[发明专利]金刚石涂层刀具及其在纤维复合材料加工中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石涂层刀具及其应用，更确切地说本发明提供一种用于碳纤维或玻璃纤维等复合材料加工的刀具，属于机械加工制造技术领域。

背景技术

复合材料是近年材料科学高速发展的产物，有很大的应用空间，且可以根据使用条件的要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大的提高了工程结构的效能，已成为一种当代新型的工程材料。现代工程结构所用的复合材料，按照基体材料的类型可分为树脂基、金属基和陶瓷基这三大类。碳纤维复合材料是比较典型的一种树脂基复合材料，其含碳量一般都在90％以上，比强度高、比模量高，可用于生产质轻而强度高、层薄而刚度大的构件，且抗疲劳性能好，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，在航空、航天工业中有广泛的应用前景。对于形状复杂的零部件成型后需要进行二次加工，但是碳纤维、玻璃纤维等复合材料非常难加工，主要体现在硬度高、层间剪切强度低和导热性差等方面。

然后，由于纤维复合材料的力学性能呈各向异性，层间强度较低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，碳纤维不能被平整的切断导致切割效果不佳。复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，因纤维断裂和基体剪切，以及切屑和前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的切屑热。在加工表面，碳纤维以脆性断裂的方式被去除，只能带走很少由加工中产生的热量，使材料塑性变形难，散热性差，高温下易产生热量堵塞，从而导致碳纤维复合材料表面产生碳化现象，影响加工表面质量。切削热主要传向刀具和工件，导致刀具快速磨损，许多刀具都难以完成复合材料构件的切削全过程，影响加工效率和加工件精度。

总的来说，碳纤维、玻璃纤维等复合材料的切割过程中容易产生两种缺陷：一种是切口损伤，主要是切口边缘的附近容易产生出口分层、撕裂、毛刺、拉丝等缺陷；二是层间分层，主要是指碳纤维复合材料层与层之间发生的分离，从而使复合材料内部组织变得疏松，从而降低了构件强度和其他性能。

纤维复合材料的加工难题能否解决，直接关系到该材料的应用，刀具是制约切削加工工艺的主要因素。目前普遍使用的螺旋刃整体合金或高速钢立铣刀，连续的长切削刃使得刃口不锋利，最终导致了加工刀具切削性能差、加工效率低、刀具寿命短的加工效果，且连续的长切削刃容易使加工表面出现毛刺、分层、起皮等不合格加工现象。选用合理的刀具材料和刀具结构是解决复合材料加工难题的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石涂层刀具及其应用，提供的金刚石涂层刀具旨在提高碳纤维、玻璃纤维等复合材料的切削性能和加工效率的金刚石涂层刀具，能够很好解决上面所述的复材加工中出现的分层、撕裂、毛刺、拉丝、层间分层等缺陷，且明显提高刀具的加工寿命。且由于本发明独特的结构设计，可用于碳纤维或玻璃纤维复合材料板材镂空、铣边、钻孔等工艺的连续加工。本发明提供的金刚石涂层刀具，如图1所示包括钻尖、刃部和柄部，其特征在于：

(1)刀具钻尖和刃部进行纯金刚石涂层处理，金刚石涂层拥有与自然界金刚石完全一样的特性，包括高硬度、高强度、耐化学腐蚀、高热导系数，以及低摩擦系数。这些特性都有利于提高刀具的性能。可保持钻尖和刀刃在加工过程中的锋利，提高加工效果，延长使用寿命。

(2)刀具头部为钻铣一体结构，可实现钻孔和铣削的连续加工，刀具顶部的钻尖部位，根据加工复合材料板材厚度和加工时夹持情况的不一样，结构有所不同：

针对较厚的板材，或者夹持刚性较好的情况，钻尖顶角为135°和90°双顶角普通钻尖形式；

针对较薄的板材，或夹持刚性较差的情况，顶角为负，即带5～10°盘角的钻尖形式。

特殊的钻尖设计可减少复合材料钻孔时毛刺、分层、出口处纤维撕裂等现象。有助于降低和分散切削力，有效提高孔的加工质量。

(3)与钻尖相连的刃部的切削刃由左右旋对称交错的螺旋槽构成切削单元，左右槽数相等，槽数根据刀具刃径不同而有所变化，直径越大，刃数越多，前刀面角度10～12°，开槽直接形成，后刀面角度18～25°，后角刃口开槽直接磨出。

由本发明可提供的金刚石涂层刀具能实现钻铣连续加工，在处理加工零件的镂空工艺时，直接在复合材料板材上钻通孔，然后进行铣削，同时，在加工复杂零件时，可用同一把刀具连续加工，完成钻孔、镂空、铣边等多种加工工艺而无需换刀，提高了加工效率和加工精度。

本发明在刀具钻尖和刃部表面进行金刚石涂层处理，在加工时，可更长时间保持刃口的锋利，明显改善加工效果，延长刀具使用寿命，减少换刀时间，提高加工效率，降低加工成本。