一种数控刀具表面处理方法

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，特别涉及一种数控刀具表面处理方法。

背景技术

在数控刀具表面沉积硬质涂层就是改善刀具切削性能的重要途径。表面形貌是涂层的一个重要特征，因为它决定了其在许多应用中的功能性能。而数控刀具表面上大量的缺陷会降低涂层的质量，从而造成产品质量问题，也降低了数控刀具的性能和可靠性。在切削应用过程中，它们甚至会导致切削灾难性的失败，使得刀具涂层容易产生剥落、崩刃等现象，从而加剧刀具的快速失效，加工效率与质量也随之降低，无法充分发挥数控刀具材质真正的性能。因此，保证产品品质性能的稳定，对于工业生产是巨大的挑战。

由于涂层的沉积和生长过程中，所有刀具基体表面的形态特征都会复制转移到涂层表面，甚至被放大。由于阴影沉积效应会放大刀具基体表面的缺陷，即使是几十纳米的相对较小的缺陷，也会在薄膜表面生长成微米级的大缺陷。相关技术中指出涂层微观尺度上的缺陷，都有其潜在的缺陷来源，缺陷源最常见的形成是由于基材的表面原位缺陷(凹坑、粗糙面，成分变化)或表面外来颗粒(灰尘、碎片、薄片)的过度生长产生的。这样的缺陷粒子是由于涂前的刀具基体表面制备时预处理工序带来的，具体基材预处理包括:机械预处理(研磨、喷砂、抛光)、湿式化学清洗(超声波清洗、碳氢清洗)。机械预处理会产生“橘皮”、“点蚀”、残沙和不规则表面等表面形态缺陷问题；湿式化学清洗会造成钴流失形成的脱钴坑、清洗剂残留附着和腐蚀形貌等成分缺陷问题。从而导致在涂层沉积过程中缺陷核化，并造成大量或大或小的缺陷生长，导致涂层刀具的性能缺陷。因此，涂前刀具基体表面的质量、成分和形貌都会直接影响涂层刀具的性能。

综上所述，需要提供一种数控刀具表面处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控刀具表面处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。

具体如下，本发明提供了一种数控刀具表面处理方法，包括以下步骤：

将数控刀具依次进行干冰微粒喷射清洗和热风干燥；

所述干冰微粒的粒径为100μm～600μm。

根据本发明表面处理方法技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：

本发明的处理方法中，干冰微粒喷射清洗是采用低温的干冰对表面附着物进行低温凝结和脆化，干冰瞬间气化产生几百倍膨胀气体剥离污染物，并且控制干冰微粒尺度对表面形成微爆破效应，进一步清除各种形式的镶嵌类型和强附着残留物。并且微爆破效应对刀具切削刃也具有一定的圆化和抛光效果且不会产生额外的损伤。这样处理后的刀口有了更稳定和规则的形态，同时刀具的性能有明显提高。更重要的是，刀具基材很多含有粘结相Co元素，其遇水容易造成钴流失，长期暴露空气中会钴氧化。干冰微粒喷射过程无水参与，减少了该问题造成的负面影响。

而热风干燥的配套使用解决了干冰清洗后被处理表面温度降到0℃以下时，空气中的水蒸气会在基材表面会有结冰层或者有冷凝水生成附着，导致灰尘颗粒粘在表面和Co成分不稳定。基材在纯热风中循环干燥，能够补充解决干冰微粒喷射清洗的不足之处，使之发挥协同提升作用。保障表面深度清洁和基材表面成分稳定，不会对表面造成二次污染。

本发明中通过对数控刀具进行表面处理，实现了膜基的优异结合，可以使数控刀具材质达到强韧耐磨一体化的理想状态。通过“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”相结合的方式对涂前的刀具表面进行处理，进一步深度清洁了深度加工步骤中的刀具表面中各种形式的残留杂质，同时保证刀具研磨品材质表面新鲜和成分稳定，达到了优化表面缺陷的目的，从而保证优良的膜基结合。该方式简单有效，有助于实现大规模工业生产中产品品质和性能的稳定性。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒的粒径为100μm～300μm。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射的压强在5MPa以上。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射的压强在6MPa以上。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射的压强在5MPa～20MPa。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射的角度为20°～70°。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射的角度为30°～60°。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射的角度为40°～50°。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射的角度为40°～45°。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射过程中单位点的喷射清洗时间为3s～5s。

