超微晶金剛石涂層立銑刀

    日本OSG公司是一家集整個切削刀具的生產(chǎn)和銷售于一體的綜合刀具制造廠家。其研究部的主要任務(wù)是根據(jù)客戶的要求，致力于適應(yīng)各種切削材料、刀具的基礎(chǔ)研究與開發(fā)。最近，該公司研制出超微晶金剛石涂層立銑刀。 

    近年來，為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件的輕量化，鋁合金在航空、汽車等有關(guān)領(lǐng)域的使用量大幅度增加。但在軋制鋁合金的切削加工中，雖然切削抗力比鋼小得多，但容易發(fā)生粘刀，加大了加工難度。高硅鋁合金是一種難加工材料，其組織中分散著過共晶析出的硬質(zhì)硅顆粒。這種硅顆粒的硬度高達1000HV，足以可使刀尖急劇磨損。 

    采用單晶金剛石車刀加工易粘刀的軋制鋁材，可獲得良好的加工表面粗糙度。這是由于金剛石的化學(xué)性能穩(wěn)定，對金屬的粘刀有一定抗力的緣故。也可采用聚晶金剛石(PCD)車刀進行加工，但PCD組織中含有結(jié)合劑鈷(Co)，抗粘刀性低于單晶金剛石。 

    采用金剛石刀具加工高硅鋁合金，由于金剛石與硬質(zhì)硅顆粒接觸可防止刀具磨損，所以刀具的耐用度很高。 

    使用金剛石刀具加工鋁合金，具有良好的切削性能，但由于金剛石刀片形狀的制約、刀尖形狀難于刃磨等原因，所以目前在生產(chǎn)中尚未將其應(yīng)用于立銑刀上。 

    近年來，隨著金剛石涂覆工藝的發(fā)展，形狀復(fù)雜的刀刃已能通過CVD法涂覆金剛石涂層。為此，形狀復(fù)雜的立銑刀也可進行涂層，不過實際上在鋁合金的加工中，仍然有不少問題有待解決。 

    新開發(fā)涂層的特點 

    改善了加工面表面粗糙度 

    金剛石涂層基本上是由100%的金剛石組成，對于鋁等有色金屬具有良好的抗粘刀性，因此曾探討過在鉆頭、立銑刀上涂以金剛石涂層。但金剛石涂層是由母材表面發(fā)生的微小金剛石核生長的金剛石聚結(jié)晶體，涂層表面的聚結(jié)晶體約為5～10μm。將其涂覆在刀具表面上，用該刀具加工鋁，則金剛石涂層表面的凹凸形狀便會轉(zhuǎn)移到鋁的加工表面。因此，采用金剛石涂層刀具加工鋁合金，其工件的表面粗糙度欠佳，故不宜用于精加工。  
  
    未涂層加工的表面粗糙度 Ry0.78µm
    使用刀刃鋒利的硬質(zhì)合金刀具精加工鋁合金，其表面粗糙度可達Ry1μm左右。但硬質(zhì)合金基體與鋁合金的親和性強，刀刃早期易發(fā)生粘刀，使工件的表面粗糙度惡化。所以用硬質(zhì)合金刀具加工鋁合金，其耐用度不能長期保持穩(wěn)定。 

    我們也曾經(jīng)作過多方面的探索，如對金剛石涂層刀具加以刃磨或調(diào)整金剛石涂層的合成條件，使金剛石晶向保持一致，以保證涂層形狀的平滑性。然而，這些方法都有一定的難度，且缺乏復(fù)現(xiàn)性、成品涂層性能喪失等，難于付諸實際應(yīng)用。 

    為了解決這些問題，OSG公司經(jīng)過多次研究，發(fā)現(xiàn)已能控制金剛石涂層表面的金剛石粒度，并將金剛石涂層表面粗糙度減小到Ry1μm，據(jù)觀察，涂層表面晶粒有所細化，涂層表面的平滑性優(yōu)于一般涂層。表面涂覆金剛石涂層的立銑刀光潔度很好，外觀完全不同于常規(guī)金剛石涂層。 

    用這種超微晶金剛石涂層立銑刀加工A7075軋制鋁合金工件，采用的切削用量為：切削速度V=200m/min，進給量S=0.05mm/齒，切削深度t=0.1×10mm。采用水溶性切削油。加工結(jié)果表明，工件表面粗糙度很好，基本等同于未涂層硬質(zhì)合金立銑刀。 

    改善了抗粘刀性能 

    金剛石涂層刀具加工鋁合金時，其磨損的擴散很小，可長期保持與初期相同的抗粘刀性和切削性能。 

    OSG公司進行了干式粗加工硅鋁合金(含Si12%)的切削試驗。采用的切削用量為：切削速度300m/min，進給量0.15mm/齒，切削深度2.5×8mm。立銑刀直徑10mm。用未涂層立銑刀加工的早期，前面大部分開始發(fā)生粘刀，導(dǎo)致排屑不暢、切屑堵塞容屑槽，出現(xiàn)嚴重的粘刀現(xiàn)象。而用微晶金剛石涂層的立銑刀加工時，刀尖上雖殘留著被鋁摩檫過的白色痕跡，但并未發(fā)生任何粘刀現(xiàn)象。  

    此外，傳統(tǒng)的粗晶金剛石涂層用于鋁的干切時，鋁則擦進晶粒間的凹部，從而引發(fā)機械性粘刀，導(dǎo)致工件加工精度降低，表面粗糙度惡化。 

    新開發(fā)的超微晶金剛石涂層的表面粗糙度很小，不到Ry1μm，絕不會發(fā)生機械性粘刀。 

    改善了涂層的韌性 

    一般的金剛石涂層從母材表面的金剛石晶核生長成柱狀金剛石晶體，所產(chǎn)生的裂紋易通過晶界擴展，涂層很容易斷裂。而晶粒細化的超微晶金剛石涂層可防止裂紋擴展，提高涂層的韌性。 

    在使用水溶性切削油條件下進行加工硅鋁合金(含Si12%)ADC12的試驗試驗。切削用量為：切削速度400m/min,進給量0.05mm/齒，切削深度0.1×10mm。在加工同一距離1108m后，刀尖頂端的普通金剛石涂層發(fā)生缺損，而超微晶金剛石涂層磨損甚微，刀尖仍保持良好狀態(tài)。  
  
    銅合金的加工實例 

    同樣，超微晶金剛石涂層立銑刀在加工銅合金時也具有良好的切削性能。 

    用未涂層立銑刀和超微晶金剛石涂層立銑刀加工銅合金C1100的耐久比較試驗。立銑刀為短頸雙刃硬質(zhì)合金立銑刀，切削用量為：切削速度300m/min，進給量0.01mm/齒，切削深度0.15×6mm，干切。未涂層立銑刀加工56m，外周刃便發(fā)生嚴重磨損，用超微晶金剛石涂層立銑刀加工，雖然加工到406m，其刀尖磨損仍很輕微，仍可繼續(xù)使用。 

    用超微晶金剛石涂層硬質(zhì)合金球頭立銑刀加工手機用電火花加工電極。立銑刀為長頸球頭立銑刀LN-EBDIR，工件為銅合金C1100，采用的轉(zhuǎn)速為1000r/min，進給速度為1m/min，切削深度為0.01mm，采用乳化水溶性油作為冷卻液。由于電火花加工電極的加工面轉(zhuǎn)移到工件，對表面粗糙度有嚴格的精度要求，因此，不允許立銑刀有絲毫的磨損。而金剛石涂層立銑刀具有很高的耐磨性，用一把刀具即可完成電極的加工。