金刚石薄膜涂层刀具失效预报
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金刚石薄膜涂层刀具是一种近年来才发展起来的一种高新技术产品。由于金刚石具有硬度高、摩擦系数低、导热性好等特性,因而使用金刚石薄膜涂层刀具切削,有加工精度高、切削寿命长、切削力小、加工效率高等优点。其切削寿命与目前使用的聚晶金刚石(PCD)刀具相当,是硬质合金刀具寿命的10~140倍。它特别适用于切削加工有色金属、陶瓷、纤维层压复合材料等。PCD和硬质合金刀具常因后刀面严重磨损、刀尖圆弧半径增大而失效,而金刚石薄膜涂层刀具则通常以金刚石薄膜涂层的开裂、剥落以及被磨穿而失效。正是由于这一点,其失效的预报较为容易实现,这对切削过程中降低废、次品和实现监测检验的自动化具有重要的意义。

对比切削试验

金刚石薄膜涂层刀具的衬底是YG6硬质合金,型号为C116,刀尖圆弧半径为0.3~0.8mm。
在化学气相沉积金刚石薄膜过程中,硬质合金中的钴粘结相会促使石墨生长,因此必须对硬质合金衬底表面进行预处理,以去除或降低衬底表面层中的钴含量。一般的预处理工艺为:首先对衬底表面进行酸蚀去钴,再用金刚石微粉研磨和用丙酮进行超声清洗,然后进行还原降碳和用离子束辅助沉积钼过渡层和类金刚石膜。
还原降碳是将衬底表面的WC转变为W或W2C,在随后合成金刚石膜过程中,气相中的碳再将W或W2C转变成WC,以提高膜与基体的结合强度;钼过渡层可以阻挡钴的扩散,这是因为衬底表面的钴被酸浸蚀去除后,在化学汽相沉积金刚石过程中,由于衬底温度高达700~900℃,钴会重新扩散到表面,甚至将已合成的金刚石转变为石墨。
预处理后的衬底用热丝CVD法沉积金刚石薄膜,膜层厚度5~6µm,合成的金刚石晶粒细小,均匀致密光滑,刀具无须再抛光。
同时用PCD和硬质合金刀具车削汽车活塞外圆(f105mm×110mm)进行对比切削试验,汽车活塞的材料为含硅11%~18%的铝合金。切削工艺参数为:切削速度300~700m/min;进给量0.1mm/r;切削深度0.2mm,干式切削。用示波器监测切削力的动态变化,并随时观察切屑情况,切削后检查工件尺寸精度和表面质量以及刀具失效情况。对比结果,硬质合金刀具切削寿命最短,而金刚石薄膜涂层刀具能连续切削50~120min,切削总长度达到15~80km。虽然其使用寿命没有PCD刀具长,但加工表面质量比用PCD刀具切削的要好。

失效形式和预报


图1 膜剥落开裂电镜图
试验表明,金刚石薄膜涂层刀具主要失效形式是膜开裂剥落(图1),其次是膜被磨穿。这是因为:
  1. 在化学气相沉积金刚石膜过程中,基体与膜的热膨胀系数不同、基体与膜的晶格不匹配,导致内应力的产生,涂层刀具在切削时,这种内应力的不恰当释放。
  2. 基体与膜界面间存在非金刚石相,特别是存在有石墨相时,膜与基体的附着性和结合强度被极大地降低。
  3. 膜层厚度的增加,膜与基体的结合强度随之下降,因此金刚石膜厚度一般不大于20µm,多数小于10µm。金刚石膜过薄时,会发生膜被磨穿。
所以,金刚石膜与基体的结合强度是制约金刚石薄膜涂层刀具发展的关键因素,尽管国内外研究工作者采取过许多技术措施,取得了一定成效,但仍未从根本上解决了这一难题,目前,金刚石薄膜的剥落仍是其失效的主要形式。
由于活塞外圆是中凸变椭圆形曲面,切削试验中,当用金刚石薄膜涂层刀具加工活塞外圆时,切削力随时间作周期性变化,示波器上可以看出切削力呈规律性波形,且当金刚石薄膜涂层刀具失效时,切削力明显增加,如图2所示。

图2 失效前后切削力波形图
金刚石薄膜涂层刀具失效时,膜开裂剥落或被磨穿,切削摩擦副变金刚石与工件材料为硬质合金YG6与工件材料,摩擦系数明显增大,使切屑与前刀面间的摩擦加剧,在高压作用下产生粘结形成积屑瘤。测量失效前后加工工件的尺寸精度和表面质量,可以发现,失效前,加工出的尺寸精度和表面质量全部符合要求,失效后,加工出的尺寸精度和表面质量均会下降,且很快不能达到加工要求。
PCD和硬质合金刀具切削加工时,不会发生切削摩擦副的变化,其切削力的变化主要来自刀具后刀面磨损的影响,有试验表明,当后刀面磨损达到0.8~1.0mm时,切削力 增大约30%,依据这一点预报刀具失效显然是困难的。而金刚石薄膜涂层刀具失效时,如前所述,将发生切削摩擦副的变化,且有积屑瘤产生,切削力将突然增大1~3倍,这为预报刀具失效创造了有利的条件。即可以通过切削过程中监测积屑瘤的产生和切削力的变化来判断金刚石薄膜涂层刀具的失效。
本文作者:湖南大学 周灵平 李绍禄
原载:《新技术新工艺》1999年第5期
上载于:2005-11-19 15:40:40

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