根据本发明的一些实施方式，所述数控刀具干冰微粒喷射的喷射清洗时间为1min～2min。

根据本发明的一些实施方式，所述数控刀具的干冰微粒喷射流程如下：

干冰微粒喷射清洗一个刀片表面位点的喷射清洗时间为3s～5s，清洗完一个刀片位点后干冰喷流嘴依次移动到下个刀片表面位点，直至整根数控刀具束清洗结束，时间为1min/根～2min/根。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射过程中喷嘴与数控刀具的距离为3cm～10cm。

根据本发明的一些实施方式，所述热风干燥的温度为120℃～170℃。

根据本发明的一些实施方式，所述热风干燥的时间为100s～200s。

根据本发明的一些实施方式，所述热风干燥的时间为150s。

根据本发明的一些实施方式，所述热风干燥在封闭的烘干箱中进行热风循环干燥。

根据本发明的一些实施方式，所述热风为通过鼓风机提供到封闭的烘干箱中，并且鼓入的热风经过空滤机净化了空气中灰尘和水分。

根据本发明的一些实施方式，所述数控刀具为切削刀具。

根据本发明的一些实施方式，所述切削刀具为转位刀片和整体刀具中的一种。

根据本发明的一些实施方式，所述转位刀片包括铣刀、车刀、螺纹刀、槽刀和潜孔钻中的一种。

根据本发明的一些实施方式，所述整体刀具包括立铣刀、钻头、丝锥板牙、刀杆和焊接刀具中的一种。

根据本发明的一些实施方式，所述热风干燥后数控刀具要求放置在清洁恒温恒湿环境中储存。

根据本发明的一些实施方式，所述恒温恒湿环境中温度为20℃～25℃。

根据本发明的一些实施方式，所述恒温恒湿环境中温度为22℃。

根据本发明的一些实施方式，所述恒温恒湿环境中湿度为30％～40％。

根据本发明的一些实施方式，所述恒温恒湿环境中湿度为36％。

尽量减少刀具研磨品表面在放入沉积室之前的再污染。

根据本发明的一些实施方式，所述数控刀具的研磨品材质包括高速钢、金属陶瓷和立方氮化硼硬质材料中的至少一种。

根据本发明的一些实施方式，所述干冰微粒喷射清洗前进行机械预处理和湿式清洗。

根据本发明的一些实施方式，所述机械预处理为研磨和喷砂。

根据本发明的一些实施方式，所述研磨在行星式双面磨进行。

根据本发明的一些实施方式，所述行星式双面磨选用的轮磨的目数为50目～100目。

根据本发明的一些实施方式，所述行星式双面磨选用的轮磨的目数为80目。

根据本发明的一些实施方式，所述轮磨为80目绿碳砂轮磨。

根据本发明的一些实施方式，所述喷砂选用白刚玉砂。

根据本发明的一些实施方式，所述喷砂为依次采用200目和400目的白刚玉砂进行喷砂。

根据本发明的一些实施方式，所述喷砂的时间为20min～30min。

根据本发明的一些实施方式，200目白刚玉的喷砂时间为10min～15min。

根据本发明的一些实施方式，400目白刚玉的喷砂时间为10min～15min。

根据本发明的一些实施方式，所述湿式清洗为采用碱性清洗剂清洗。

根据本发明的一些实施方式，所述湿式清洗的时间为50min～70min。

根据本发明的一些实施方式，所述处理后的数控刀具钴的质量分数在7.1％以上。

根据本发明的一些实施方式，所述处理后的数控刀具钴的质量分数在7.5％以上。

根据本发明的一些实施方式，所述处理后的数控刀具钴的质量分数在8.0％以上。

本发明的表面处理方法，实现了对数控刀具表面的深度清洁，使数控刀具表面缺陷更少。同时，保证了刀具的基材表面新鲜和成分稳定。从而解决了数控刀具在大规模生产中，产品的性能和品质不稳定的现状和难题。

本发明通过对深度加工中的数控刀具进行涂前的“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”表面处理；通过干冰微粒喷射技术，采用粒径100μm～600μm的干冰颗粒以一定的高压强和角度喷射到刀具表面。干冰颗粒使刀具表面的污垢、油污、残留杂质迅速冷冻，从而凝结、脆化、剥离，最后随气流清除。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例1和对比例1～3研磨品的整体和微观的缺陷示意图。

