用單晶金剛石車刀或聚晶金剛石車刀對鋁合金工件和其它非鐵系金屬及其合金工件進(jìn)行鏡面車削蒿缎，不僅能獲得非常平滑光潔的加工表面是偷，而且刀具的使用壽命也很長感挥，其優(yōu)勢是其它車刀無法比擬的淌实。但是冻辩，用單晶金剛石和聚晶金剛石很難制成像立銑刀、鉆頭拆祈、絲錐那樣的復(fù)雜形狀刀具恨闪。要將金剛石應(yīng)用于復(fù)雜形狀刀具，唯一的方法是采用氣相合成法（或氣相沉積法）在復(fù)雜刀具表面涂覆金剛石薄膜涂層放坏。

1 金剛石薄膜涂層的涂覆原理

　　金剛石薄膜涂層的涂覆原理是以碳?xì)浠衔餁怏w（如甲烷）作為主要原料咙咽，以氫氣作為載流體，采用等離子CVD法在復(fù)雜刀具表面生成金剛石薄膜涂層淤年。提供等離子的方法有直流放電法钧敞、微波法、熱燈絲法等蛙陆，在工業(yè)應(yīng)用上笨迂，主要采用微波法和熱燈絲法。在等離子狀態(tài)下买鹊，碳?xì)浠衔餁怏w的碳原子轉(zhuǎn)變?yōu)镾P3鍵結(jié)合的金剛石捍彼、SP鍵或SP2鍵結(jié)合的DLC和石墨。DLC筑卑、石墨被載流氣體氫清除后蒜猎，只有優(yōu)質(zhì)的金剛石沉積在基體表面。金剛石涂層刀具的基體材料需要具有足夠的強度，目前采用硬質(zhì)合金作為基體材料糕但，高速鋼仅汰、模具鋼等都不能作為金剛石涂層的基體材料。

    　制造金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具時唠魏，刀具的涂前處理十分重要蝉站。由于硬質(zhì)合金中鈷的存在會影響金剛石的生成，因此在涂層前要去除硬質(zhì)合金基體表層中的鈷例吹。在涂覆金剛石涂層時捧颅，涂層元素與硬質(zhì)合金基體元素之間不會相互擴散，為了防止涂層與基體結(jié)合不牢固较雕，必須將基體表面處理成有一定凹凸的表面碉哑。前處理過程要一直持續(xù)到金剛石涂覆完全生核為止。金剛石薄膜涂層的質(zhì)量幾乎完全取決于涂前處理質(zhì)量的優(yōu)劣亮蒋。金剛石涂層硬質(zhì)合金立銑刀的刀尖涂層厚度約為10μm左右扣典。

2 超微細(xì)結(jié)晶金剛石涂層技術(shù)的開發(fā)

    　用傳統(tǒng)的氣相沉積法涂覆的金剛石涂層的晶粒度約為10μm左右，故涂層表面較為粗糙慎玖，不能用于高精加工贮尖。用氣相沉積法生成的金剛石晶體是以前處理的晶核為基點，生長成為涂層厚度大小的晶粒趁怔。因此湿硝，如果涂層厚度較小，就能生成微細(xì)晶粒的涂層润努。但是关斜，金剛石涂層本身需要具有必要的強度，因此希望涂層厚度在10μm以上铺浇。通過適當(dāng)組合涂前處理與等離子工藝條件痢畜，就能獲得超微細(xì)晶粒的金剛石涂層。

3 超微細(xì)晶粒金剛石涂層刀具的切削性能

    （1）金剛石涂層立銑刀

    　過去划疟，金剛石涂層立銑刀僅用于石墨的切削加工泡募。用金剛石涂層刀具加工鋁合金能充分發(fā)揮其優(yōu)良的切削性能描蹦。但由于普通晶粒金剛石涂層表面較粗糙苦恶，按表1切削條件立銑特超級硬鋁時難以獲得優(yōu)良的加工表面；而用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀則能獲得優(yōu)良的加工表面仆阶；用未涂層的立銑刀也可以獲得類似的加工表面筝踢。
        如金剛石的晶粒直徑較大，鋁會因摩擦擠壓而粘著在晶粒之間的空隙處驯祖，使刀具壽命縮短彰碑，很難進(jìn)行干式切削加工。如果使用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀，可以避免產(chǎn)生鋁粘著現(xiàn)象详般，就能實現(xiàn)干式切削初藐，并可獲得很長的刀具使用壽命。

　　表1 鋁合金的切削條件
    　切削刀具：φ6mm2刃硬質(zhì)合金立銑刀
  　  工件材料：A7075特超級硬鋁
    　切削速度：9400m/min(12700r/min)
   　 進(jìn)給速度：1270mm/min(0.05mm/齒)
   　 切削深度：AD=10mm玷利；RD=0.1mm
   　 切削液：浮狀冷卻液

    　按表2條件切削ADC12鋁壓鑄件乍恐，用普通晶粒金剛石涂層立銑刀切削3.5m時，鋁屑堵塞了排屑槽而無法繼續(xù)切削测砂；而用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀加工8.75m時茵烈，僅可見到極少的鋁粘附，仍可繼續(xù)進(jìn)行切削砌些。

