砂或刷子的機械處理以去 除部分塗層，並保持刃口幾何微區形狀處理設計狀態。而鋒利的刃口本身強度低，塗層後則 塗層應力過於集中，刃口更加脆弱，塗層後再進行機械處理就容易造成對刃口的破壞(如 微崩)，不符合刀片的刃口微區設計要求。因為鋁材質地較軟、較黏，因此鋁材加工刀的刃口 需要非常的鋒利；但如果鋁材加工刀的鋒利刃口一旦製備好，就不可以再對塗層進行機械 處理。因此，現有市場上很難發現專門針對鋁材進行加工的性能優異的塗層刀片。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種抗粘結磨損能力 強、加工效率高、成本小且使用壽命長的加工鋁材用塗層刀片。為解決上述技術問題，本實用新型提出的技術方案為一種加工鋁材用塗層刀片， 所述塗層刀片包括一硬質合金基體，該硬質合金基體設有位於其頂部的前刀面和位於其側 部的後刀面，所述前刀面和後刀面相交形成有刃口，所述前刀面和任意相鄰的兩後刀面相 交形成刀尖，所述前刀面上塗覆有經過拋光的、且與鋁材親和能力低的塗層，所述後刀面為 研磨後形成的硬質合金磨削麵；所述前刀面和後刀面相交形成的刃口是未經過鈍化處理的 呈線性延伸的(經過鈍化處理後刃口往往是呈曲面延伸)鋒利刃口。由於被加工對象的材質不同，一股採用的刀具或刀片的種類也隨之不同。例如鑄 鐵材料的加工主要是短切屑，其前刀面與切屑接觸較少，前刀面影響就小。而對於本實用新 型的鋁(基)材的加工而言，由於鋁材熔點在660°c左右，在切削加工過程中，溫度稍高就使 得鋁材呈現半流體狀態，這樣切屑容易在刀片的前刀面上粘結，前刀面與切屑的接觸時間 越長，則對前刀面的消極影響越大。針對鋁材加工的前述特點，本實用新型提出了上述專門 應用於鋁材加工的塗層刀片。本實用新型的上述技術方案與現有為數不多的鋁材加工刀片 相比，其不同之處在於在考慮鋁材加工特點的基礎上，充分優化了鋁材切削刀片的生產工 藝流程，利用低成本的工藝成功解決了塗層後拋光與鋒利刃口不可兼得的技術難題，使塗 層的優越性在鋁材加工刀上得到充分發揮。上述加工鋁材用塗層刀片的前刀面上形成有經 過拋光的且與鋁材親和能力低的塗層，而後刀面為未沉積任何塗層的硬質合金磨削麵。經 過我們長時間的應用研究和切削實驗，其結果表明本實用新型的加工鋁材用塗層刀片同時 具備兩個最顯著的特點1)刀片的切削刃口異常鋒利；2)刀片的前刀面極其光滑。而這兩 個顯著特點決定了本實用新型的加工鋁材用塗層刀片在鋁材的切削中具有優異的技術效 果，能大大延長刀片的使用壽命。上述的塗層刀片中，所述塗層優選為氮化鈦、硼化物、金剛石或者類金剛石形成的 單一塗層，所述塗層厚度為1 ΙΟμπι。事實上，塗層物質還可以為碳化物、碳氮化物等，但 在結合PVD塗層材料技術的基礎上，我們認為優選採用硼化物、金剛石或者類金剛石形成 的單一塗層，因為這幾種塗層物質不僅與被加工金屬鋁的親和能力較低，不易於與被加工 金屬鋁發生化學擴散而粘結，而且生產出的產品質量穩定性高。由於塗層物質的晶粒比硬 質合金基體的晶粒更加細小(塗層物質可以達到晶粒小於50nm，而製作刀具的硬質合金晶 粒一股是0.4 5 μ m)；而且硬質合金表面成分一股至少是兩相(碳化鎢相和粘結相)甚至 也可以是三相(碳化鎢相、碳化(鈦-鎢-鉭-鈮)相和粘結相)，而本實用新型塗層刀片的表面塗層是同一物質，因此本實用新型刀片的表面塗層更容易拋光獲得更高的光潔度。 