图2为本发明实施例2和对比例4～5涂层的断口截面形貌和涂层表面的缺陷示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的实施方式中，选用数控刀具为型号RPMT1204MO-FM和20mm(长)×8mm(宽)×6mm(高)合金长条样(合金条和数控刀具均利用粉末冶金方法制得，由WC硬质相，Co粘结相组成的硬质合金基体，其材质具体选用K40基体牌号)，通过快冷烧结法制得硬质合金的毛坯。

实施例1

本实施例为一种数控刀具表面处理方法，由以下步骤组成：

将数控刀具依次进行机械预处理、湿式清洗、干冰微粒喷射清洗和热风干燥。

本实施例中数控刀具为RPMT1204MO-FM。

本实施例中机械预处理为研磨和喷砂。

本步骤中研磨为采用行星式双面磨设备对刀具毛坯采用80目绿碳砂轮磨基准面，通过周边磨床对刀具刃口进行刃磨；

本步骤中喷砂为采用200目和400目白刚玉砂子分别运用步进式喷砂线和转盘式喷砂机对烧结出刀具毛坯表面进行喷砂去除和刃口尺寸控制，喷砂时间分别为10min(200目)和10min(400目)。

本步骤中湿式清洗采用NGL公司Vacukleen系列的碱性金属清洗剂，清洗时间为60min。

本实施例中干冰微粒喷射的参数如下：

干冰颗粒微粒的粒径尺寸范围为100μm～300μm，喷射的压强为5Mpa，喷射角度与表面呈45°，喷嘴与被清洗物表面距离为5cm之间，干冰喷射清洗一个刀片表面位点的喷射清洗时间为5s，清洗完一个刀片位点后干冰喷流嘴依次移动到下个刀片表面位点，直至整根数控刀具束清洗结束，时间为2min/根。

本实施例中热风干燥步骤为：在封闭的烘干箱中进行热风循环干燥。热风是通过鼓风机提供到封闭的烘干箱中，并且鼓入的热风经过空滤机净化了空气中灰尘和水分。

本实施例中热风干燥处理后的数控刀具在恒温(22℃)恒湿(36％)环境中保存。

本实施例中还将数控刀具替换为20mm(长)×8mm(宽)×6mm(高)合金长条样(K40基体牌号)进行上述表面处理。

本实施例中数控刀具RPMT1204MO-FM和合金长条样研磨品表面的整体和微观的形貌示意图如图1中(a)所示。

实施例2

本实施例为一种涂层的制备方法，由以下步骤组成：

将实施例1中表面处理后的数控刀具和合金长条样研磨品分别进行AlTiN涂层涂覆。

涂覆的方法为：利用电弧离子镀进行涂覆AlTiN硬质涂层。

本实施例中的数控刀具RPMT1204MO-FM涂层表面形貌和合金长条样涂层断口截面形貌的示意图如图2中(b)所示。

对比例1

本对比例为一种数控刀具表面处理方法，由以下步骤组成：

将数控刀具依次进行机械预处理。

本对比例中数控刀具为RPMT1204MO-FM。

本对比例中机械预处理为研磨和喷砂。

本对比例中研磨为采用行星式双面磨设备对刀具毛坯采用80目绿碳砂轮磨基准面，通过周边磨床对刀具刃口进行刃磨；

本对比例中喷砂为采用200目和400目白刚玉砂子分别运用步进式喷砂线和转盘式喷砂机对烧结出刀具毛坯表面进行喷砂去除和刃口尺寸控制，喷砂时间分别为10min和10min。

本对比例中还将数控刀具替换为20mm(长)×8mm(宽)×6mm(高)合金长条样(K40基体牌号)进行上述表面处理。

本对比例中数控刀具RPMT1204MO-FM和合金长条样研磨品表面的整体和微观的形貌示意图如图1中(c)所示。

研磨品表面有干喷砂后Al

对比例2

本对比例为一种数控刀具表面处理方法，由以下步骤组成：

将数控刀具依次进行机械预处理和湿式超声清洗。

本对比例中数控刀具为RPMT1204MO-FM。

本对比例中机械预处理为研磨和喷砂。

本对比例中研磨为采用行星式双面磨设备对刀具毛坯采用80目绿碳砂轮磨基准面，通过周边磨床对刀具刃口进行刃磨；

本对比例中喷砂为采用200目和400目白刚玉砂子分别运用步进式喷砂线和转盘式喷砂机对烧结出刀具毛坯表面进行喷砂去除和刃口尺寸控制，喷砂时间分别为10min和10min。

