加工铝材用涂层刀片及其制备方法 技术领域 本发明涉及一种切削刀片及其制备方法， 尤其涉及一种加工有色金属用涂层刀片 及其制备方法。
背景技术 在金属切削领域， 一股根据被加工金属特性把被加工金属分为 P( 钢材 )、 M( 不锈 钢 )、 K( 铸铁 )、 N( 有色金属 )、 S( 耐热合金和钛合金 ) 和 H( 淬火钢 ) 几个大类。而铝材 在有色金属领域中的量大面广， 其切削特点是熔点低， 切屑韧性较好， 且铝材切屑容易在刀 片前刀面的上表面上粘结。切屑与前刀面粘结会产生以下消极影响 ： 一是使前刀面发生严 重的粘结磨损， 切屑流动不畅， 从而导致切削力增加， 切削热增加， 最终使得刀具的寿命变 短； 二是前刀面切屑的粘结， 容易在刀片的前刀面上形成积屑瘤， 造成加工工件表面的光洁 度达不到要求。
现有切削刀片的生产工艺流程是在刀片烧结后先对前刀面进行抛光处理， 然后研 磨形成刃口， 其工艺流程如图 1 所示。如图 1 所示工艺加工得到的铝材加工用切削刀片其 外表全部为硬质合金， 而且其前刀面是硬质合金抛光面， 这样的切削刀片耐磨损性能较差， 刀片的使用寿命不长。
随着切削刀片加工技术的不断发展， 涂层的先进性开始在金属切削领域得到广泛 的应用。 在现有较为先进的切削刀片中， 出现有各种形式的复合涂层刀片， 也出现有在复合 涂层基础上去除部分涂层的加工技术 ( 例如通过喷砂或刷子处理涂层刀片 )， 但其去涂层 加工目的是在刀片局部去除化学性质稳定性相对较差的涂层物质， 进而暴露出化学性质更 为稳定的涂层物质作为与被加工金属接触的接触面， 在其他部位可保留最外层稳定性相对 较差的涂层物质以作为切削时磨损检测的易识别标志。当然， 一股的喷砂处理涂层也不能 等同于加工铝材用涂层刀片中的抛光技术， 因为根据处理目的的不同， 喷砂可能是用来进 行粗糙化、 用来进行金属表面的拉丝、 或者直接用于去除多余涂层或毛刺等等， 因此经普通 的喷砂处理并不一定能达到抛光效果， 换句话说， 经普通喷砂处理后的涂层刀片并不能当 然应用于铝材的加工。
随着 PVD 涂层技术的发展和普及， 一些刀片生产商也开始尝试将涂层的优越性应 用于加工铝材的硬质合金刀片上。根据我们多年的生产实践经验， 具有优异性能的铝材加 工刀应当具备两个条件 ： 抛光的前刀面和锋利的刃口。
铝材加工刀片后刀面与工件是近乎线接触， 后刀面的磨损不是我们的关注点， 而 前刀面与切屑是面接触， 切削热和切削力主要集中于前刀面， 因此前刀面的改进上会取得 事半功倍的效果。 但现有的涂层刀片并未有将后刀面涂层全部磨削除去而只保留前刀面涂 层的做法， 因为按照人们多年来形成的思维定势， 切削刀片都应尽可能利用后刀面的涂层 物质以提高耐磨性。 此外， 现有的涂层刀片涂覆的涂层表面存在粗糙度高的缺陷， 如果为克 服粗糙度高的缺陷而对已经形成刃口的刀片进行涂层后抛光， 则会影响到铝材加工刀的第 二个必备条件 ------ 锋利的刃口。