    　表2 鋁壓鑄件的切削條件
    　切削刀具：φ10mm2刃硬質(zhì)合金立銑刀
   　 工件材料：ADC12鋁壓鑄件
    　切削速度：300m/min
    　進(jìn)給速度：1000mm/min(0.05mm/齒)
   　 切削深度：AD=8mm呜投；RD=2.5mm
 　   切削液：風(fēng)冷

  　  由于超微細(xì)晶粒化存璃，提高了金剛石涂層自身的韌性仑荐。用表2條件加工鋁壓鑄件，用普通晶粒金剛石涂層立銑刀加工1108m時纵东，刀尖圓弧刃涂層大片剝落而達(dá)到使用壽命的磨損狀態(tài)释漆；而用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀加工1108m時，切削刃毫無損傷篮迎。上述結(jié)果證明了超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀的優(yōu)勢男图，擴展了被加工材料范圍，探索到了其適當(dāng)?shù)挠猛尽?/p>

   　 用R5金剛石涂層球頭立銑刀加工金屬基復(fù)合材料（MMC）（圓周速度：8000/min甜橱，進(jìn)給量：2000mm/min揭凭，切深：AD=1mm，pf=0.5mm乞微；干式切削）的實例：MMC（SiC20%-Al）是在鋁基中含有大量陶瓷類硬粒子的鋁合金俯重，這些硬粒子加速了刀尖磨損，屬超難切削鋁復(fù)合材料蝉徒。使用通用TiAlN涂層立銑刀切削20m左右后夕锹，刀尖磨損極大而無法繼續(xù)切削；而用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀切削加工200m以上時认寓，刀尖的磨損卻很輕微檬桅。

    　使用在F2139刀體上裝有涂覆了超微細(xì)晶粒金剛石涂層圓刀片的立銑刀銑削電火花加工用電極的實例：用普通立銑刀加工39分鐘后切削刃崩損而達(dá)到使用壽命；與此相反奉量，超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀的使用壽命則達(dá)到了400分鐘芹寓。

  　  作為一種新材料，纖維強化塑料（Fiber Reinforced Plastic, FRP）是一種在樹脂基體中含有大量陶瓷或玻璃纖維的難加工材料笼糙。FRP與MMC一樣妓唬，用普通刀具幾乎不能加工。用立銑刀銑削玻璃纖維強化（20%）塑料，用高速鋼立銑刀銑削3.8m后苫昌，因切削刃磨損太大而達(dá)到使用壽命颤绕；而用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀銑削11.4m后，刀尖磨損仍很輕微祟身。

    （2）金剛石涂層鉆頭

   　 眾所周知屋厘，鉆削加工散熱困難，因此鉆削時必須使用大量冷卻液月而。近年來汗洒，為了改善切削加工的環(huán)境保護(hù)，需要采用干式切削及微量潤滑（Minimum Quantity Lubrication, MQL）切削技術(shù)父款。目前溢谤，用于鋼材的干式、MQL孔加工的PVD涂層刀具已實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用憨攒。但是世杀，由于鋁與刀具材料的親和力較大，實現(xiàn)鋁的干式及MQL鉆孔還比較困難肝集，特別是在高硅鋁合金的干式孔加工中瞻坝，往往因鋁屑堵塞鉆溝而使鉆頭使用壽命縮短。即使是對低硅鋁合金有防止粘刀性能的DLC涂層鉆頭芙糙，也難以勝任高硅鋁合金的干式鉆孔或MQL鉆孔加工牢簸。

   　 按表3所列條件，用DLC涂層鉆頭和超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭干式（風(fēng)冷）切削加工ADC12鋁壓鑄件孔的實例：DLC涂層鉆頭加工450個孔時鹊逛，因鋁屑堵塞鉆溝而無法繼續(xù)鉆孔加工渺类；而超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭加工3600個孔后仍未粘刀，還可繼續(xù)鉆孔象讶，顯示出很大的優(yōu)勢累换。

    　表3 鋁壓鑄件的干式孔加工條件
   　 切削刀具：φ6mm硬質(zhì)合金鉆頭
    　工件材料：ADC12鋁壓鑄件
    　切削速度：96m/min
  　  進(jìn)給速度：0.12mm/rev
    　切削深度：18mm
    　切削液：風(fēng)冷

    　在干式風(fēng)冷鉆孔和MQL鉆孔條件下（除切削液外，其它加工條件同表3）盏拐，無涂層鉆頭待插、普通晶粒金剛石涂層鉆頭和超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭鉆削ADC12鋁件的切削壽命對比：在風(fēng)冷條件下，用無涂層鉆頭加工至94個孔時掠袒，因堵屑導(dǎo)致鉆頭折斷捷妥；但在MQL條件下，鉆頭壽命延長至447個孔惯缚。在風(fēng)冷及MQL條件下路影，用普通晶粒金剛石涂層鉆頭和超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭也進(jìn)行了刀具壽命試驗诬像。普通晶粒鉆頭在風(fēng)冷條件下鉆至731個孔時折斷屋群，在MQL條件下鉆至2160個孔時折斷。折斷原因是粘刀及堵屑。超微細(xì)晶粒鉆頭在風(fēng)冷條件下鉆至3080個孔和在MQL條件下鉆至9216個孔時芍躏，因鉆尖崩刃而達(dá)到使用壽命邪乍。由此可見，超微細(xì)晶粒金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭適合鋁合金的干式切削加工对竣。