本对比例中湿式超声清洗的参数如下：

时间为70min，超声功率为300W，清洗剂为碱性专用清洗剂(NGL公司Vacukleen系列的碱性金属清洗剂)。

本对比例中还将数控刀具替换为20mm(长)×8mm(宽)×6mm(高)合金长条样(K40基体牌号)进行上述表面处理。

本对比例中数控刀具RPMT1204MO-FM和合金长条样研磨品表面的整体和微观的形貌示意图如图1中(d)所示。

本对比例中研磨品表面有过度清洗导致的Co流失造成表面Co空的缺陷现象。

对比例3

本对比例为一种数控刀具表面处理方法，由以下步骤组成：

将数控刀具依次进行机械预处理和碳氢清洗。

本对比例中数控刀具为RPMT1204MO-FM。

本对比例中机械预处理为研磨和喷砂。

本对比例中研磨为采用行星式双面磨设备对刀具毛坯采用80目绿碳砂轮磨基准面，通过周边磨床对刀具刃口进行刃磨；

本对比例中喷砂为采用200目和400目白刚玉砂子分别运用步进式喷砂线和转盘式喷砂机对烧结出刀具毛坯表面进行喷砂去除和刃口尺寸控制，喷砂时间分别为10min和10min。

本对比例中碳氢清洗的参数如下：

碳氢清洗剂(除炭灰型碳氢清洗剂，产品型号为HX1760)，清洗时间15min。

本对比例中还将数控刀具替换为20mm(长)×8mm(宽)×6mm(高)合金长条样(K40基体牌号)进行上述表面处理。

本对比例中数控刀具RPMT1204MO-FM和合金长条样研磨品表面的整体和微观的形貌示意图如图1中(e)所示。

本对比例中研磨品表面有碳氢清洗液残留，导致的表面无机物粘附缺陷。

对比例4

本对比例为一种涂层的制备方法，由以下步骤组成：

将对比例2中表面处理后的数控刀具和合金长条样研磨品分别进行AlTiN涂层涂覆。

涂覆的方法为：利用电弧离子镀进行涂覆AlTiN硬质涂层。

本对比例中的数控刀具RPMT1204MO-FM涂层表面形貌和合金长条样涂层断口截面形貌的示意图如图2中(f)所示。

本对比例中涂层中Co流失严重，表现为基体和涂层结合力较差，涂层剥落现象。

对比例5

本对比例为一种涂层的制备方法，由以下步骤组成：

将对比例3中表面处理后的数控刀具和合金长条样研磨品分别进行AlTiN涂层涂覆。

涂覆的方法为：利用电弧离子镀进行涂覆AlTiN硬质涂层。

本对比例中的数控刀具RPMT1204MO-FM涂层表面形貌和合金长条样涂层断口截面形貌的示意图如图2中(g)所示。

本对比例中研磨品的镶嵌和残沙严重的涂层形貌，表现为以微小砂子为缺陷因子，涂层的阴影沉积效应会放大刀具基体表面的缺陷。

如图1所示，通过本发明实施例1和对比例1～3研磨品的整体和微观的缺陷示意图可以看出，相对于实施例1中采用“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”相结合的表面处理的方法。对比例1～3在一系列工序的机械后序加工和后续工艺处理得到刀具基体和合金长条样研磨品，在喷砂、碳氢清洗、研磨等深度加工工艺工序中，对比例1出现了常见的喷砂后，砂子残留和镶嵌这类表面外来颗粒缺陷源；对比例2～3出现了超声波清洗或碳氢清洗之后，过度清洗会造成钴流失形成的脱钴坑、碳氢清洗剂的无机物残留附着和腐蚀形貌等成分缺陷，这类表面原位缺陷问题。因此得知：在大规模工业生产中，基材表面造成的各种缺陷源，可以通过“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”相结合的表面处理的方法，减少缺陷源的存在，提高涂前刀具基体表面的质量。

