金剛石薄膜涂層刀具是一種近年來才發(fā)展起來的一種高新技術(shù)產(chǎn)品。由于金剛石具有硬度高 、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性好等特性，因而使用金剛石薄膜涂層刀具切削，有加工精度高、切削 壽命長(zhǎng)、切削力小、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。其切削壽命與目前使用的聚晶金剛石(PCD)刀具相 當(dāng)，是硬質(zhì)合金刀具壽命的10～140倍。它特別適用于切削加工有色金屬、陶瓷 、纖維層壓復(fù)合材料等。PCD和硬質(zhì)合金刀具常因后刀面嚴(yán)重磨損、刀尖圓弧半徑增大而失 效，而金剛石薄膜涂層刀具則通常以金剛石薄膜涂層的開裂、剝落以及被磨穿而失效。正是 由于這一點(diǎn)，其失效的預(yù)報(bào)較為容易實(shí)現(xiàn)，這對(duì)切削過程中降低廢、次品和實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)的 自動(dòng)化具有重要的意義。
　　
　　對(duì)比切削試驗(yàn)
　　
　　金剛石薄膜涂層刀具的襯底是YG6硬質(zhì)合金，型號(hào)為C116，刀尖圓弧半徑為0.3～0.8mm。
　　
　　在化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜過程中，硬質(zhì)合金中的鈷粘結(jié)相會(huì)促使石墨生長(zhǎng)，因此必須 對(duì)硬質(zhì)合金襯底表面進(jìn)行預(yù)處理，以去除或降低襯底表面層中的鈷含量。一般的預(yù)處理工藝 為：首先對(duì)襯底表面進(jìn)行酸蝕去鈷，再用金剛石微粉研磨和用丙酮進(jìn)行超聲清洗，然后進(jìn)行 還原降碳和用離子束輔助沉積鉬過渡層和類金剛石膜。
　　
　　還原降碳是將襯底表面的WC轉(zhuǎn)變?yōu)閃或W2C，在隨后合成金剛石膜過程中，氣相中的碳再將 W或W2C轉(zhuǎn)變成WC，以提高膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度；鉬過渡層可以阻擋鈷的擴(kuò)散，這是因?yàn)橐r 底表面的鈷被酸浸蝕去除后，在化學(xué)汽相沉積金剛石過程中，由于襯底溫度高達(dá)700～900 ℃，鈷會(huì)重新擴(kuò)散到表面，甚至將已合成的金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭?br /> 　　
　　預(yù)處理后的襯底用熱絲CVD法沉積金剛石薄膜，膜層厚度5～6μm，合成的金剛石晶粒細(xì)小， 均勻致密光滑，刀具無須再拋光。
　　
　　同時(shí)用PCD和硬質(zhì)合金刀具車削汽車活塞外圓(f105mm×110mm)進(jìn)行對(duì)比切削試驗(yàn)，汽車活 塞的材料為含硅11%～18%的鋁合金。切削工藝參數(shù)為：切削速度300～700m/min； 進(jìn)給量0.1mm/r；切削深度0.2mm，干式切削。用示波器監(jiān)測(cè)切削力的動(dòng)態(tài)變化，并隨時(shí)觀 察切屑情況，切削后檢查工件尺寸精度和表面質(zhì)量以及刀具失效情況。對(duì)比結(jié)果，硬質(zhì)合金 刀具切削壽命最短，而金剛石薄膜涂層刀具能連續(xù)切削50～120min，切削總長(zhǎng)度達(dá)到15～80km。雖然其使用壽命沒有PCD刀具長(zhǎng)，但加工表面質(zhì)量比用PCD刀具切削的要好 。
　　
　　失效形式和預(yù)報(bào)
　　
　　試驗(yàn)表明，金剛石薄膜涂層刀具主要失效形式是膜開裂剝落(圖1)，其次是膜被磨穿。這是因?yàn)椋?br /> 　　
　　1) 在化學(xué)氣相沉積金剛石膜過程中，基體與膜的熱膨脹系數(shù)不同、基體與膜的晶格不匹配 ，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，涂層刀具在切削時(shí)，這種內(nèi)應(yīng)力的不恰當(dāng)釋放。
　　
　　2) 基體與膜界面間存在非金剛石相，特別是存在有石墨相時(shí)，膜與基體的附著性和結(jié)合強(qiáng) 度被極大地降低。
　　
　　3) 膜層厚度的增加，膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度隨之下降，因此金剛石膜厚度一般不大于20μm ，多數(shù)小于10μm。金剛石膜過薄時(shí)，會(huì)發(fā)生膜被磨穿。

圖1 膜剝落開裂電鏡圖

　　所以，金剛石膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度是制約金剛石薄膜涂層刀具發(fā)展的關(guān)鍵因素，盡管國(guó)內(nèi)外 研究工作者采取過許多技術(shù)措施，取得了一定成效，但仍未從根本上解決了這一難題，目前，金剛石薄膜的剝落仍是其失效的主要形式。
　　
　　由于活塞外圓是中凸變橢圓形曲面，切削試驗(yàn)中，當(dāng)用金剛石薄膜涂層刀具加工活塞外 圓時(shí)，切削力隨時(shí)間作周期性變化，示波器上可以看出切削力呈規(guī)律性波形，且當(dāng)金剛石薄 膜涂層刀具失效時(shí)，切削力明顯增加，如圖2所示。

圖2 失效前后切削力波形圖

　　金剛石薄膜涂層刀具失效時(shí)，膜開裂剝落或被磨穿，切削摩擦副變金剛石與工件材料為硬質(zhì) 合金YG6與工件材料，摩擦系數(shù)明顯增大，使切屑與前刀面間的摩擦加劇，在高壓作用下產(chǎn) 生粘結(jié)形成積屑瘤。測(cè)量失效前后加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)，失效前，加 工出的尺寸精度和表面質(zhì)量全部符合要求，失效后，加工出的尺寸精度和表面質(zhì)量均會(huì)下降 ，且很快不能達(dá)到加工要求。
　　
　　PCD和硬質(zhì)合金刀具切削加工時(shí)，不會(huì)發(fā)生切削摩擦副的變化，其切削力的變化主要來自刀 具后刀面磨損的影響，有試驗(yàn)表明，當(dāng)后刀面磨損達(dá)到0.8～1.0 mm時(shí)，切削力 增大約30%，依據(jù)這一點(diǎn)預(yù)報(bào)刀具失效顯然是困難的。而金剛石薄膜涂層刀具失效時(shí)，如前 所述，將發(fā)生切削摩擦副的變化，且有積屑瘤產(chǎn)生，切削力將突然增大1～3倍，這為預(yù)報(bào)刀 具失效創(chuàng)造了有利的條件。即可以通過切削過程中監(jiān)測(cè)積屑瘤的產(chǎn)生和切削力的變化來判斷 金剛石薄膜涂層刀具的失效。