微细金刚石薄膜涂层刀具和它在铝合金加工中的应用
1 引言
近年来，为了减轻飞机、汽车零部件的重量，铝合金的使用量逐年增加。尽管加工铝合金时比切削钢材时的切削阻力小，但由于铝合金比较软，切削时刀具刃部容易发生粘刀现象，从而影响被加工工件的表面粗糙度。为了增加铝合金材料的强度，通常在铝合金中加入大量硅元素。但由于硅元素以颗粒的形式散布在铝合金材料内部，并且这些硅粒子的硬度很高(1000HV左右)，从而在切削加工时会导致刀具刃部严重磨损。因此，这样的高硅铝合金材料是一种非常难于切削加工的材料。
单晶金刚石车刀应用于铝合金的精密车削加工能获得良好的加工表面质量。金刚石刀具在加工高硅铝合金材料时，能够防止材料中的硅粒子导致的刀具磨耗，使刀具具有较长的寿命。如果采用单晶金刚石制造带螺旋槽且形状复杂的铣刀的刀刃，则铝合金材料的铣削加工也会获得令人满意的效果。但一方面由于单晶金刚石的价格昂贵，另一方面铣刀刀刃的立体形状复杂、几何尺寸精度要求较高，若采用单晶金刚石，则铣刀刃部的成形加工非常困难，因此单晶金刚石铣刀未能得到广泛应用。
近年来，国内外许多科研机构和工具制造商在人造金刚石涂层技术的开发和应用方面进行了大量的研究，取得了许多新的成果，人造金刚石涂层技术发展很快，在硬质合金铣刀、钻头、丝锥、刀片等刀具的表面涂层方面得到大量应用。人造金刚石涂层技术的成功应用使得人造金刚石涂层刀具备受青睐，市场需求逐年增长。尽管如此，人造金刚石涂层刀具也有缺点：虽然金刚石是自然界中最硬的物质，但其韧性很低，因此在加工难切削材料时容易发生薄膜脆性破损现象；此外人造金刚石薄膜是金刚石晶粒的多结晶体，其表面凹凸不平，这种粗糙的表面会影响铝合金工件被加工表面的粗糙度，且在凹坑部容易产生铝合金粘着，导致金刚石薄膜早期磨损。为了解决上述问题，日本OSG 株式会社最近开发了超微细结晶金刚石涂层技术并成功地用于铣削刀具的涂层。
2 超微细结晶金刚石涂层铣刀的切削性能
为了研究超微细结晶金刚石涂层铣刀的切削加工性能，通过切削试验对超微细结晶金刚石涂层铣刀与未涂层超硬铣刀在被加工表面粗糙度、抗粘着性和薄膜韧性等方面的优劣进行了分析对比。
1) 被加工表面粗糙度
人造金刚石涂层是在基材表面形成晶核(微小的金刚石粒子)、晶核沿柱状成长所构成的金刚石多结晶集合体。金刚石涂层薄膜表面凹凸不平，通常表面粗糙度为Ry4～10μm。镀有金刚石薄膜的切削刀具在加工铝合金时，其凹凸不平的表面形状会影响到被加工表面的粗糙度，因此难以获得精加工所期待的光洁表面。未涂层的超硬合金刀具虽然能获得比较光洁的加工表面，但刀具刃部在很短的加工过程中就产生粘刀现象，从而影响工件表面粗糙度并导致刀刃的早期磨损，使之达不到预期的使用寿命。
采用超微细结晶金刚石涂层?10mm 双刃铣刀对铝合金材料A7075进行切削试验。切削条件为：线速度200m/min，切削进给速度0.05mm/刃，切削深度0.1*10mm。试验结果显示被加工铝合金工件表面与未涂层超硬铣刀加工出的表面具有同等水平的光洁度。
2) 抗粘着性
金刚石刀具干切削铝合金时具有非常优秀的抗粘着性。金属化合物薄膜(如TiN、TiCN、TiAlN、CrN等)虽然有良好的加工特性，但在切削加工过程中薄膜会很快磨损。薄膜发生磨损后，其表面形状会发生改变甚至露出基材表面，从而引起铝合金的粘着现象。而金刚石涂层刀具在加工铝合金时的磨耗非常微小，长时间使用后仍具有良好的抗粘着性并保持良好的切削加工性能。
别采用未进行金刚石涂层的超硬合金铣刀和超微细结晶金刚石涂层铣刀对铝合金ADC12(含Si量12%)进行干切削粗加工试验。铣刀直径均为?10mm，切削条件为：线速度300m/min，切削进给速度0.15mm/刃，切削深度2.5*8mm。未进行金刚石涂层的超硬合金铣刀，在切削加工的初期由于刀尖发生粘着现象，切屑的排出受到很大影响进而引起沟槽内切屑阻塞，粘着现象逐渐严重；而超微细结晶金刚石薄膜涂层铣刀仅在刀尖部位有铝合金摩擦过的白色痕迹而未发生粘着现象。