超微細(xì)金剛石薄膜涂層刀具及其在鋁合金加工中的應(yīng)用?

　　1、引言

　　近年來，為了減輕飛機(jī)、汽車零部件的重量，鋁合金的使用量逐年增加。盡管加工鋁合金時(shí)比切削鋼材時(shí)的切削阻力小，但由于鋁合金比較軟，切削時(shí)刀具刃部容易發(fā)生粘刀現(xiàn)象，從而影響被加工工件的表面粗糙度。為了增加鋁合金材料的強(qiáng)度，通常在鋁合金中加入大量硅元素。但由于硅元素以顆粒的形式散布在鋁合金材料內(nèi)部，并且這些硅粒子的硬度很高（1000HV左右），從而在切削加工時(shí)會(huì)導(dǎo)致刀具刃部嚴(yán)重磨損。因此，這樣的高硅鋁合金材料是一種非常難于切削加工的材料。

　　單晶金剛石車刀應(yīng)用于鋁合金的精密車削加工能獲得良好的加工表面質(zhì)量。金剛石刀具在加工高硅鋁合金材料時(shí)，能夠防止材料中的硅粒子導(dǎo)致的刀具磨耗，使刀具具有較長(zhǎng)的壽命。如果采用單晶金剛石制造帶螺旋槽且形狀復(fù)雜的銑刀的刀刃，則鋁合金材料的銑削加工也會(huì)獲得令人滿意的效果。但一方面由于單晶金剛石的價(jià)格昂貴，另一方面銑刀刀刃的立體形狀復(fù)雜、幾何尺寸精度要求較高，若采用單晶金剛石，則銑刀刃部的成形加工非常困難，因此單晶金剛石銑刀未能得到廣泛應(yīng)用。

　　近年來，國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)和工具制造商在人造金剛石涂層技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究，取得了許多新的成果，人造金剛石涂層技術(shù)發(fā)展很快，在硬質(zhì)合金銑刀、鉆頭、絲錐、刀片等刀具的表面涂層方面得到大量應(yīng)用。人造金剛石涂層技術(shù)的成功應(yīng)用使得人造金剛石涂層刀具備受青睞，市場(chǎng)需求逐年增長(zhǎng)。盡管如此，人造金剛石涂層刀具也有缺點(diǎn)：雖然金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，但其韌性很低，因此在加工難切削材料時(shí)容易發(fā)生薄膜脆性破損現(xiàn)象；此外人造金剛石薄膜是金剛石晶粒的多結(jié)晶體，其表面凹凸不平，這種粗糙的表面會(huì)影響鋁合金工件被加工表面的粗糙度，且在凹坑部容易產(chǎn)生鋁合金粘著，導(dǎo)致金剛石薄膜早期磨損。為了解決上述問題，日本OSG 株式會(huì)社最近開發(fā)了超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層技術(shù)并成功地用于銑削刀具的涂層。

　　2 超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層銑刀的切削性能

　　為了研究超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層銑刀的切削加工性能，通過切削試驗(yàn)對(duì)超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層銑刀與未涂層超硬銑刀在被加工表面粗糙度、抗粘著性和薄膜韌性等方面的優(yōu)劣進(jìn)行了分析對(duì)比。

　　1） 被加工表面粗糙度

　　人造金剛石涂層是在基材表面形成晶核（微小的金剛石粒子）、晶核沿柱狀成長(zhǎng)所構(gòu)成的金剛石多結(jié)晶集合體。金剛石涂層薄膜表面凹凸不平，通常表面粗糙度為Ry4～10μm。鍍有金剛石薄膜的切削刀具在加工鋁合金時(shí)，其凹凸不平的表面形狀會(huì)影響到被加工表面的粗糙度，因此難以獲得精加工所期待的光潔表面。未涂層的超硬合金刀具雖然能獲得比較光潔的加工表面，但刀具刃部在很短的加工過程中就產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，從而影響工件表面粗糙度并導(dǎo)致刀刃的早期磨損，使之達(dá)不到預(yù)期的使用壽命。OSG 公司研制開發(fā)的超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜不僅平坦光滑，并且與普通金剛石涂層銑刀的表面相比，超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜涂層銑刀表面具有很好的光澤度。

