關(guān)鍵字：刀具
　　 1 引言
　　隨著汽車、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)用于加工各種高性能材料的切削刀具的要求日益提高，PCD刀具、金剛石刀具等新型刀具先后應(yīng)運(yùn)而 生。PCD刀具的使用性能雖然較傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具有了顯著提高，并已在機(jī)械加工中得到廣泛應(yīng)用，但在許多加工場(chǎng)合仍不能完全滿足對(duì)加工效率及工件表面完 整性的要求。此外，由于PCD材料是由金剛石顆粒與結(jié)合相組成，其刃口特性不甚理想，也限制了PCD刀具的進(jìn)一步發(fā)展。CVD金剛石自八十年代研制成功以 來(lái)，其在機(jī)械加工方面的應(yīng)用研究已取得明顯進(jìn)展，并逐漸進(jìn)入商品化應(yīng)用階段。但目前有關(guān)CVD金剛石刀具耐磨性的研究仍不夠充分。本文對(duì)CVD金剛石厚膜 刀具與PCD刀具切削Al2O3微粉增強(qiáng)樹(shù)脂材料時(shí)的耐磨性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)與分析。
　　2 CVD金剛石的特點(diǎn)
　　CVD金剛石是采用化學(xué)氣相沉積工藝生成的一種純金剛石多晶材料，通?？煞譃楹穸?0µm以下的金剛石薄膜涂層和厚度100µm以上甚至達(dá)數(shù) 毫米的金剛石厚膜兩大類。CVD金剛石具有優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電子學(xué)及力學(xué)特性。CVD金剛石薄膜涂層可用于鉆頭、鉸刀、帶斷屑槽的機(jī)夾刀片等的表 面鍍膜處理。CVD金剛石厚膜的耐磨層較厚，目前常用的制膜工藝是先將金剛石沉積在Si、Si3N4、WC等過(guò)渡材料上，然后通過(guò)磨削和酸蝕去除過(guò)渡材料 獲得金剛石厚膜，最后將金剛石厚膜焊接在基體材料上，制成車刀、鏜刀等簡(jiǎn)單刀具，其制造工藝與PCD刀具基本相同。
　　與PCD材料相比，CVD金剛石具有以下特點(diǎn)：
　　純度高
　　PCD材料中所含的Co使其具有較強(qiáng)的抗碎裂和抗斷裂性能，但Co的存在降低了PCD的硬度，且在高溫條件下將加快金剛石向石墨轉(zhuǎn)化和氧化。 CVD金剛石為純金剛石，不含任何添加復(fù)合材料，因此具有比PCD更高的硬度、熱導(dǎo)率、致密性、刃口鋒利性、耐磨性、耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、非導(dǎo)電性以及 更低的摩擦系數(shù)。
　　金剛石顆粒的大小是決定PCD材料性能的重要因素，粗粒PCD刀具耐磨性較好，但切削刃較粗糙；細(xì)粒PCD刀具刃口鋒利，易加工出良好的零件表面紋理，但耐磨性稍差。CVD金剛石因不含結(jié)合相，屬連續(xù)性材料，其性能幾乎不受內(nèi)部金剛石晶粒大小的影響。
　　各向同性
　　CVD金剛石與PCD材料一樣為多晶材料，其內(nèi)部晶粒不具有方向性，因此在制作切削刀具時(shí)可任意取向，不受晶體特性影響，這是與天然單晶金剛石的不同之處。
　　可制作較大面積的膜層材料
　　CVD金剛石通常沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基片上，由于采用低壓沉積工藝，因而容易生成較大面積(f100mm以上)的金剛石膜，使CVD金剛石在尺寸及形狀方面具有更大的應(yīng)用靈活性。
　　3 切削試驗(yàn)條件
　　設(shè)備
　　試驗(yàn)用機(jī)床為J1-MA2AK460×860型車床。采用J19型萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量刀具后刀面磨損帶寬度。
　　試件