   　 普通晶粒金剛石涂層鉆頭在MQL條件下鉆削至2000個孔時鉆頭溝槽的一面粘有鋁屑庇楞，之后再加工了160個孔，即合計2160個孔時因堵屑導(dǎo)致鉆頭折斷否纬。而超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭在風(fēng)冷條件下吕晌，加工至3080個孔時因鉆尖崩刃而達(dá)到使用壽命，其鉆溝底部粘有少量鋁屑临燃，由于切屑咬入而導(dǎo)致鉆尖崩刃睛驳。超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭在MQL條件下，加工至9216個孔時因鉆尖崩刃而使鉆頭達(dá)到使用壽命膜廊，但未發(fā)現(xiàn)粘屑現(xiàn)象乏沸。由此可見，超微細(xì)晶粒金剛石涂層與MQL的組合應(yīng)用可顯著提高鉆頭的使用壽命牡科。

    （3）金剛石涂層絲錐

   　 絲錐是在內(nèi)孔表面形成陰螺紋的加工刀具牲耐，其切削刃形狀比立銑刀和鉆頭更為復(fù)雜，無法采用聚晶金剛石制造桂喂，是只能采用金剛石涂層的代表性刀具琐惩。對氧化鋁纖維強化塑料（FRP）的攻絲加工（刀具：OTTM3×0.6；工件材料：FRP（含15％氧化鋁纖維）成揍；切削速度：500/min）試驗結(jié)果表明：無涂層硬質(zhì)合金絲錐幾乎不可能完成攻絲盟挤；超微細(xì)晶粒金剛石涂層絲錐能攻500個孔。對鋁合金復(fù)合材料（MMC）的攻絲加工（機床：立式CNC攻絲中心掌范；刀具：M4×0.8金剛石涂層絲錐腻俏；工件材料：MMC（含30％SiC）；切削速度：4m/min睦键；底孔：φ3.4×12mm盲孔目尘；攻絲深度：8mm；水溶性切削液）試驗結(jié)果表明：超微細(xì)晶粒金剛石涂層絲錐攻絲至464個螺紋孔時栗沫，因磨損大而達(dá)到使用壽命诺秒；普通晶粒金剛石涂層絲錐的壽命是超微細(xì)晶粒絲錐的一半以下，這是由于涂層剝落造成的谤绳。

4 金剛石涂層的重涂

   　 為了節(jié)約刀具費用占锯，一般的涂層刀具使用到設(shè)定壽命后，可用磨削的方法磨除剩余涂層后進(jìn)行重涂再利用缩筛。但對于金剛石涂層刀具消略，用金剛石砂輪磨除涂層的難度很大堡称、效率很低，重涂后的質(zhì)量也存在問題艺演。因此人們希望去除金剛石涂層后再進(jìn)行重磨却紧，為此開發(fā)了等離子燃燒去除金剛石的方法，采用該工序就能對刀具進(jìn)行一般的重磨和重涂了胎撤。但是晓殊，如果等離子條件控制不好，過度燃燒會導(dǎo)致硬質(zhì)合金基體的熔化損傷伤提，而燃燒不充分則會導(dǎo)致涂層的殘留巫俺。按表4條件，用3R硬質(zhì)合金球頭立銑刀銑削鋁壓鑄件時刀具壽命的對比可知肿男，采用適當(dāng)?shù)牡入x子條件去除金剛石涂層后盘胯，重涂的刀具性能與新刀具相當(dāng)。

   　 表4 銑削鋁壓鑄件的加工條件
  　  切削刀具：3R硬質(zhì)合金球頭立銑刀
  　  工件材料：ADC鋁壓鑄件
    　切削速度：376m/min（20000/min）
    　進(jìn)給速度：3500mm/min(0.09mm/齒)
    　切削深度：軸向0.3mm要尚，周期進(jìn)給1.2mm
   　 切削液：風(fēng)冷

    　金剛石涂層晶粒超微細(xì)化新技術(shù)飛躍性地擴大了切削刀具的適用范圍刚驶，使過去無法加工的鋁合金、銅合金等工件材料變得可以切削加工了朽擒，且刀具壽命大大延長牙吼，大幅度減少了加工現(xiàn)場生產(chǎn)必備的切削刀具種類和數(shù)量。MMC今搂、FRP等新材料具有重量輕柱称、強度高等優(yōu)良特性，但加工十分困難饼簸，因此其普及應(yīng)用的步伐稍慢一些臼磁。超微細(xì)晶粒金剛石涂層刀具的出現(xiàn)，必將對今后的材料革命作出重大貢獻(xiàn)倾皿。

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