　　采用超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層?10mm 雙刃銑刀對(duì)鋁合金材料A7075進(jìn)行切削試驗(yàn)。切削條件為：線速度200m/min，切削進(jìn)給速度0．05mm/刃，切削深度0．1*10mm。試驗(yàn)結(jié)果顯示被加工鋁合金工件表面與未涂層超硬銑刀加工出的表面具有同等水平的光潔度。

　　2） 抗粘著性

　　金剛石刀具干切削鋁合金時(shí)具有非常優(yōu)秀的抗粘著性。金屬化合物薄膜（如TiN、TiCN、TiAlN、CrN等）雖然有良好的加工特性，但在切削加工過程中薄膜會(huì)很快磨損。薄膜發(fā)生磨損后，其表面形狀會(huì)發(fā)生改變甚至露出基材表面，從而引起鋁合金的粘著現(xiàn)象。而金剛石涂層刀具在加工鋁合金時(shí)的磨耗非常微小，長(zhǎng)時(shí)間使用后仍具有良好的抗粘著性并保持良好的切削加工性能。

　　別采用未進(jìn)行金剛石涂層的超硬合金銑刀和超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層銑刀對(duì)鋁合金ADC12（含Si量12%）進(jìn)行干切削粗加工試驗(yàn)。銑刀直徑均為?10mm，切削條件為：線速度300m/min，切削進(jìn)給速度0．15mm/刃，切削深度2．5*8mm。未進(jìn)行金剛石涂層的超硬合金銑刀，在切削加工的初期由于刀尖發(fā)生粘著現(xiàn)象，切屑的排出受到很大影響進(jìn)而引起溝槽內(nèi)切屑阻塞，粘著現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重；而超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜涂層銑刀僅在刀尖部位有鋁合金摩擦過的白色痕跡而未發(fā)生粘著現(xiàn)象。

　　在上述切削條件下進(jìn)行了刀具壽命對(duì)比試驗(yàn)。未涂層的超硬合金銑刀由于發(fā)生了粘著現(xiàn)象，經(jīng)過很短時(shí)間的切削后就不能再使用；而超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層銑刀在切削長(zhǎng)度達(dá)到700m 以后仍可繼續(xù)使用。由此可見，超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層刀具對(duì)于鋁合金的干式切削加工具有非常優(yōu)良的切削性能。

　　另外，普通金剛石薄膜的結(jié)晶粗大、表面凹凸不平，在干切削鋁合金時(shí)，涂有這種金剛石薄膜的刀具在晶粒與晶粒間的凹部很容易產(chǎn)生粘著，從而降低被加工材料的加工精度和表面粗糙度。而超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜表面粗糙度在Ry1μm以下，切削試驗(yàn)中觀察不到有粘著現(xiàn)象發(fā)生。

　　3） 薄膜韌性

　　由于普通金剛石薄膜是在基材表面形成金剛石晶核后，晶核沿柱狀成長(zhǎng)形成的多結(jié)晶集合體，因此在這種柱狀晶界間容易形成細(xì)微裂紋進(jìn)而導(dǎo)致薄膜的損壞。而超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜的晶粒微小，可有效防止細(xì)微裂紋的擴(kuò)展，從而具有較高的韌性。

　　分別采用普通金剛石薄膜涂層銑刀和超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜涂層銑刀對(duì)鋁合金ADC12 進(jìn)行濕式切削試驗(yàn)，切削條件為：線速度400m/min，切削進(jìn)給速度0．05mm/刃，切削深度0．1*10mm。在進(jìn)行了切削長(zhǎng)度為1108m 的切削試驗(yàn)后，普通金剛石薄膜涂層銑刀尖部發(fā)生了崩刃現(xiàn)象；超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜銑刀僅有少許的磨損，而刀刃仍保持良好的狀態(tài)。

　　3 結(jié)論

　　OSG公司開發(fā)的超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜涂層具有優(yōu)異的切削加工性能，通過切削試驗(yàn)證明了超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜涂層銑刀在銑削加工鋁合金時(shí)具有優(yōu)良的抗粘著性、較高的加工精度、耐用度和薄膜韌性。由于彌補(bǔ)了普通金剛石薄膜涂層的缺陷，超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜涂層技術(shù)已大量應(yīng)用于OSG公司開發(fā)的金剛石涂層切削工具并且受到越來越多用戶的青睞。