超微细金刚石薄膜涂层刀具及其在铝合金加工中的应用

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1 引言

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近年来，为了减轻飞机、汽车零部件的重量，铝合金的使用量逐年增加。尽管加工铝合金时比切削钢材时的切削阻力小，但由于铝合金比较软，切削时刀具刃部容易发生粘刀现象，从而影响被加工工件的表面粗糙度。为了增加铝合金材料的强度，通常在铝合金中加入大量硅元素。但由于硅元素以颗粒的形式散布在铝合金材料内部，并且这些硅粒子的硬度很高(1000HV左右)，从而在切削加工时会导致刀具刃部严重磨损。因此，这样的高硅铝合金材料是一种非常难于切削加工的材料。

单晶金刚石车刀应用于铝合金的精密车削加工能获得良好的加工表面质量。金刚石刀具在加工高硅铝合金材料时，能够防止材料中的硅粒子导致的刀具磨耗，使刀具具有较长的寿命。如果采用单晶金刚石制造带螺旋槽且形状复杂的铣刀的刀刃，则铝合金材料的铣削加工也会获得令人满意的效果。但一方面由于单晶金刚石的价格昂贵，另一方面铣刀刀刃的立体形状复杂、几何尺寸精度要求较高，若采用单晶金刚石，则铣刀刃部的成形加工非常困难，因此单晶金刚石铣刀未能得到广泛应用。 * n# ^5 T7 R% V& [% ]7 `; b+ K

近年来，国内外许多科研机构和工具制造商在人造金刚石涂层技术的开发和应用方面进行了大量的研究，取得了许多新的成果，人造金刚石涂层技术发展很快，在硬质合金铣刀、钻头、丝锥、刀片等刀具的表面涂层方面得到大量应用。人造金刚石涂层技术的成功应用使得人造金刚石涂层刀具备受青睐，市场需求逐年增长。尽管如此，人造金刚石涂层刀具也有缺点：虽然金刚石是自然界中最硬的物质，但其韧性很低，因此在加工难切削材料时容易发生薄膜脆性破损现象；此外人造金刚石薄膜是金刚石晶粒的多结晶体，其表面凹凸不平，这种粗糙的表面会影响铝合金工件被加工表面的粗糙度，且在凹坑部容易产生铝合金粘着，导致金刚石薄膜早期磨损。为了解决上述问题，日本OSG 株式会社最近开发了超微细结晶金刚石涂层技术并成功地用于铣削刀具的涂层。

2 超微细结晶金刚石涂层铣刀的切削性能

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为了研究超微细结晶金刚石涂层铣刀的切削加工性能，通过切削试验对超微细结晶金刚石涂层铣刀与未涂层超硬铣刀在被加工表面粗糙度、抗粘着性和薄膜韧性等方面的优劣进行了分析对比。 & _; D% [+ V5 I, W, o

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1. 被加工表面粗糙度
   人造金刚石涂层是在基材表面形成晶核(微小的金刚石粒子)、晶核沿柱状成长所构成的金刚石多结晶集合体。金刚石涂层薄膜表面凹凸不平(如图1a所示)，通常表面粗糙度为Ry4～10µm。镀有金刚石薄膜的切削刀具在加工铝合金时，其凹凸不平的表面形状会影响到被加工表面的粗糙度，因此难以获得精加工所期待的光洁表面。未涂层的超硬合金刀具虽然能获得比较光洁的加工表面，但刀具刃部在很短的加工过程中就产生粘刀现象，从而影响工件表面粗糙度并导致刀刃的早期磨损，使之达不到预期的使用寿命。OSG 公司研制开发的超微细结晶金刚石薄膜不仅平坦光滑(见图1b)，并且与普通金刚石涂层铣刀的表面相比，超微细结晶金刚石薄膜涂层铣刀表面具有很好的光泽度。
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   (a)	(b)
   图1

