超微细晶粒金刚石涂层刀具的最新动向
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用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石车刀对铝合金工件和其它非铁系金属及其合金工件进行镜面车削,不仅能获得非常平滑光洁的加工表面,而且刀具的使用寿命也很长,其优势是其它车刀无法比拟的。但是,用单晶金刚石和聚晶金刚石很难制成像立铣刀、钻头、丝锥那样的复杂形状刀具。要将金刚石应用于复杂形状刀具,唯一的方法是采用气相合成法(或气相沉积法)在复杂刀具表面涂覆金刚石薄膜涂层。

1 金刚石薄膜涂层的涂覆原理


图1 微波等离子CVD涂层装置示意图

图2 热灯丝等离子CVD涂层装置示意图
金刚石薄膜涂层的涂覆原理是以碳氢化合物气体(如甲烷)作为主要原料,以氢气作为载流体,采用等离子CVD法在复杂刀具表面生成金刚石薄膜涂层。提供等离子的方法有直流放电法、微波法、热灯丝法等,在工业应用上,主要采用图1所示的微波法和图2所示的热灯丝法。在等离子状态下,碳氢化合物气体的碳原子转变为SP3键结合的金刚石、SP键或SP2键结合的DLC和石墨。DLC、石墨被载流气体氢清除后,只有优质的金刚石沉积在基体表面。金刚石涂层刀具的基体材料需要具有足够的强度,目前采用硬质合金作为基体材料,高速钢、模具钢等都不能作为金刚石涂层的基体材料。

(a)立铣刀刀尖外观

(b)立铣刀断面
图3 金刚石涂层硬质合金立铣刀显微照片
制造金刚石涂层硬质合金刀具时,刀具的涂前处理十分重要。由于硬质合金中钴的存在会影响金刚石的生成,因此在涂层前要去除硬质合金基体表层中的钴。在涂覆金刚石涂层时,涂层元素与硬质合金基体元素之间不会相互扩散,为了防止涂层与基体结合不牢固,必须将基体表面处理成有一定凹凸的表面。前处理过程要一直持续到金刚石涂覆完全生核为止。金刚石薄膜涂层的质量几乎完全取决于涂前处理质量的优劣。图3为金刚石涂层硬质合金立铣刀的刀尖涂层厚度约为10µm左右。

2 超微细结晶金刚石涂层技术的开发

用传统的气相沉积法涂覆的金刚石涂层的晶粒度约为10µm左右,故涂层表面较为粗糙,不能用于高精加工。用气相沉积法生成的金刚石晶体是以前处理的晶核为基点,生长成为涂层厚度大小的晶粒。因此,如果涂层厚度较小,就能生成微细晶粒的涂层。但是,金刚石涂层本身需要具有必要的强度,因此希望涂层厚度在10µm以上。通过适当组合涂前处理与等离子工艺条件,就能获得超微细晶粒的金刚石涂层。
图4a为普通晶粒的金刚石涂层硬质合金刀具,图4b为超微细晶粒的金刚石涂层刀具。从普通晶粒和超微细晶粒金刚石涂层的拉普分光分析结果可以确认纯金刚石的生成(图5)。

(a)普通晶粒的金刚石涂层

(b)超微细晶粒金刚石涂层

金刚石涂层的拉普分光分析
图4 金刚石涂层硬质合金立铣刀外观及显微组织
表1 铝合金的切削条件
切削刀具Ø6mm2刃硬质合金立铣刀
工件材料A7075特超级硬铝
切削速度9400m/min(12700r/min)
进给速度1270mm/min(0.05mm/齿)
切削深度AD=10mm;RD=0.1mm
切削液浮状冷却液

3 超微细晶粒金刚石涂层刀具的切削性能

  1. 金刚石涂层立铣刀
    过去,金刚石涂层立铣刀仅用于石墨的切削加工。用金刚石涂层刀具加工铝合金能充分发挥其优良的切削性能。但由于普通晶粒金刚石涂层表面较粗糙,按表1切削条件立铣特超级硬铝时难以获得优良的加工表面(图6b);而用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀则能获得优良的加工表面(图6a);用未涂层的立铣刀也可以获得与图6a类似的加工表面(图6c)。

    图6 不同立铣刀加工表面的比较

    图7 铝粘附在金刚石涂层表面
    如金刚石的晶粒直径较大,铝会因摩擦挤压而粘着在晶粒之间的空隙处(图7),使刀具寿命缩短,很难进行干式切削加工。如果使用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀,可以避免产生铝粘着现象,就能实现干式切削,并可获得很长的刀具使用寿命。
    表2 铝压铸件的切削条件
    切削刀具Ø10mm2刃硬质合金立铣刀
    工件材料ADC12铝压铸件
    切削速度300m/min
    进给速度1000mm/min(0.05mm/齿)
    切削深度AD=8mm;RD=2.5mm
    切削液风冷
    按表2条件切削ADC12铝压铸件,可得到图8的结果。图8a为用普通晶粒金刚石涂层立铣刀切削3.5m时,铝屑堵塞了排屑槽而无法继续切削的状态;图8b为用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀加工8.75m时,仅可见到极少的铝粘附,仍可继续进行切削。