现有刀片的刃口有两种 ： 锋利的刃口和钝化了的刃口。钝化了的刃口其特点是有 足够的刃口强度和低程度的涂层应力集中， 在涂层后可以承受喷砂或刷子的机械处理以去 除部分涂层， 并保持刃口几何微区形状处理设计状态。 而锋利的刃口本身强度低， 涂层后则 涂层应力过于集中， 刃口更加脆弱， 涂层后再进行机械处理就容易造成对刃口的破坏 ( 如 微崩 )， 不符合刀片的刃口微区设计要求。 因为铝材质地较软、 较黏， 因此铝材加工刀的刃口 需要非常的锋利 ； 但如果铝材加工刀的锋利刃口一旦制备好， 就不可以再对涂层进行机械 处理。
因此， 现有市场上很难发现专门针对铝材进行加工的性能优异的涂层刀片。 发明内容 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足， 提供一种抗粘结磨损能力强、 加工效率高、 成本小且使用寿命长的加工铝材用涂层刀片， 还提供一种工艺简单、 成本小的 加工铝材用涂层刀片的制备方法。
为解决上述技术问题， 本发明提出的技术方案为一种加工铝材用涂层刀片， 所述 涂层刀片包括一硬质合金基体， 该硬质合金基体设有位于其顶部的前刀面和位于其侧部的 后刀面， 所述前刀面和后刀面相交形成有刃口， 所述前刀面和任意相邻的两后刀面相交形 成刀尖， 所述前刀面上涂覆有经过抛光的、 且与铝材亲和能力低的涂层， 所述后刀面为研磨 后形成的硬质合金磨削面 ； 所述前刀面和后刀面相交形成的刃口是未经过钝化处理的呈线 性延伸的 ( 经过钝化处理后刃口往往是呈曲面延伸 ) 锋利刃口。
由于被加工对象的材质不同， 一股采用的刀具或刀片的种类也随之不同。例如铸 铁材料的加工主要是短切屑， 其前刀面与切屑接触较少， 前刀面影响就小。 而对于本发明的 铝 ( 基 ) 材的加工而言， 由于铝材熔点在 660℃左右， 在切削加工过程中， 温度稍高就使得铝 材呈现半流体状态， 这样切屑容易在刀片的前刀面上粘结， 前刀面与切屑的接触时间越长， 则对前刀面的消极影响越大。针对铝材加工的前述特点， 本发明提出了上述专门应用于铝 材加工的涂层刀片。本发明的上述技术方案与现有为数不多的铝材加工刀片相比， 其不同 之处在于在考虑铝材加工特点的基础上， 充分优化了铝材切削刀片的生产工艺流程， 利用 低成本的工艺成功解决了涂层后抛光与锋利刃口不可兼得的技术难题， 使涂层的优越性在 铝材加工刀上得到充分发挥。 上述加工铝材用涂层刀片的前刀面上形成有经过抛光的且与 铝材亲和能力低的涂层， 而后刀面为未沉积任何涂层的硬质合金磨削面。经过我们长时间 的应用研究和切削实验， 其结果表明本发明的加工铝材用涂层刀片同时具备两个最显著的 特点 ： 1) 刀片的切削刃口异常锋利 ； 2) 刀片的前刀面极其光滑。而这两个显著特点决定了 本发明的加工铝材用涂层刀片在铝材的切削中具有优异的技术效果， 能大大延长刀片的使 用寿命。
上述的涂层刀片中， 所述涂层优选为氮化钛、 硼化物、 金刚石或者类金刚石形成的 单一涂层， 所述涂层厚度在 1 ～ 10μm。事实上， 涂层物质还可以为碳化物、 碳氮化物等， 但 在结合 PVD 涂层材料技术的基础上， 我们认为优选采用硼化物、 金刚石或者类金刚石形成 的单一涂层， 因为这几种涂层物质不仅与被加工金属铝的亲和能力较低， 不易于与被加工 金属铝发生化学扩散而粘结， 而且生产出的产品质量稳定性高。由于涂层物质的晶粒比硬 质合金基体的晶粒更加细小 ( 涂层物质可以达到晶粒小于 50nm， 而制作刀具的硬质合金晶
