金刚石薄膜涂层刀具干切削性能的试验研究简介

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1 引言

金刚石具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、摩擦系数低和高导热性能。用金刚石刀具切削硅铝合金等硬质材料时，具有加工精度高，切削寿命长，切削力小，加工效率高等优点。随着汽车工业的发展，对金刚石刀具需求量越来越大。由于天然单晶金刚石和人造聚晶金刚石刀具制造工艺复杂，成本较高，应用于切削加工中使刀具成本增加，而用化学气相沉积(CVD) 方法在硬质合金表面生长一层金刚石薄膜制成的刀具，即金刚石薄膜涂层刀具具有金刚石的特性，且制造简单，成本较低，是很好的替代品，极富市场竞争力。国内外的企业和研究单位都在积极开发金刚石薄膜涂层刀具，目前未形成规模生产和广泛应用的原因是涂层工艺还不能保证薄膜与基体的足够粘结强度，同时还需要研究合适的基体材料及刀具的几何参数等。本文通过制备的金刚石薄膜涂层刀具对硅铝合金进行干切削试验，从而对金刚石薄膜涂层刀具的切削性能进行研究。
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图1 金刚石薄膜刀片

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2 试验刀具及材料

金刚石薄膜涂层刀具为在硬质合金(YG6) 基体上通过化学气相沉积(CVD) 法沉积一层约8～12µm厚的金刚石薄膜，金刚石晶粒尺寸≥3µm。刀具的几何参数:前角g₀=0°，后角a₀=10°，偏角Kr=Kr´=60°，刀尖圆弧半径r_e=0.8mm，刀片外形及刃口电镜照片如图1。

试件为硅铝合金，分别为含硅量12%～14%的铸造共晶体硅铝合金棒和含硅量24%的铸造高硅铝合金棒。前者由于热处理工艺不同，与常规活塞铸件的组织和显微硬度相比有较大差别，如图2 所示，图2(a)、(b)为试件金相照片，图2(c)为活塞铸件金相照片。试件的硅粒较大呈针状分布、不均匀且有较多气孔，气孔周围有硅粒聚集，显微硬度共晶体为HV180，粗大硅粒为HV660，而常规活塞共晶体的显微硬度为HV110。
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(a) ×40	(b) ×150 ( |+ y2 B/ ^ p# ]4 Z% K	(c) ×150
图2 试件金相照片

3 干切削性能试验

切削试验在C616 精密车床上进行，改变切削用量干切削硅铝合金试件，用SRM-1表面粗糙度测量仪检测试件表面形貌和表面粗糙度，用工具显微镜观测刀具磨、破损情况和测量后刀面平均磨损量VB，金刚石薄膜一旦脱落即终止切削试验。 , m; I5 E/ s* s; f7 w' Z; c( g

p) d- [9 e2 W7 {! B. ^1 x+ v
1. 薄膜涂层刀具干切削含硅量12%～14%的硅铝合金
   试件尺寸f75×300mm，金相组织如图2(a)、(b) 。
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   表1 切削试验参数选择

   试验参数	1 ' |9 [: L# l& l9 h+ h! N	2 / Q0 Q$ Q9 r& k, X% i$ `3 B1 H	3 - n* O0 K" o% s+ t	4 5 H, V' b: e7 Q- I- X2 M
   机床主轴转速(r/min)	520	830	980 U: H, w% H# D0 T5 [4 t	1400
   进给量(mm/r)	0.05 # `- X1 A$ l6 M( F/ M% l6 k: t: x# O	0.1	0.2
   切削深度(mm) 9 N) J ]' @. M9 J: M( }9 m8 z	$ v0 A: V, O+ Z# ^1 Q' M	0.1 9 Q: H0 L2 |& ^7 o	0.2 7 ]) K/ \7 o% f4 e3 ] z& e	0.4

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   根据生产中半精和精加工硅铝合金的切削用量，切削试验参数选择如表1。
   每隔一定路程测量一次试件表面粗糙度，得出如图3的进给量与表面粗糙度的关系曲线，可以看出，进给量对表面粗糙度影响较大，图4为试件表面粗糙度随切削路程的变化，可以看出在切削稳定期内、在相当长的切削路程后、直达41.5km时，试件表面粗糙度值都在Ra1.0µm 左右。
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2. 薄膜涂层刀具和硬质合金YG6切削含硅量24%的高硅铝合金
   试件尺寸f60×200mm，选择切削用量为: n=830r/min，f=0.1mm/r， ap=0.2mm。每隔一段时间测量刀具后刀面的平均磨损量VB值，得出VB-时间曲线如图5，可以看出: VB=0.15mm 时，金刚石薄膜刀具切削时间为174s，而YG6仅8s，相差20多倍。
   & \* [9 C' e: ~! y9 R" | X! _. `" B- c" t' L" X+ J, C% A/ P6 A9 F

   图3 进给量与表面粗糙度

   图4 切削路程与表面粗糙度 / E: j6 j# S) C0 k/ H9 P, D

   图5 金刚石薄膜刀具与YG6刀具的磨损曲线

   图6 金刚石薄膜刀具加工活塞外圆表面形貌及粗糙度

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3. 薄膜涂层刀具干切削汽车活塞
   试件尺寸f80×120mm，金相组织如图2(a)，选择切削用量为: n=980r/min，f=0.1mm/r， ap=0.2mm。切削后测量试件表面形貌和表面粗糙度值如图6，表面粗糙度Ra=0.8µm，满足生产中对活塞外圆表面的表面粗糙度的要求。
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4. 某活塞厂生产线上切削含硅量24%的高硅铝合金
   工件尺寸f62×80mm，切削用量: n=1380r/min， f=0.1mm/r，ap=0.2mm。用硬质合金YG8刀具切削5s后即出现可观测到的磨损，用金刚石薄膜涂层刀具切削570s后刀面脱膜，聚晶金刚石刀具切削600s后可观测到刀尖刃口出现磨损。

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4 结论

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1. 从切削试验看出，用金刚石薄膜涂层刀具干切削硅铝合金，刀具初期切削时试件表面粗糙度值不稳定，进入刀具正常磨损阶段，试件表面粗糙度值非常稳定，切削路程相当长，具有很好的干切削性能。
2. 切削用量对表面粗糙度的影响最大的是进给量f，在较高切削速度的情况下，只要进给量合适则表面粗糙度值变化不大。我们认为，加大刀尖圆弧半径r_e，进给量f对表面粗糙度的影响会减小。
3. 从切削试验看出，干切削硅铝合金时，金刚石薄膜涂层刀具的使用寿命远高于硬质合金，与聚晶金刚石刀具相当。干切削加工的表面粗糙度值也能满足对活塞外圆表面粗糙度的要求。因此，金刚石薄膜涂层刀具在生产中可以替代聚晶金刚石刀具。由于金刚石薄膜涂层刀具制作简单，成本较低，将会带来良好的社会经济效益。