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，不僅能獲得非常平滑光潔的加工表面，而且刀具的使用壽命也很長，其優(yōu)勢是其它車刀無法比擬的。但是，用單晶金剛石和聚晶金剛石很難制成像立銑刀、鉆頭、絲錐那樣的復(fù)雜形狀刀具。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。
　　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，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。提供等離子的方法有直流放電法、微波法、熱燈絲法等，在工業(yè)應(yīng)用上，主要采用微波法和熱燈絲法。在等離子狀態(tài)下，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、SP鍵或SP2鍵結(jié)合的DLC和石墨。DLC、石墨被載流氣體氫清除后，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(qiáng)度，目前采用硬質(zhì)合金作為基體材料，高速鋼、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(shí)，刀具的涂前處理十分重要。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。在涂覆金剛石涂層時(shí)，涂層元素與硬質(zhì)合金基體元素之間不會相互擴(kuò)散，為了防止涂層與基體結(jié)合不牢固，必須將基體表面處理成有一定凹凸的表面。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。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。
　　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，不能用于高精加工。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(diǎn)，生長成為涂層厚度大小的晶粒。因此，如果涂層厚度較小，就能生成微細(xì)晶粒的涂層。但是，金剛石涂層本身需要具有必要的強(qiáng)度，因此希望涂層厚度在10μm以上。通過適當(dāng)組合涂前處理與等離子工藝條件，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
　?。?）金剛石涂層立銑刀
　　過去，金剛石涂層立銑刀僅用于石墨的切削加工。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。但由于普通晶粒金剛石涂層表面較粗糙，按表1切削條件立銑特超級硬鋁時(shí)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；用未涂層的立銑刀也可以獲得類似的加工表面。
　　 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；RD=0.1mm
　　 切削液：浮狀冷卻液
　　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，使刀具壽命縮短，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，就能實(shí)現(xiàn)干式切削，并可獲得很長的刀具使用壽命。
　　按表2條件切削ADC12鋁壓鑄件，用普通晶粒金剛石涂層立銑刀切削3.5m時(shí)，鋁屑堵塞了排屑槽而無法繼續(xù)切削；而用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀加工8.75m時(shí)，僅可見到極少的鋁粘附，仍可繼續(xù)進(jìn)行切削。
　　 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；RD=2.5mm
　　 切削液：風(fēng)冷
　　由于超微細(xì)晶?；?，提高了金剛石涂層自身的韌性。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(shí)，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)；而用超微細(xì)晶粒金剛石涂層立銑刀加工1108m時(shí)，切削刃毫無損傷。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，擴(kuò)展了被加工材料范圍，探索到了其適當(dāng)?shù)挠猛尽?br /> 　　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，進(jìn)給量：2000mm/min，切深：AD=1mm，pf=0.5mm；干式切削）的實(shí)例：MMC（SiC20%-Al）是在鋁基中含有大量陶瓷類硬粒子的鋁合金，這些硬粒子加速了刀尖磨損，屬超難切削鋁復(fù)合材料。使用通用TiAlN涂層立銑刀切削20m左右后，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(shí)，刀尖的磨損卻很輕微。
　　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(shí)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，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。
　　作為一種新材料，纖維強(qiáng)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。FRP與MMC一樣，用普通刀具幾乎不能加工。用立銑刀銑削玻璃纖維強(qiáng)化（20%）塑料，用高速鋼立銑刀銑削3.8m后，因切削刃磨損太大而達(dá)到使用壽命；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。
　?。?）金剛石涂層鉆頭
　　眾所周知，鉆削加工散熱困難，因此鉆削時(shí)必須使用大量冷卻液。近年來，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)。目前，用于鋼材的干式、MQL孔加工的PVD涂層刀具已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。但是，由于鋁與刀具材料的親和力較大，實(shí)現(xiàn)鋁的干式及MQL鉆孔還比較困難，特別是在高硅鋁合金的干式孔加工中，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，也難以勝任高硅鋁合金的干式鉆孔或MQL鉆孔加工。
　　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(shí)例：DLC涂層鉆頭加工450個(gè)孔時(shí)，因鋁屑堵塞鉆溝而無法繼續(xù)鉆孔加工；而超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭加工3600個(gè)孔后仍未粘刀，還可繼續(xù)鉆孔，顯示出很大的優(yōu)勢。
　　 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），無涂層鉆頭、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(gè)孔時(shí)，因堵屑導(dǎo)致鉆頭折斷；但在MQL條件下，鉆頭壽命延長至447個(gè)孔。在風(fēng)冷及MQL條件下，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(yàn)。普通晶粒鉆頭在風(fēng)冷條件下鉆至731個(gè)孔時(shí)折斷，在MQL條件下鉆至2160個(gè)孔時(shí)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(gè)孔和在MQL條件下鉆至9216個(gè)孔時(shí)，因鉆尖崩刃而達(dá)到使用壽命。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。
　　普通晶粒金剛石涂層鉆頭在MQL條件下鉆削至2000個(gè)孔時(shí)鉆頭溝槽的一面粘有鋁屑，之后再加工了160個(gè)孔，即合計(jì)2160個(gè)孔時(shí)因堵屑導(dǎo)致鉆頭折斷。而超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭在風(fēng)冷條件下，加工至3080個(gè)孔時(shí)因鉆尖崩刃而達(dá)到使用壽命，其鉆溝底部粘有少量鋁屑，由于切屑咬入而導(dǎo)致鉆尖崩刃。超微細(xì)晶粒金剛石涂層鉆頭在MQL條件下，加工至9216個(gè)孔時(shí)因鉆尖崩刃而使鉆頭達(dá)到使用壽命，但未發(fā)現(xiàn)粘屑現(xiàn)象。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。
　?。?）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，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，是只能采用金剛石涂層的代表性刀具。對氧化鋁纖維強(qiáng)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）；切削速度：500/min）試驗(yàn)結(jié)果表明：無涂層硬質(zhì)合金絲錐幾乎不可能完成攻絲；超微細(xì)晶粒金剛石涂層絲錐能攻500個(gè)孔。對鋁合金復(fù)合材料（MMC）的攻絲加工（機(jī)床：立式CNC攻絲中心；刀具：M4×0.8金剛石涂層絲錐；工件材料：MMC（含30％SiC）；切削速度：4m/min；底孔：φ3.4×12mm盲孔；攻絲深度：8mm；水溶性切削液）試驗(yàn)結(jié)果表明：超微細(xì)晶粒金剛石涂層絲錐攻絲至464個(gè)螺紋孔時(shí)，因磨損大而達(dá)到使用壽命；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。
　　 4 金剛石涂層的重涂
　　 為了節(jié)約刀具費(fèi)用，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。但對于金剛石涂層刀具，用金剛石砂輪磨除涂層的難度很大、效率很低，重涂后的質(zhì)量也存在問題。因此人們希望去除金剛石涂層后再進(jìn)行重磨，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。但是，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，而燃燒不充分則會導(dǎo)致涂層的殘留。按表4條件，用3R硬質(zhì)合金球頭立銑刀銑削鋁壓鑄件時(shí)刀具壽命的對比可知，采用適當(dāng)?shù)牡入x子條件去除金剛石涂層后，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，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?cái)U(kuò)大了切削刀具的適用范圍，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，且刀具壽命大大延長，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、FRP等新材料具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)良特性，但加工十分困難，因此其普及應(yīng)用的步伐稍慢一些。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)。