粒一股是 0.4 ～ 5μm) ； 而且硬质合金表面成分一股至少是两相 ( 碳化钨相和粘结相 ) 甚 至也可以是三相 ( 碳化钨相、 碳化 ( 钛 - 钨 - 钽 - 铌 ) 相和粘结相 )， 而本发明涂层刀片的 表面涂层是同一物质， 因此本发明刀片的表面涂层更容易抛光获得更高的光洁度。由于优 选技术方案的涂层厚度远小于刀片研磨单边去除量， 这样在涂覆涂层过程中沉积在后刀面 上的涂层物质能够很容易地被去除 ( 因为研磨单边去除量在 100μm 以上， 一股达到 150μm 左右 )， 因此后刀面经过研磨后并不覆盖有涂层物质， 而是硬质合金基体外露形成的硬质合 金磨削面， 这样不仅减小了成本， 而且提高了加工效率。此外， 这几种优选的涂层物质还能 使得前刀面呈现不同的颜色 ( 例如氮化钛涂层刀片的前刀面为金黄色， 而硼化物涂层刀片 的前刀面为灰色 )， 而前刀面颜色的变化可以成为进一步细分不同种类涂层刀片的一个外 观表征 ； 后刀面因为研磨去除了其涂层物质从而显现硬质合金的本色， 这种刀片颜色的不 同组合， 对于今后生产实践中操作人员选择、 区分不同种类的刀片提供了便利。
作为对上述技术方案的进一步改进， 上述涂层刀片中所述涂层为硼化物涂层和氮 化钛涂层组成的复合涂层， 且氮化钛涂层位于最外层， 所述复合涂层厚度在 3 ～ 20μm。该 复合涂层刀片是一种更优选的技术方案， 其不仅具备上述单涂层刀片的所有优点， 而且其 充分结合了硼化物的防化学扩散特性和氮化钛的减少摩擦系数特性。 由于将氮化钛涂层设 置在最外层， 因此其更有利于通过抛光技术改善刀片前刀面的质量。
作为一个总的技术构思， 本发明还提供一种加工铝材用涂层刀片的制备方法， 包 括配料、 压制、 烧结成型、 表面处理和涂覆涂层多个步骤， 对所述涂覆涂层步骤后所得刀片 的前刀面进行抛光， 再对该刀片的后刀面进行研磨形成锋利刃口， 得到加工铝材用涂层刀 片。该制备方法使涂层后抛光以及保持锋利刃口两种铝材加工刀需要的特性得以同时实 现。
现有的涂层刀片并未有将后刀面涂层全部磨削除去而只保留前刀面涂层的做法， 因为按照人们多年来形成的思维定势， 切削刀片都应尽可能利用后刀面的涂层物质以提高 耐磨性。而本发明制备方法的巧妙之处在于将涂覆涂层步骤安排在抛光、 研磨步骤之前 ； 且在涂覆涂层步骤之前进行表面处理， 这种处理可以是高效率的喷砂或刷子拉毛处理， 目 的是增加前刀面表面的有效微观面积， 增加 PVD 涂层结合力， 这样本发明制备方法制得的 涂层刀片其前刀面涂层物质具有更高的抗化学粘结磨损能力， 也具有与基体更高的结合强 度， 涂层抛光后刀片表面更致密， 能大幅度降低刀片前刀面与铝材切屑的化学扩散粘结和 机械咬合粘结， 使得铝材切屑排出更流畅， 刀片的切削寿命及被加工件表面光洁度也大大 提高。本发明制备方法的研磨步骤是在抛光步骤之后仅针对刀片的后刀面进行， 这样不仅 避免了抛光过程对刃口损坏和钝化作用， 而且能使得刀片的刃口极尽可能的锋利， 强化了 对铝材的切削效果。