    (a)普通晶粒金刚石涂层(切削3.5m)

    (b)超微细晶粒金刚石涂层(切削8.75m)
    图8 铝粘附在立铣刀排屑槽中
    由于超微细晶粒化,提高了金刚石涂层自身的韧性。用表2条件加工铝压铸件的结果见图9。图9a,用普通晶粒金刚石涂层立铣刀加工1108m时,刀尖圆弧刃涂层大片剥落而达到使用寿命的磨损状态;而用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀加工1108m时,切削刃毫无损伤。上述结果证明了超微细晶粒金刚石涂层立铣刀的优势,扩展了被加工材料范围,探索到了其适当的用途。

    (a)普通晶粒金刚石涂层

    (b)超微细晶粒金刚石涂层
    图9 不同金刚石涂层立铣刀的磨损状态
    图10为用R5金刚石涂层球头立铣刀加工金属基复合材料(MMC)的实例:MMC(SiC20%-Al)是在铝基中含有大量陶瓷类硬粒子的铝合金,这些硬粒子加速了刀尖磨损,属超难切削铝复合材料。使用通用TiAlN涂层立铣刀切削20m左右后,刀尖磨损极大而无法继续切削;而用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀切削加工200m以上时,刀尖的磨损却很轻微。图11为使用在F2139刀体上装有涂覆了超微细晶粒金刚石涂层圆刀片的立铣刀铣削电火花加工用电极的实例:用普通立铣刀加工39分钟后切削刃崩损而达到使用寿命;与此相反,超微细晶粒金刚石涂层立铣刀的使用寿命则达到了400分钟。
    圆周速度:800m/min,进给量:200mm/min;切深:AD=1mm,pf=0.5mm;干式切削
    图10 MMC切削试验结果

    图11 装有圆刀片的F2139立铣刀的切削性能
    作为一种新材料,纤维强化塑料(Fiber Reinforced Plastic, FRP)是一种在树脂基体中含有大量陶瓷或玻璃纤维的难加工材料。FRP与MMC一样,用普通刀具几乎不能加工。图12为用立铣刀铣削玻璃纤维强化(20%)塑料的结果。图12a为用高速钢立铣刀铣削3.8m后,因切削刃磨损太大而达到使用寿命;图12b为用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀铣削11.4m后,刀尖磨损仍很轻微。

    (a)高速钢铣刀

    (b)超微细晶粒金刚石涂层硬质合金立铣刀
    图12 FRP切削试验结果
  2. 金刚石涂层钻头
    众所周知,钻削加工散热困难,因此钻削时必须使用大量冷却液。近年来,为了改善切削加工的环境保护,需要采用干式切削及微量润滑(Minimum Quantity Lubrication, MQL)切削技术。目前,用于钢材的干式、MQL孔加工的PVD涂层刀具已实现了工业化应用。但是,由于铝与刀具材料的亲和力较大,实现铝的干式及MQL钻孔还比较困难,特别是在高硅铝合金的干式孔加工中,往往因铝屑堵塞钻沟而使钻头使用寿命缩短。即使是对低硅铝合金有防止粘刀性能的DLC涂层钻头,也难以胜任高硅铝合金的干式钻孔或MQL钻孔加工。
    表3 铝压铸件的干式孔加工条件
    切削刀具Ø6mm硬质合金钻头
    工件材料ADC12铝压铸件
    切削速度96m/min
    进给速度0.12mm/r
    切削深度18mm
    切削液风冷
    图13为按表3所列条件,用DLC涂层钻头和超微细晶粒金刚石涂层钻头干式(风冷)切削加工ADC12铝压铸件孔的实例。图13a的DLC涂层钻头加工450个孔时,因铝屑堵塞钻沟而无法继续钻孔加工;图13b的超微细晶粒金刚石涂层钻头加工3600个孔后仍未粘刀,还可继续钻孔,显示出很大的优势。