由於優選技術方案的塗層厚度遠小於刀片研磨單邊去除量，這樣在塗覆塗層過程中沉積在 後刀面上的塗層物質能夠很容易地被去除(因為研磨單邊去除量在100 μ m以上，一股達到 150 μ m左右)，因此後刀面經過研磨後並不覆蓋有塗層物質，而是硬質合金基體外露形成 的硬質合金磨削麵，這樣不僅減小了成本，而且提高了加工效率。此外，這幾種優選的塗層 物質還能使得前刀面呈現不同的顏色(例如氮化鈦塗層刀片的前刀面為金黃色，而硼化物 塗層刀片的前刀面為灰色)，而前刀面顏色的變化可以成為進一步細分不同種類塗層刀片 的一個外觀表徵；後刀面因為研磨去除了其塗層物質從而顯現硬質合金的本色，這種刀片 顏色的不同組合，對於今後生產實踐中操作人員選擇、區分不同種類的刀片提供了便利。作為對上述技術方案的進一步改進，上述塗層刀片中所述塗層為硼化物塗層和氮 化鈦塗層組成的複合塗層，且氮化鈦塗層位於最外層，所述複合塗層厚度為3 20 μ m。該 複合塗層刀片是一種更優選的技術方案，其不僅具備上述單塗層刀片的所有優點，而且其 充分結合了硼化物的防化學擴散特性和氮化鈦的減少摩擦係數特性。由於將氮化鈦塗層設 置在最外層，因此其更有利於通過拋光技術改善刀片前刀面的質量。上述本實用新型加工鋁材用塗層刀片的製備方法，包括配料、壓制、燒結成型、表 面處理和塗覆塗層多個步驟，對塗覆塗層步驟後所得刀片的前刀面進行拋光，再對該刀片 的後刀面進行研磨形成鋒利刃口，得到加工鋁材用塗層刀片。該製備方法使塗層後拋光以 及保持鋒利刃口兩種鋁材加工刀需要的特性得以同時實現。現有的塗層刀片並未有將後刀面塗層全部磨削除去而只保留前刀面塗層的做法， 因為按照人們多年來形成的思維定勢，切削刀片都應儘可能利用後刀面的塗層物質以提高 耐磨性。而本實用新型製備方法的巧妙之處在於將塗覆塗層步驟安排在拋光、研磨步驟之 前；且在塗覆塗層步驟之前進行表面處理，這種處理可以是高效率的噴砂或刷子拉毛處理， 目的是增加前刀面表面的有效微觀面積，增加PVD塗層結合力，這樣本實用新型製備方法 製得的塗層刀片其前刀面塗層物質具有更高的抗化學粘結磨損能力，也具有與基體更高的 結合強度，塗層拋光後刀片表面更緻密，能大幅度降低刀片前刀面與鋁材切屑的化學擴散 粘結和機械咬合粘結，使得鋁材切屑排出更流暢，刀片的切削壽命及被加工件表面光潔度 也大大提高。本實用新型製備方法的研磨步驟是在拋光步驟之後僅針對刀片的後刀面進 行，這樣不僅避免了拋光過程對刃口損壞和鈍化作用，而且能使得刀片的刃口極儘可能的 鋒利，強化了對鋁材的切削效果。此外，對本實用新型優選的單物質塗層進行拋光的時間只需要原硬質合金拋光時 間的三分之一，且往往可以獲得Ra為0. 1 μ m以下的粗糙度(噴砂或刷子處理獲得粗糙度 Ra為0. 8 μ m以上)，而硬質合金表面拋光獲得的表面粗糙度Ra很難控制在0. 5 μ m以下，可 見本實用新型的製備工藝不但提高了前刀面拋光的表面質量，而且大大縮短了拋光時間。

圖1為現有技術中切削刀片的製備工藝流程圖。圖2為本實用新型實施例1中加工鋁材用塗層刀片的俯視圖。圖3為圖2中A-A處的局部剖面圖。圖4為本實用新型加工鋁材用塗層 片的製備工藝流程圖。[0021]圖例說明1、硬質合金基體；2、前刀面；3、後刀面；4、刃口 ；5、刀尖；6、塗層。
具體實施方式