此外， 对本发明优选的单物质涂层进行抛光的时间只需要原硬质合金抛光时间的 三分之一， 且往往可以获得 Ra 为 0.1μm 以下的粗糙度 ( 喷砂或刷子处理获得粗糙度 Ra 为 0.8μm 以上 )， 而硬质合金表面抛光获得的表面粗糙度 Ra 很难控制在 0.5μm 以下， 可见本 发明的制备工艺不但提高了前刀面抛光的表面质量， 而且大大缩短了抛光时间。 附图说明
图 1 为现有技术中切削刀片的制备工艺流程图。图 2 为本发明实施例 1 中加工铝材用涂层刀片的俯视图。 图 3 为图 2 中 A-A 处的局部剖面图。 图 4 为本发明加工铝材用涂层刀片的制备工艺流程图。 图例说明 ： 1、 硬质合金基体 ； 2、 前刀面 ； 3、 后刀面 ； 4、 刃口 ； 5、 刀尖 ； 6、 涂层。具体实施方式
实施例 1 ：
一种如图 2 ～图 3 所示的本发明加工铝材用涂层刀片， 该涂层刀片包括一呈近似 长方体状的硬质合金基体 1， 该硬质合金基体 1 设有位于其顶部的前刀面 2( 即顶面 ) 和位 于其侧部的后刀面 3( 即四个侧面 )， 前刀面 2 和每一个后刀面 3 相交形成有一条刃口 4， 该刃口 4 是未经过钝化处理的呈线性延伸的锋利刃口， 前刀面 2 和任意相邻的两后刀面 3 相交形成刀尖 5， 前刀面 2 上涂覆有经过抛光的氮化钛涂层 6， 涂层厚度为 5μm， 晶粒度为 20nm， 前刀面 2 呈现金黄色， 后刀面 3 为研磨后形成的硬质合金磨削面， 后刀面 3 呈现硬质 合金本色。 本实施例加工铝材用涂层刀片制备方法的工艺流程如图 4 所示， 依次包括配料、 压制、 烧结成型、 表面处理、 涂覆涂层、 前刀面抛光、 后刀面研磨多个步骤。 具体的， 本实施例 中涂覆涂层工艺是采用钛靶和氮气为原料， 并对涂层装夹方式进行优化， 将常规的前刀面 与靶垂直装夹的平装改为前刀面与靶平行装夹的竖装方式， 使涂层物质垂直地沉积在前刀 面 2 上， 提高涂层 6 的厚度和涂层 6 与硬质合金基体 1 的结合强度 ； 根据采用氮化钛涂层 6 的粗糙度 ( 具体 Ra ＝ 0.4μm)， 本实施例对前刀面涂层进行抛光时间仅为 5min， 抛光后氮 化钛涂层 6 的去除量约为 0.6μm， 粗糙度 Ra ＝ 0.04μm ； 抛光后视刀片毛坯变形量后刀面 研磨的单边去除量为 110 ～ 130μm。
采用本实施例的加工铝材用涂层刀片与现有刀片 ( 抛光后粗糙度 Ra ＝ 0.08μm) 对同一加工对象进行切削加工的对比， 加工对象为铝材 LC4 ； 判断刀具失效的标准为 ： 零件 表面光洁度和表面毛刺， 或成品尺寸不稳定 ； 对比切削后的测试结果如下表 1 所示 ：
表1： 实施例 1 的涂层刀片与现有刀片的对比切削试验对照表
由表 1 可见， 本发明的涂层刀片相比于现有刀片在对铝材进行加工时， 刀具寿命 能延长到现有的刀片的 4 倍以上。
实施例 2 ：
一种本发明加工铝材用涂层刀片， 该涂层刀片包括一呈近似长方体状的硬质合金 基体， 该硬质合金基体设有位于其顶部的前刀面 ( 即顶面 ) 和位于其侧部的后刀面 ( 即四