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   采用超微细结晶金刚石涂层Ø10mm 双刃铣刀对铝合金材料A7075进行切削试验。切削条件为：线速度200m/min，切削进给速度0.05mm/刃，切削深度0.1*10mm。试验结果显示被加工铝合金工件表面(其表面粗糙度见图2a)与未涂层超硬铣刀加工出的表面(见图2c)具有同等水平的光洁度。
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   图2	(a)
   	(b) 图3

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2. 抗粘着性
   金刚石刀具干切削铝合金时具有非常优秀的抗粘着性。金属化合物薄膜(如TiN、TiCN、TiAlN、CrN等)虽然有良好的加工特性，但在切削加工过程中薄膜会很快磨损。薄膜发生磨损后，其表面形状会发生改变甚至露出基材表面，从而引起铝合金的粘着现象。而金刚石涂层刀具在加工铝合金时的磨耗非常微小，长时间使用后仍具有良好的抗粘着性并保持良好的切削加工性能。
   别采用未进行金刚石涂层的超硬合金铣刀和超微细结晶金刚石涂层铣刀对铝合金ADC12(含Si量12%)进行干切削粗加工试验。铣刀直径均为Ø10mm，切削条件为：线速度300m/min，切削进给速度0.15mm/刃，切削深度2.5*8mm。试验后两种铣刀的刃部分别见图3a和图3b。如图3a 所示，未进行金刚石涂层的超硬合金铣刀，在切削加工的初期由于刀尖发生粘着现象，切屑的排出受到很大影响进而引起沟槽内切屑阻塞，粘着现象逐渐严重；而超微细结晶金刚石薄膜涂层铣刀(如图3b所示)仅在刀尖部位有铝合金摩擦过的白色痕迹而未发生粘着现象。
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   图4

   图5

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   在上述切削条件下进行了刀具寿命对比试验，试验结果见图4。未涂层的超硬合金铣刀由于发生了粘着现象，经过很短时间的切削后就不能再使用；而超微细结晶金刚石涂层铣刀在切削长度达到700m 以后仍可继续使用。由此可见，超微细结晶金刚石涂层刀具对于铝合金的干式切削加工具有非常优良的切削性能。 6 l4 w9 F2 c- I
   另外，普通金刚石薄膜的结晶粗大、表面凹凸不平，在干切削铝合金时，涂有这种金刚石薄膜的刀具在晶粒与晶粒间的凹部很容易产生粘着，从而降低被加工材料的加工精度和表面粗糙度(图5所示是发生这种粘着现象的实例)。而超微细结晶金刚石薄膜表面粗糙度在Ry1µm以下，切削试验中观察不到有粘着现象发生。
3. 薄膜韧性 0 K: C& D3 S& a' G
   由于普通金刚石薄膜是在基材表面形成金刚石晶核后，晶核沿柱状成长形成的多结晶集合体，因此在这种柱状晶界间容易形成细微裂纹进而导致薄膜的损坏。而超微细结晶金刚石薄膜的晶粒微小，可有效防止细微裂纹的扩展，从而具有较高的韧性。
   分别采用普通金刚石薄膜涂层铣刀和超微细结晶金刚石薄膜涂层铣刀对铝合金ADC12 进行湿式切削试验，切削条件为：线速度400m/min，切削进给速度0.05mm/刃，切削深度0.1*10mm。在进行了切削长度为1108m 的切削试验后，两种铣刀的刀尖状态见图6：普通金刚石薄膜涂层铣刀尖部发生了崩刃现象(如图6b 所示)；超微细结晶金刚石薄膜铣刀仅有少许的磨损，而刀刃仍保持良好的状态(见图6a)。
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   (a)	(b)
   图6

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3 结论

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OSG公司开发的超微细结晶金刚石薄膜涂层具有优异的切削加工性能，通过切削试验证明了超微细结晶金刚石薄膜涂层铣刀在铣削加工铝合金时具有优良的抗粘着性、较高的加工精度、耐用度和薄膜韧性。由于弥补了普通金刚石薄膜涂层的缺陷，超微细结晶金刚石薄膜涂层技术已大量应用于OSG公司开发的金刚石涂层切削工具并且受到越来越多用户的青睐。