如图2所示，通过本发明对比例4～5和实施例2涂层的断口截面形貌和涂层表面的缺陷示意图可以看出，相对于实施例2，在涂前表面处理增加了“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”相结合的处理的方法，膜基结合表现较好，且表面涂层完整。对比例4为Co流失严重的涂层形貌，表现为基体和涂层结合力较差，涂层剥落现象。对比例5为砂子镶嵌和残留严重的涂层形貌，表现为以微小砂子为缺陷因子，涂层的阴影沉积效应会放大刀具基体表面的缺陷。说明了涂前表面上大量的缺陷会降低涂层的质量，从而造成产品质量问题，也降低了数控刀具的性能和可靠性。同时验证了通过“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”相结合的表面处理的方法，减少缺陷源的存在，提高了涂层数控刀具膜基结合的质量。

采用ZEISS公司Sigma 300/500场发射扫描电镜对对比例1～3和实施例1的合金抛光长条样品的表面进行可视化寻找拍摄位置，配合Oxford牛津公司X-Max

表1对比例1～3与实施例1研磨品表面扫描电镜的能谱测量结果

按照如表1所示：对比例1～3与实施例1研磨品表面扫描电镜的能谱测量结果，可以看出相对于实施例1，对比例1～3表面分别在喷砂、碳氢清洗、研磨等深度加工工艺工序中出现了表面缺陷源。

对比例1中Al和O原子比分别为6.3％和6.3％,正好对应了喷砂后，砂子残留和镶嵌这类表面外来颗粒缺陷源，解释了图1中(c)和图2中(g)形貌。

对比例2中Co和O原子比分别为0.7％和0.5％,说明表面Co流失很严重，Co空位是表面原位缺陷源，印证了图1中(d)和图2中(f)形貌。

对比例3中Cl原子比为5.2％,表明了表面无机物残留附着和腐蚀形貌的表面原位缺陷问题，对应了图1中(e)的形貌。

由于刀具基材表面上大量的缺陷会降低涂层的质量，从而造成产品质量问题，也降低了数控刀具的性能和可靠性。在切削应用过程中，甚至会导致切削灾难性的失败，使得刀具涂层容易产生剥落、崩刃等现象，从而加剧刀具的快速失效，加工效率与质量也随之降低，无法充分发挥数控刀具材质真正的性能。本发明强调了刀具表面质量的重要性，并验证了“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”相结合的表面处理的方法是解决产品的品质和性能不稳定难题的行之有效的手段。

综上所述，本发明的处理方法中，干冰微粒喷射清洗是采用低温的干冰对表面附着物进行低温凝结和脆化，干冰瞬间气化产生几百倍膨胀气体剥离污染物，并且控制干冰微粒尺度对表面形成微爆破效应，进一步清除各种形式的镶嵌类型和强附着残留物。并且微爆破效应对刀具切削刃也具有一定的圆化和抛光效果且不会产生额外的损伤。这样处理后的刀口有了更稳定和规则的形态，同时刀具的性能有明显提高。更重要的是，刀具基材很多含有粘结相Co元素，其遇水容易造成钴流失，长期暴露空气中会钴氧化。干冰微粒喷射过程无水参与，减少了该问题造成的负面影响。而热风干燥的配套使用解决了干冰清洗后被处理表面温度降到0℃以下时，空气中的水蒸气会在基材表面会有结冰层或者有冷凝水生成附着，导致灰尘颗粒粘在表面和Co成分不稳定。基材在纯热风中循环干燥，能够补充解决干冰微粒喷射清洗的不足之处，使之发挥协同提升作用。保障表面深度清洁和基材表面成分稳定，不会对表面造成二次污染。本发明中通过对数控刀具进行表面处理，实现了膜基的优异结合，可以使数控刀具材质达到强韧耐磨一体化的理想状态。通过“干冰微粒喷射清洗+纯热风干燥”相结合的方式对涂前的刀具表面进行处理，进一步深度清洁了深度加工步骤中的刀具表面中各种形式的残留杂质，同时保证刀具研磨品材质表面新鲜和成分稳定，达到了优化表面缺陷的目的，从而保证优良的膜基结合。该方式简单有效，有助于实现大规模工业生产中产品品质和性能的稳定性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。