實施例1 一種如圖2、圖3所示的本實用新型加工鋁材用塗層刀片，該塗層刀片包括一呈近 似長方體狀的硬質合金基體1，該硬質合金基體1設有位於其頂部的前刀面2 (即頂面)和 位於其側部的後刀面3 (即四個側面)，前刀面2和每一個後刀面3相交形成有一條刃口 4， 該刃口 4是未經過鈍化處理的呈線性延伸的鋒利刃口，前刀面2和任意相鄰的兩後刀面3 相交形成刀尖5，前刀面2上塗覆有經過拋光的氮化鈦塗層6，塗層厚度為5 μ m,晶粒度為 20nm，前刀面2呈現金黃色，後刀面3為研磨後形成的硬質合金磨削麵，後刀面3呈現硬質 合金本色。本實施例加工鋁材用塗層刀片製備方法的工藝流程如圖4所示，依次包括配料、 壓制、燒結成型、表面處理、塗覆塗層、前刀面拋光、後刀面研磨多個步驟。具體的，本實施例 中塗覆塗層工藝是採用鈦靶和氮氣為原料，並對塗層裝夾方式進行優化，將常規的前刀面 與靶垂直裝夾的平裝改為前刀面與靶平行裝夾的豎裝方式，使塗層物質垂直地沉積在前刀 面2上，提高塗層6的厚度和塗層6與硬質合金基體1的結合強度；根據採用氮化鈦塗層6 的粗糙度(具體Ra = 0.4 μ m)，本實施例對前刀面塗層進行拋光時間僅為5min，拋光後氮 化鈦塗層6的去除量約為0. 6 μ m，粗糙度Ra = 0. 04 μ m ；拋光後視刀片毛坯變形量後刀面 研磨的單邊去除量為110 130 μ m。採用本實施例的加工鋁材用塗層刀片與現有刀片(拋光後粗糙度Ra = 0. 08 μ m) 對同一加工對象進行切削加工的對比，加工對象為鋁材LC4 ；判斷刀具失效的標準為零件 表面光潔度和表面毛刺，或成品尺寸不穩定；對比切削後的測試結果如下表1所示表1 實施例1的塗層刀片與現有刀片的對比切削試驗對照表
權利要求一種加工鋁材用塗層刀片，所述塗層刀片包括一硬質合金基體，該硬質合金基體設有位於其頂部的前刀面和位於其側部的後刀面，所述前刀面和後刀面相交形成刃口，所述前刀面和任意相鄰的兩後刀面相交形成刀尖，其特徵在於所述前刀面上塗覆有經過拋光的、且與鋁材親和能力低的塗層，所述後刀面為研磨後形成的硬質合金磨削麵；所述前刀面和後刀面相交形成的刃口是未經過鈍化處理的呈線性延伸的鋒利刃口。
2.根據權利要求1所述的塗層刀片，其特徵在於所述塗層為氮化鈦、硼化物、金剛石 或者類金剛石形成的單一塗層，所述塗層厚度為1 10 μ m。
3.根據權利要求1所述的塗層刀片，其特徵在於所述塗層為硼化物塗層和氮化鈦塗 層組成的複合塗層，且氮化鈦塗層位於最外層，所述複合塗層厚度為3 20 μ m。
專利摘要本實用新型屬於加工有色金屬切削刀片領域，具體公開了一種加工鋁材用塗層刀片，該塗層刀片包括硬質合金基體，其設有位於頂部的前刀面和位於其側部的後刀面，前刀面和後刀面相交形成刃口，前刀面和任意相鄰的兩後刀面相交形成刀尖，前刀面上塗覆有經過拋光的、且與鋁材親和能力低的塗層，後刀面為研磨後形成的硬質合金磨削麵；刃口是未經過鈍化處理的呈線性延伸的鋒利刃口。本實用新型的切削刀片具有抗粘結磨損能力強、加工效率高、加工成本小且使用壽命長等優點。
文檔編號B23B27/00GK201720453SQ20102017309
公開日2011年1月26日 申請日期2010年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者馮震, 徐令斌, 李屏, 王社權, 王芳 申請人:株洲鑽石切削刀具股份有限公司