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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，市場需求逐年增長。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)行了分析對比。 ?2.1 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(如圖1a所示)，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(見圖1b)，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。 (a) (b)
圖1
采用超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層?10mm 雙刃銑刀對鋁合金材料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(其表面粗糙度見圖2a)與未涂層超硬銑刀加工出的表面(見圖2c)具有同等水平的光潔度。 圖2 (a)
(b) 圖3 ? 2.2 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。試驗(yàn)后兩種銑刀的刃部分別見圖3a和圖3b。如圖3a 所示，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(如圖3b所示)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。 圖4
圖5
在上述切削條件下進(jìn)行了刀具壽命對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。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(圖5所示是發(fā)生這種粘著現(xiàn)象的實(shí)例)。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。
2.3 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)行了切削長度為1108m 的切削試驗(yàn)后，兩種銑刀的刀尖狀態(tài)見圖6：普通金剛石薄膜涂層銑刀尖部發(fā)生了崩刃現(xiàn)象(如圖6b 所示)；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)(見圖6a)。 (a) (b)
圖6
? 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。
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=> 超微細(xì)金剛石薄膜涂層刀具及其在鋁合金加工中的實(shí)際應(yīng)用
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