《納米金剛石塗層微銑鑽刀具製備新方法及套用基礎研究》是依託上海交通大學，由沈彬擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米金剛石塗層微銑鑽刀具製備新方法及套用基礎研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：沈彬
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對Φ0.15–1.0mm微銑鑽刀具開發納米金剛石塗層微銑鑽刀具製備新方法，包括微小尺寸基體預處理及表面強化技術，低溫環境下納米金剛石塗層沉積工藝以及基體獨立恆溫系統的研製，揭示刀具基體表面粗化、鈷刻蝕、基體內部鈷元素在高溫環境下的熱擴散等因素對其斷裂強度及韌性的損傷機理，以及大面積沉積環境中微銑鑽刀具基體表面溫度場及流體密度場分布規律與熱絲及基體的相對位置、反應氣體進出口及流速、基體獨立恆溫裝置等因素之間的關係，從而在微銑鑽刀具表面沉積獲得表面光滑、連續、無缺陷，晶粒尺寸小於30nm、厚度400-600nm且基體表面不同位置的薄膜厚度偏差不超過50nm的高質量納米金剛石塗層。通過PCB板微鑽削、EDM石墨電極與鋁合金微銑削實驗考察納米金剛石塗層微銑鑽刀具的切削性能，揭示微觀尺寸下刀具與工件材料之間的作用機制、材料去除機理及失效機理，以及它們與納米金剛石塗層性能、微切削工況三者之間的定量關係，從而對納米金剛石塗層微銑鑽刀具製備方法進行進一步最佳化，最終達到提高刀具耐磨性5倍以及降低切削力50%以上的目標，為實現納米金剛石塗層微銑鑽刀具在典型微細零件加工中的成功套用及產業化奠定基礎。
結題摘要
本項目針對金剛石塗層在微銑鑽刀具表面套用的技術難題，通過最佳化傳統酸鹼刻蝕預處理工藝，將微銑鑽刀具預處理後的斷裂強度損傷從43.7%降低到7.23%。提出了基於雷射熱燒蝕技術的硬質合金表面鈷刻蝕處理方法，通過最佳化設計雷射脈衝的搭接方式與搭接率，在鈷含量6%的硬質合金表面形成的貧鈷區域鈷含量可達0.5%以下，可對微細刀具複雜表面進行高精度、高可控的鈷刻蝕過程，進而實現對基體強度無損傷的金剛石塗層預處理。基於大面積微銑鑽刀具沉積區域溫度場分布規律的研究成果，構建了不等間距的熱絲排布方式，開發了生長區域溫度線上監測系統以及基於溫度場均勻性的沉積工藝控制策略，從而實現了金剛石塗層沉積過程中單一沉積區域的溫度波動幅值小於\±5℃，全部沉積區域偏差不超過10 ℃的生長環境溫度控制目標。提出了一種在高碳氫比與富氧環境下沉積低溫納米金剛石塗層的新方法，在450℃低溫條件下沉積獲得了硼摻雜納米金剛石塗層。基於新型基體預處理方法、低溫沉積納米金剛石塗層方法以及最佳化後的沉積參數製備的納米金剛石塗層微銑刀和微鑽頭表面光滑、連續、無缺陷，在切削7075鋁合金、石墨以及鑽削PCB板的過程中均表現出優異的性能，刀具壽命比未塗層刀具提高5倍以上，切削力降低50%以上，加工表面完整性好。對切削過程中的金剛石塗層微銑鑽刀具與工件材料的作用機制、材料去除機理以及刀具失效形式進行了深入研究，揭示了塗層類型、厚度等因素與加工表面完整性之間的關係。結果顯示，隨著微銑刀表面的金剛石塗層厚度增加，塗層殘餘壓應力線性減小，抗衝擊性能降低，膜-基附著強度顯著降低。目前，本項目開發的納米金剛石塗層微細刀具製備技術與HFCVD沉積裝備已套用於世界領先的刀具供應商春保-森拉天時集團，用於製造面向石墨等硬脆性材料加工的金剛石塗層微細刀具。本項目的研究成果有望在有色金屬、航空航天用碳纖維複合材料以及硬脆性材料加工用金剛石塗層刀具製備領域中獲得廣泛的套用。
