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1 引言
近年來，為了減輕飛機、汽車零部件的重量，鋁合金的使用量逐年增加。盡管加工鋁合金時比切削鋼材時的切削阻力小，但由于鋁合金比較軟，切削時刀具刃部容易發生粘刀現象，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部，并且這些硅粒子的硬度很高(1000HV左右)，從而在切削加工時會導致刀具刃部嚴重磨損。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。 單晶金剛石車刀應用于鋁合金的精密車削加工能獲得良好的加工表面質量。金剛石刀具在加工高硅鋁合金材料時，能夠防止材料中的硅粒子導致的刀具磨耗，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雜的銑刀的刀刃，則鋁合金材料的銑削加工也會獲得令人滿意的效果。但一方面由于單晶金剛石的價格昂貴，另一方面銑刀刀刃的立體形狀復雜、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用。 近年來，國內外許多科研機構和工具制造商在人造金剛石涂層技術的開發和應用方面進行了大量的研究，取得了許多新的成果，人造金剛石涂層技術發展很快，在硬質合金銑刀、鉆頭、絲錐、刀片等刀具的表面涂層方面得到大量應用。人造金剛石涂層技術的成功應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：雖然金剛石是自然界中最硬的物質，但其韌性很低，因此在加工難切削材料時容易發生薄膜脆性破損現象；此外人造金剛石薄膜是金剛石晶粒的多結晶體，其表面凹凸不平，這種粗糙的表面會影響鋁合金工件被加工表面的粗糙度，且在凹坑部容易產生鋁合金粘著，導致金剛石薄膜早期磨損。為了解決上述問題，日本OSG 株式會社最近開發了超微細結晶金剛石涂層技術并成功地用于銑削刀具的涂層。 2 超微細結晶金剛石涂層銑刀的切削性能為了研究超微細結晶金剛石涂層銑刀的切削加工性能，通過切削試驗對超微細結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劣進行了分析對比。 ?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成的金剛石多結晶集合體。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，其凹凸不平的表面形狀會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生粘刀現象，從而影響工件表面粗糙度并導致刀刃的早期磨損，使之達不到預期的使用壽命。OSG 公司研制開發的超微細結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，超微細結晶金剛石薄膜涂層銑刀表面具有很好的光澤度。 (a) (b)
圖1
采用超微細結晶金剛石涂層?10mm 雙刃銑刀對鋁合金材料A7075進行切削試驗。切削條件為：線速度200m/min，切削進給速度0.05mm/刃，切削深度0.1*10mm。試驗結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具有非常優秀的抗粘著性。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很快磨損。薄膜發生磨損后，其表面形狀會發生改變甚至露出基材表面，從而引起鋁合金的粘著現象。而金剛石涂層刀具在加工鋁合金時的磨耗非常微小，長時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。 別采用未進行金剛石涂層的超硬合金銑刀和超微細結晶金剛石涂層銑刀對鋁合金ADC12(含Si量12%)進行干切削粗加工試驗。銑刀直徑均為?10mm，切削條件為：線速度300m/min，切削進給速度0.15mm/刃，切削深度2.5*8mm。試驗后兩種銑刀的刃部分別見圖3a和圖3b。如圖3a 所示，未進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生粘著現象，切屑的排出受到很大影響進而引起溝槽內切屑阻塞，粘著現象逐漸嚴重；而超微細結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生粘著現象。 圖4
圖5
在上述切削條件下進行了刀具壽命對比試驗，試驗結果見圖4。未涂層的超硬合金銑刀由于發生了粘著現象，經過很短時間的切削后就不能再使用；而超微細結晶金剛石涂層銑刀在切削長度達到700m 以后仍可繼續使用。由此可見，超微細結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良的切削性能。 另外，普通金剛石薄膜的結晶粗大、表面凹凸不平，在干切削鋁合金時，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所示是發生這種粘著現象的實例)。而超微細結晶金剛石薄膜表面粗糙度在Ry1μm以下，切削試驗中觀察不到有粘著現象發生。
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晶集合體，因此在這種柱狀晶界間容易形成細微裂紋進而導致薄膜的損壞。而超微細結晶金剛石薄膜的晶粒微小，可有效防止細微裂紋的擴展，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結晶金剛石薄膜涂層銑刀對鋁合金ADC12 進行濕式切削試驗，切削條件為：線速度400m/min，切削進給速度0.05mm/刃，切削深度0.1*10mm。在進行了切削長度為1108m 的切削試驗后，兩種銑刀的刀尖狀態見圖6：普通金剛石薄膜涂層銑刀尖部發生了崩刃現象(如圖6b 所示)；超微細結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(見圖6a)。 (a) (b)
圖6
? 3 ?結論 OSG公司開發的超微細結晶金剛石薄膜涂層具有優異的切削加工性能，通過切削試驗證明了超微細結晶金剛石薄膜涂層銑刀在銑削加工鋁合金時具有優良的抗粘著性、較高的加工精度、耐用度和薄膜韌性。由于彌補了普通金剛石薄膜涂層的缺陷，超微細結晶金剛石薄膜涂層技術已大量應用于OSG公司開發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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