摘要：通過用CVD金剛石薄膜涂層刀具切削加工SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的試驗，研究了切削參數(shù)、刀具材料、刀具幾何參數(shù)和工件材料對CVD金剛石薄膜涂層刀具磨損的影響規(guī)律，同時研究了SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工性能。
　　1 引言
　　SiCp/Al復(fù)合材料是一種剛性顆粒增強型金屬基復(fù)合材料，由于它具有比強度和比剛度高、線膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨耐熱性好、可重熔性好以及價格低廉等優(yōu)點，很適合制作耐磨、耐熱、強度高、重量輕的零部件(如發(fā)動機活塞、車輛剎車器等)，因此在航空、航天、汽車、摩托車、儀器儀表、兵器等工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。該材料中由于加入了高強度的硬脆SiC陶瓷顆粒，極大地提高了基體材料的力學(xué)性能，并且具有復(fù)合材料宏觀各向同性。但同時也給切削加工帶來了很大的困難，使得切削SiCp/Al復(fù)合材料時刀具的磨損率大，加工精度和表面質(zhì)量難以保證。
　　研究表明，采用高速鋼和硬質(zhì)合金刀具加工此類材料的效果都很差，聚晶金剛石刀具和金剛石厚膜刀具加工此類材料的效果雖然比較好，但刀具成本過高。而CVD金剛石薄膜涂層刀具制造工藝簡單，成本低廉，在高硅鋁合金等耐磨材料及有色金屬材料的加工中已得到廣泛應(yīng)用，本文將探討其對切削加工SiCp/Al復(fù)合材料的適應(yīng)性。
　　 2 CVD金剛石薄膜涂層刀具及其特性
　　CVD金剛石薄膜涂層刀具是通過化學(xué)氣相沉積(ChemicAlVapor Deposition，CVD)法在硬質(zhì)合金、陶瓷等刀具材料基體上沉積一層極薄(50µm 以下)的金剛石膜制成的刀具。金剛石薄膜材料具有單晶金剛石優(yōu)良的熱力學(xué)性能(如極高的硬度、高導(dǎo)熱性、低摩擦系數(shù)和低膨脹系數(shù)等)，因而CVD金剛石薄膜涂層刀具亦具有很高的耐磨性和良好的韌性，已成為加工有色金屬及其合金、非金屬硬脆材料、高硅鋁、高耐磨材料等難加工材料的首選刀具之一。
　　3 切削試驗
　　試驗刀具采用廣州有色金屬研究院研制的CVD金剛石薄膜刀具：基體為YG6；采用直流等離子射流CVD法涂層，反應(yīng)氣體為甲烷、氫氣、氬氣的混合氣體；涂層之前進行脫鈷、脫碳等基體表面處理。涂層工藝參數(shù)為：氣壓5～20kPa，Ar 流量為3l/min，H2流量為6l/min，CH4為120SCCM，溫度為800～8500℃，有偏壓，沉積時間為1.5h。
　　3.1 試驗條件
　　1) 工件材料及試驗刀具 試驗采用的工件材料為編號1#～4#的不同顆粒和體積百分比的SiCp/Al材料(見表1)；試驗用刀具為硬質(zhì)合金YG6和CVD金剛石薄膜刀具(分別標記為CVD-1、CVD-2、CVD-3)，各種刀具的幾何參數(shù)見表2。
　　2) 試驗設(shè)備、儀器及測量參數(shù) ·試驗機床：CM6140普通臥式車床； ·測量儀器：工具顯微鏡；測量參數(shù)：刀具后刀面(刀尖處)磨損值VC。
　　3.2 試驗結(jié)果與分析
　　1) 切削參數(shù)對刀具磨損的影響 試驗證明，用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時，不同的切削參數(shù)(vc，ap，f)與VC值關(guān)系密切。隨著進給量f的增加，后刀面磨損值VC值明顯變小。這是由于在其它切削參數(shù)不變的條件下，進給量f越大，切削厚度hD越厚，切屑對后刀面的研磨作用越弱。當其它切削參數(shù)不變時，隨著切削深度ap的增加，VC值雖然有所增大，但其變化不明顯。這是因為在其它切削參數(shù)不變時，切削深度ap越大，切削層的截面積越大，切屑對后刀面的研磨作用不嚴重。在其它切削參數(shù)不變時，隨著切削速度vc的增加，VC值明顯增大，刀具磨損嚴重。其原因在于切削速度vc越高，相同時間內(nèi)切削路程就越長，從而對后刀面的磨損越嚴重。 根據(jù)試驗結(jié)果可知，用CVD刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時，切削速度vc越高，切削深度ap越大，進給量f越小，刀具后刀面磨損值VC就越大。
　　2) 刀具材料對刀具磨損的影響
　　分別采用YG6和CVD-1刀具對3#材料進行切削加工，所得的刀具后刀面磨損值VC與加工時間t的關(guān)系曲線如圖1所示。
　　由圖可以看出，YG6的后刀面磨損VC值是金剛石薄膜涂層刀具CVD-1的VC值的1.5～2.0倍。這是由于SiCp/Al復(fù)合材料中硬質(zhì)相SiCp的硬度高于硬質(zhì)合金，因此使YG6刀具遭受嚴重的磨料磨損；而金剛石薄膜刀具CVD-1具有極高的硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)和高熱導(dǎo)率，故在加工SiCp/Al復(fù)合材料時，其磨損量大大小于YG6刀具的磨損量。
　　3) 刀具前角對刀具磨損的影響
　　分別采用正前角、負前角及零度前角的CVD-1～3刀具加工2#材料，得到的后刀面磨損VC值與加工時間t的關(guān)系曲線如圖2所示。
　　由圖可見，刀具前角對CVD刀具的磨損有重要影響。在試驗中發(fā)現(xiàn)，采用-8°～-9°前角的CVD刀具抗磨損能力明顯優(yōu)于0°前角和+8°～+9°前角的CVD刀具，其原因在于：在采用-8°～-9°前角時，雖然切削時產(chǎn)生較大的切削力且引起排屑不暢，但刀刃和刀尖耐沖擊性較好；而在0°前角和+8°～+9°前角的情況下，由于刀具刀尖楔角較小，切削刃更易崩碎，從而使后刀面磨損加劇。
　　4) 工件材料對刀具磨損的影響 采用CVD-1刀具分別對SiCp含量與粒度不同的1#～3#材料進行切削加工，所得刀具后刀面磨損VC值與加工時間t的關(guān)系曲線如圖3所示。
　　由圖可以看出，復(fù)合材料中SiCp的含量與粒度對刀具磨損的影響最大，這與其它一些文獻的結(jié)論是一致的。復(fù)合材料中SiCp含量越高(或粒度越粗)，不僅對普通刀具，同時對CVD金剛石薄膜涂層刀具后刀面的研磨和擦傷作用也越強。
　　4 結(jié)論
　　用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時，切削參數(shù)的選擇與刀具后刀面的磨損程度有密切關(guān)系。切削速度vc越高，切深ap越大，進給量f越小，則刀具后刀面的磨損值就越大。這一點與CVD刀具加工傳統(tǒng)材料時的規(guī)律一致。
　　用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時，工件材料中SiCp含量越高，顆粒粒度越粗，工件材料的切削性能就越差，對刀具的磨損就越大。
　　用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料，當采用適當大小的負前角(-8°～-11°)時，刀具的耐磨性好于采用零度前角和正前角的刀具。