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由 于复合材料(如纤维增强金属、纤维增强塑料、烧结材料、石英玻璃及陶瓷等),硬度高,有的脆性大,有的过于强韧,增强基体的纤维与硬物质在切削 过程中相当于磨料反过来磨耗刀具,而且复合材料本身耐热性高,导热性差,切削温度传导不出去,一般刀具材料的红硬性都有一定限度,故在加工过程中刀具很快 被磨损。以前能加工这些材料的只有金刚石类刀具,此类刀具价格昂贵;同时由于其组织是金刚石结晶体,存在突出的棱角,直接影响加工表面粗糙度,并使切屑排 出不畅。
近期开发成功的DLC(类金刚石)涂层是加工复合材料的优异刀具材料。下面将金刚石与类金刚石的特性作一说明。

金刚石

金刚石分为:
  1. 天然金刚石(ND)——结晶各向异性,在进行刃磨和使用时,须选择适当的方向。
  2. 人造聚晶金刚石(PCD)——以石墨为原料,在高温(约几千℃)、高压(约500MPa)下压制烧结形成。人造金刚石各向同性,硬度低于ND, 韧性高于ND 。
  3. 人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)——是以硬质合金刀片为基底,在其上烧结或压制出一层0.5~1.0mm厚的PCD,构成复合刀片,兼有硬质合金与PCD的特性。
  4. 金刚石薄膜涂层刀具(CD) , 用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)方法在刀具表面涂覆一层厚10~25µm的金刚石薄膜,是在低压条件下沉积合成的金刚石薄膜。
  5. 金刚石厚膜涂层刀具(TFD)——CVD可以在基体上沉积出大于0. 2mm的厚膜,此厚膜可被切割出一定尺寸形状,焊在硬质合金刀片上使用。
由表1可知,金刚石硬度最高可达HV10000 ,自身耐热性高,热导率最高2100W/(m·K) ,故红硬性特高,
表1 金刚石与其他硬物质材料的特性比较
材料密度
103kg/m3
维氏硬度
HV
热传导率
W(m·K)-1
热膨胀系数
10-6K-1
金刚石3.52~10000~21003.1
CBN3.48~4500~13004.7
WC15.6~1800~303.8
Al2O33.97~2200~107.9
Si3N43.19~2200~153.3
TiN5.44~2000~159.3
(Al+Ti)N~2900
注:① 室温~1173K;② Al/(Al+Ti)=60mol%。
热膨胀系数小,约3.1×10-6K-1,耐冲击性能也比较好。杨氏模量高达1144GPa ,耐塑性变形能力高。
金 刚石刀具适合加工各类复合材料以及非铁金属如铝、铜及其合金,包括难加工的高硅铝;尚可加工各类难加工复合系烧结材料、陶瓷、硬质合金、玻璃、木材等。但 不适宜加工铁、镍、钻等铁族材料,因为加工这些材料时切削温度大于700 ℃,铁有催化作用,使金刚石转化为石墨,导致金刚石刀具本身磨损加速。硬质合金中虽含钴结合相,因催化作用较缓和,故也可算为复合材料的硬质合金,可用金 刚石刀具切削,而其他刀具材料硬度不够,根本无法切削此种材料。
20世纪80年代实现了在低压条件下用CVD法沉积金刚石薄膜后,进一 步扩大了金刚石在切削工具上的应用,钻头除主、副刀刃外,螺旋排屑槽中也可涂覆金刚石涂层,立铣刀的外刃、底刃、排屑槽及齿槽均可沉积上金刚石涂层,大大 提高了各部位的耐磨性,提高了加工速度及加工效率。沉积CVD涂层的方法很多,但各种方法成膜的质量、膜与基体的结合强度有所不同。
CVD金刚石膜的成长过程包括:核生产,成长,成膜。
CVD金刚石膜的原料气为甲烷,随其浓度增加结晶颗粒大小有变小的倾向,非金刚石成分比会增大,而硬度则随之下降。

维氏硬度与所加负荷的曲线图

类金刚石(DLC)涂层

在 金刚石涂层实用化、商品化过程中,人们又开发了DLC(Diamond Like Carbon)涂层,即类金刚石涂层,又称类金刚石碳。它是金刚石与石墨结构的非晶质碳膜,具有接近金刚石的高硬度,以不同的涂层方法制成后,其硬度约为 HV1000~8000,摩擦系数低(0.005~0.200),表面非常平滑粗糙度可达Ra0.01µm,而金刚石涂层沉积膜因是金刚石结晶体,结晶晶粒取向不同,形成突起部分,致使表面粗糙度不佳(Ra=0.53micro;m)。
DLC 成膜方式有CVD法,也有三菱神户工具公司新开发的PVD(Physical Vapor Deposition)法,即物理气相沉积法。CVD法用碳化氢气体作原料气使之活性化,通过化学反应沉积析出类金刚石膜,膜中含有氢。而新开发的PVD 法将固体碳棒作为电极,采用阴极电弧溅射法,从固体电源飞出具有运动能量带正电荷的碳原子,使之与基板相撞成膜。在磁路设计上,由于加了一个偏转磁场,使 碳原子发生偏转,在此偏转过程中可除去碳团及不纯物质。由于成膜过程不受基板温度影响,故涂层膜中残余应力小。用此法形成的DLC涂层金刚石与石墨成分比 例适当,从而抑制了易发生的脆性损伤,同时具有高耐磨性和高结合强度。
一般方法制成的DLC涂层,最高硬度HV3500,而三菱新法制 成的DLC涂层最高硬度可达HV8000,涂层中氢、碳团及不纯物质少,其品质可与金刚石涂层相匹敌。DLC涂层在表面粗糙度、摩擦系数、抗粘结熔结性能 方面比金刚石涂层好,价格也有优势,在复合材料加工方面是值得推荐的优异刀具材料。
DLC涂层基体材料为K类硬质合金,一般的DLC涂层压痕边缘膜层剥离,而新开发的PLC 涂层边缘没有出现剥离,可知其与基体结合强度非常高。

DLC涂层刀具加工实例

  1. 球头立铣刀DLC-2MB加工铝合金。
    好的DLC涂层适合对铝合金的高质量加工,新方法的DLC涂层抗粘结熔结性好,Ø6mm球头铣刀PLC-2MB的切深ap为2.0mm , 转速n=20000r/min时,侧吃刀量由0.5mm 增至2.0mm时,一般DLC涂层有切屑粘结产生,而新DLC涂层未出现粘结。
  2. 球头铣刀DLC-2MB,加工铝合金零件,连续6h ,表面质量始终恒定良好。
  3. Ø0.6mmDLC-2MB球头铣刀加工。
    加工聚碳酸酯零件实例:主要加工聚碳酸酯镜头零件上的槽。切削条件为:转速n=12000r/min,进给速度F=900mm/min ,切深ap=0.1mm 。一般DLC涂层立铣刀加工时会出现许多毛刺,而新DLC涂层立铣刀加工中未出现毛刺,加工质量好。
  4. 玻璃纤维增强塑料(GFRP)加工。
    GFRP 俗称玻璃钢,又强又韧。近来广泛采用的(Al,Ti)N 涂层硬度一般只有HV2900 ,三菱近期开发含(Al,Ti,Si)N的涂层可达到HV37000。现加工GFRP制造的零件中6mm宽,0.5mm深槽,使用的刀具是DLC- 2MAØ6mm与(Ti, Al)N涂层Ø6mm立铣刀,其切削条件为n=8000r/min(151m/min),进给速度F=2000mm/min。用新DLC涂层刀具可加工 12个零件,用(Ti, Al)N涂层的只能加工3个。

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