个侧面 )， 前刀面和每一个后刀面相交形成有一条刃口， 该刃口是未经过钝化处理的呈线性 延伸的锋利刃口， 前刀面和任意相邻的两后刀面相交形成刀尖， 前刀面上涂覆有经过抛光 的硼化钛涂层， 涂层厚度为 4.5μm， 晶粒度为 24nm， 前刀面呈现灰色， 后刀面为研磨后形成 的硬质合金磨削面， 后刀面呈现硬质合金本色。
本实施例加工铝材用涂层刀片制备方法的工艺流程如图 4 所示， 依次包括配料、 压制、 烧结成型、 表面处理、 涂覆涂层、 前刀面抛光、 后刀面研磨多个步骤。具体的本实施例 硼化钛的涂覆涂层工艺是采用钛和硼的靶和氩气为原料， 并涂层的装夹方式进行优化， 将 常规的前刀面与靶垂直装夹的平装方式改为前刀面与靶平行装夹的竖装方式， 使涂层物质 垂直地沉积在前刀面上， 以提高涂层的厚度和涂层与硬质合金基体的结合强度 ； 根据采用 硼化钛涂层的粗糙度粗糙度 ( 具体 Ra ＝ 0.35μm)， 抛光时间为 8min， 抛光后前刀面的硼化 钛涂层减薄 0.5μm 粗糙度 Ra ＝ 0.025μm ； 抛光后视刀片毛坯变形量后刀面研磨的单边去 除量为 110 ～ 130μm。
采用本实施例的加工铝材用涂层刀片与现有刀片 ( 抛光后粗糙度 Ra ＝ 0.08μm) 对同一加工对象进行切削加工的对比， 加工对象为压铸铝合金 A360， 其主要化学成分包含 ： Si 9.0 ～ 10.0％， Fe 1.3％， Cu 0.6％， 余量为 Al， 该合金的硬度为 HB ＝ 80Kg/mm2 ； 判断刀 具失效的标准为 ： 零件表面光洁度和表面毛刺， 或成品尺寸不稳定 ； 对比切削后的测试结 果如下表 2 所示 ：
表2： 实施例 2 的涂层刀片与现有刀片的对比切削试验对照表
由表 2 可见， 本发明的涂层刀片相比于现有刀片在对铝合金进行加工时， 刀具寿 命能延长到现有的刀片的 5 倍以上。
实施例 3 ：
一种本发明加工铝材用涂层刀片， 该涂层刀片包括一呈近似长方体状的硬质合金 基体， 该硬质合金基体设有位于其顶部的前刀面 ( 即顶面 ) 和位于其侧部的后刀面 ( 即四 个侧面 )， 前刀面和每一个后刀面相交形成有一条刃口， 该刃口是未经过钝化处理的呈线 性延伸的锋利刃口， 前刀面和任意相邻的两后刀面相交形成刀尖， 前刀面上涂覆有经过抛 光的氮化钛和硼化钛的复合涂层， 复合涂层总厚度为 12μm， 氮化钛晶粒度为 22nm， 厚度为 5μm 作为表层， 而硼化钛作底层， 厚度为 7μm， 晶粒度为 26nm， 前刀面呈现呈现金黄色， 后 刀面为研磨后形成的磨削面， 后刀面呈现硬质合金本色。
本实施例加工铝材用涂层刀片制备方法的工艺流程如图 4 所示， 依次包括配料、 压制、 烧结成型、 表面处理、 涂覆涂层、 前刀面抛光 ( 或喷砂 )、 后刀面研磨多个步骤。具体
的， 本实施例硼化钛的涂覆涂层工艺是采用钛和硼的靶和氩气为原料， 并涂层的装夹方式 进行优化， 将常规的前刀面与靶垂直装夹的平装方式改为前刀面与靶平行装夹的竖装方式， 使涂层物质垂直地沉积在前刀面上， 以提高涂层的厚度和涂层与硬质合金基体的结合 强度 ； 涂完硼化钛后再采用钛靶和氮气作为原料涂覆氮化钛涂层作为最外层， 其方法与前 述方法基本相同 ； 根据采用氮化钛涂层的粗糙度 ( 具体 Ra ＝ 0.5μm)， 抛光时间为 5min， 抛 光后前刀面的氮化钛涂层减薄 0.6μm， 粗糙度 Ra ＝ 0.04μm ； 抛光后视刀片毛坯变形量后 刀面研磨的单边去除量为 110 ～ 130μm。