　　據(jù)國(guó)外資料介紹，目前50%以上的PCD刀具用于切削硅鋁合金。硅鋁合金(特別是Si含量>12%的高硅鋁合金)組織中含有大量顆粒粗 大、硬度高的初晶Si，切削加工時(shí)，它們像砂輪磨粒一樣高速作用于刀具上，可使刀具迅速磨損，用普通材料刀具很難加工。因此，PCD刀具、CVD金剛石刀 具目前主要用于該類材料及硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化軟基非金屬材料(如碳纖維增強(qiáng)塑料、各種耐磨纖維板等)的切削加工。由于PCD刀具、CVD金剛石刀具工作壽命較長(zhǎng)， 采用硅鋁合金或增強(qiáng)塑料進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)耗時(shí)過(guò)多，為此我們?cè)囍屏薃l2O3微粉填充聚乙烯醇縮醛樹(shù)脂材料作為專用試驗(yàn)材料。切削加工中，該材料中 Al2O3微粉的研磨、鑿削和摩擦作用類似硅鋁合金及增強(qiáng)塑料，且Al2O3含量較高，可縮短試驗(yàn)周期，能較好地模擬硅鋁合金等材料的切削加工。
　　試件尺寸：外圓f255mm，內(nèi)孔f155mm。
　　刀具
　　
　　圖1
　　
　　
　　圖2
　　本試驗(yàn)選用三種進(jìn)口PCD刀具(編號(hào)為A、B、C)、二種國(guó)產(chǎn)PCD刀具(編號(hào)為D、E)和一種硬質(zhì)合金刀具(編號(hào)為F)與CVD金剛石厚膜 刀具進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)用刀具均由本中心超硬材料刀具室制作。刀具幾何角度均為：g＝0°，a=6°，Kr=75°，Kr'=15°，刀尖圓弧半徑 r=0.3～0.35mm。
　　切削參數(shù)
　　工件轉(zhuǎn)速：n＝240r/min
　　橫向走刀速度：f=0.205mm/r
　　切削深度：t＝0.1mm
　　切削方式：干式端面切削
　　4.切削試驗(yàn)結(jié)果及分析
　　CVD金剛石刀具與進(jìn)口PCD刀具的耐磨性對(duì)比
　　圖1所示為CVD金剛石刀具與三種進(jìn)口PCD刀具的磨損曲線對(duì)比。由圖可知，CVD金剛石刀具磨損最小，在切削過(guò)程的前5分鐘內(nèi)幾乎測(cè)不到磨 損現(xiàn)象。如以后刀面磨損帶寬度VB=0.15mm為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則CVD金剛石刀具的工作壽命為某國(guó)外著名品牌PCD刀具的一倍多，是極理想的高耐磨性刀 具。雖然CVD金剛石刀具耐磨性較高，但從圖中可看出其磨損曲線的波動(dòng)性較進(jìn)口PCD刀具大，表明其后刀面磨損不穩(wěn)定。用顯微鏡觀察，可發(fā)現(xiàn)CVD金剛石 刀具出現(xiàn)了較多崩刃現(xiàn)象，這是由CVD金剛石刀具的材料特性所決定的，由于CVD金剛石中不含金屬結(jié)合相，因而脆性較大，因此，CVD金剛石刀具更適合用 于連續(xù)切削。為彌補(bǔ)CVD金剛石刀具斷裂韌性的不足，采用的切削速度通常應(yīng)高于PCD刀具。
　　CVD金剛石刀具與國(guó)產(chǎn)PCD刀具的耐磨性對(duì)比
　　圖2所示為CVD金剛石刀具與二種國(guó)產(chǎn)PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具的磨損曲線對(duì)比。由圖可見(jiàn)，CVD金剛石刀具的耐磨性顯著優(yōu)于國(guó)產(chǎn)PCD刀具 及硬質(zhì)合金刀具。此外，PCD刀具的初期快速磨損較明顯，而CVD金剛石刀具則無(wú)此傾向，這是由于PCD材料由金剛石與結(jié)合相組成，結(jié)合相的存在使刀具難 以刃磨出非常鋒利的刃口；而CVD金剛石屬連續(xù)性材料，易于刃磨出鋒利的刀具切削刃。
　　刀具材料的耐磨性對(duì)比
　　由試驗(yàn)結(jié)果可知，CVD金剛石厚膜刀具較各種PCD刀具具有更高的耐磨性。為了定量分析各種刀具的相對(duì)耐磨性，以刀具后刀面磨損帶寬度 VB=0.182mm為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算結(jié)果列于下表。從表中可看出，CVD金剛石在耐磨性上具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　
　　
　　5、 結(jié)論
　　CVD金剛石厚膜刀具的耐磨性明顯優(yōu)于PCD刀具。在本試驗(yàn)條件下，CVD金剛石厚膜刀具的耐磨性為某國(guó)外著名品牌PCD刀具的1.18倍，為國(guó)產(chǎn)PCD刀具的4倍，為WC刀具的236倍。
　　CVD金剛石厚膜刀具切削刃口鋒利，幾乎不存在初期快速磨損，可用于超精密切削。但CVD金剛石厚膜刀具在切削過(guò)程中崩刃較多，磨損曲線波動(dòng)較大，因此比較適合用于連續(xù)切削。