    (a)DLC涂层钻头加工450个孔时

    (b)超微细晶粒金刚石涂层钻头加工3600个孔时
    图13 DLC与金刚石涂层钻头比较


    图14 风冷和MQL条件下不同钻头的切削寿命对比
    图14为在干式风冷钻孔和MQL钻孔条件下,无涂层钻头、普通晶粒金刚石涂层钻头和超微细晶粒金刚石涂层钻头钻削ADC12铝件的切削寿命对比(除切削液外,其它加工条件同表3)。在风冷条件下,用无涂层钻头加工至94个孔时,因堵屑导致钻头折断;但在MQL条件下,钻头寿命延长至447个孔。在风冷及MQL条件下,用普通晶粒金刚石涂层钻头和超微细晶粒金刚石涂层钻头也进行了刀具寿命试验。普通晶粒钻头在风冷条件下钻至731个孔时折断,在MQL条件下钻至2160个孔时折断。折断原因是粘刀及堵屑。超微细晶粒钻头在风冷条件下钻至3080个孔和在MQL条件下钻至9216个孔时,因钻尖崩刃而达到使用寿命。由此可见,超微细晶粒金刚石涂层硬质合金钻头适合铝合金的干式切削加工。
    图15为试验中或试验后的钻头外观照片。图15a为普通晶粒金刚石涂层钻头在MQL条件下钻削至2000个孔时钻头沟槽的一面粘有铝屑,之后再加工了160个孔,即合计2160个孔时因堵屑导致钻头折断。图15b为超微细晶粒金刚石涂层钻头在风冷条件下,加工至3080个孔时因钻尖崩刃而达到使用寿命,其钻沟底部粘有少量铝屑,由于切屑咬入而导致钻尖崩刃。图15c为超微细晶粒金刚石涂层钻头在MQL条件下,加工至9216个孔时因钻尖崩刃而使钻头达到使用寿命,但未发现粘屑现象。由此可见,超微细晶粒金刚石涂层与MQL的组合应用可显著提高钻头的使用寿命。

    (a)普通晶粒钻头在MQL条件下加工2000个孔后

    (b)超微细晶粒钻头在风冷条件下加工3080个孔后

    (b)超微细晶粒钻头在MQL条件下加工9126个孔后
    图15 试验钻头的损伤状态
  3. 金刚石涂层丝锥
    丝锥是在内孔表面形成阴螺纹的加工刀具,其切削刃形状比立铣刀和钻头更为复杂,无法采用聚晶金刚石制造,是只能采用金刚石涂层的代表性刀具。图16为对氧化铝纤维强化塑料(FRP)的攻丝试验结果。无涂层硬质合金丝锥几乎不可能完成攻丝;超微细晶粒金刚石涂层丝锥能攻500个孔。图17为对铝合金复合材料(MMC)的攻丝加工试验结果。超微细晶粒金刚石涂层丝锥攻丝至464个螺纹孔时,因磨损大而达到使用寿命;普通晶粒金刚石涂层丝锥的寿命是超微细晶粒丝锥的一半以下,这是由于涂层剥落造成的。
    刀具:OTTM3×0.6;工件材料:FRP(含15%氧化铝纤维);切削速度:500/min
    图16 FRP的攻丝试验结果
    机床:立式CNC攻丝中心;刀具:M4×0.8金刚石涂层丝锥;工件材料:MMC(含30%SiC);切削速度:4m/min;底孔:Ø3.4×12mm盲孔;攻丝深度:8mm;水溶性切削液
    图17 MMC的攻丝试验结果

图18 重涂金刚石涂层立铣刀的性能
表4 铣削铝压铸件的加工条件
切削刀具3R硬质合金球头立铣刀
工件材料ADC铝压铸件
切削速度376m/min(20000/min)
进给速度3500mm/min(0.09mm/齿)
切削深度轴向0.3mm,周期进给1.2mm
切削液风冷

4 金刚石涂层的重涂

为了节约刀具费用,一般的涂层刀具使用到设定寿命后,可用磨削的方法磨除剩余涂层后进行重涂再利用。但对于金刚石涂层刀具,用金刚石砂轮磨除涂层的难度很大、效率很低,重涂后的质量也存在问题。因此人们希望去除金刚石涂层后再进行重磨,为此开发了等离子燃烧去除金刚石的方法,采用该工序就能对刀具进行一般的重磨和重涂了。但是,如果等离子条件控制不好,过度燃烧会导致硬质合金基体的熔化损伤,而燃烧不充分则会导致涂层的残留。图18为按表4条件,用3R硬质合金球头立铣刀铣削铝压铸件时刀具寿命的对比可知,采用适当的等离子条件去除金刚石涂层后,重涂的刀具性能与新刀具相当。
金刚石涂层晶粒超微细化新技术飞跃性地扩大了切削刀具的适用范围,使过去无法加工的铝合金、铜合金等工件材料变得可以切削加工了,且刀具寿命大大延长,大幅度减少了加工现场生产必备的切削刀具种类和数量。MMC、FRP等新材料具有重量轻、强度高等优良特性,但加工十分困难,因此其普及应用的步伐稍慢一些。超微细晶粒金刚石涂层刀具的出现,必将对今后的材料革命作出重大贡献。
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2007年第4期
上载于:2008-9-23 9:34:48

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