采用本实施例的加工铝材用涂层刀片与现有刀片 ( 抛光后粗糙度 Ra ＝ 0.08μm) 对同一加工对象进行切削加工的对比， 加工对象为压铸铝合金 A360， 其主要化学成分包含 ： Si 9.0 ～ 10.0％， Fe 1.3％， Cu 0.6％， 余量为 Al， 该合金的硬度为 HB ＝ 80Kg/mm2 ； 判断刀 具失效的标准为 ： 零件表面光洁度和表面毛刺， 或成品尺寸不稳定 ； 对比切削后的测试结 果如下表 2 所示 ：
表3： 实施例 3 的涂层刀片与现有刀片的对比切削试验对照表
由表 3 可见， 本发明的涂层刀片相比于现有刀片在对铝合金进行加工时， 刀具寿 命能延长到现有的刀片的 7 倍以上。
实施例 4 ：
一种本发明加工铝材用涂层刀片， 该涂层刀片包括一呈近似长方体状的硬质合金 基体， 该硬质合金基体设有位于其顶部的前刀面 ( 即顶面 ) 和位于其侧部的后刀面 ( 即四 个侧面 )， 前刀面和每一个后刀面相交形成有一条刃口， 该刃口是未经过钝化处理的呈线性 延伸的锋利刃口， 前刀面和任意相邻的两后刀面相交形成刀尖， 前刀面上涂覆有经过抛光 的类金刚石涂层， 涂层总厚度为 6μm， 晶粒度为 18nm， 前刀面呈现灰褐色， 后刀面为研磨后 形成的磨削面， 后刀面呈现硬质合金本色。
本实施例加工铝材用涂层刀片制备方法的工艺流程如图 4 所示， 依次包括配料、 压制、 烧结成型、 表面处理、 涂覆涂层、 前刀面抛光 ( 或喷砂 )、 后刀面研磨多个步骤。具体 的， 本实施例涂覆涂层工艺是采用碳靶和氩气为原料， 并涂层的装夹方式进行优化， 将常规 的前刀面与靶垂直装夹的平装方式改为前刀面与靶平行装夹的竖装方式， 使涂层物质垂直 地沉积在前刀面上， 以提高涂层的厚度和涂层与硬质合金基体的结合强度 ； 根据采用类金 刚石涂层的粗糙度 ( 具体 Ra ＝ 0.45μm)， 抛光时间为 10min， 抛光后前刀面的类金刚石涂 层减薄 0.6μm， 粗糙度为 Ra ＝ 0.03μm ； 抛光后视刀片毛坯变形量后刀面研磨的单边去除 量为 110 ～ 130μm。
采用本实施例的加工铝材用涂层刀片与现有刀片 ( 抛光后粗糙度 Ra ＝ 0.08μm) 对同一加工对象进行切削加工的对比， 加工对象为压铸铝合金 A360， 其主要化学成分包含 ： 判断刀 Si 9.0 ～ 10.0％， Fe 1.3％， Cu 0.6％， 余量为 Al， 该合金的硬度为 HB ＝ 80Kg/mm2 ； 具失效的标准为 ： 零件表面光洁度和表面毛刺， 或成品尺寸不稳定 ； 对比切削后的测试结 果如下表 2 所示 ：
表4： 实施例 4 的涂层刀片与现有刀片的对比切削试验对照表
由表 4 可见， 本发明的涂层刀片相比于现有刀片在对铝合金进行加工时， 刀具寿 命能延长到现有的刀片的 8 倍以上。