摘要：分析了CVD金剛石厚膜刀具材料的性能特點(diǎn)，對(duì)CVD金剛石厚膜車刀進(jìn)行了精密切削和難加工復(fù)合材料切削試驗(yàn)，結(jié)果表明：CVD金剛石厚膜刀具加工鋁合金的表面粗糙度可達(dá)Ra0.05µm；切削難加工復(fù)合材料時(shí)刀具耐磨性和使用壽命明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具、PCBN刀具和PCD刀具。
　　
　　1 引言
　　CVD金剛石厚膜材料為全晶質(zhì)純多晶金剛石，具有硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、摩擦系數(shù)小、各向同性等優(yōu)良的物理機(jī)械性能，它既彌補(bǔ)了天然金剛石稀缺昂貴、各向異性等不足，同時(shí)又克服了人工合成單晶金剛石顆粒細(xì)小、聚晶金剛石(PCD)化學(xué)熱穩(wěn)定性較差、CVD金剛石薄膜界面結(jié)合強(qiáng)度低等缺陷，是制造切削刀具的理想材料。在國(guó)外，CVD金剛石厚膜刀具已步入商業(yè)化應(yīng)用階段。在國(guó)內(nèi)，對(duì)此類刀具的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也不斷加快。可以預(yù)見，CVD金剛石厚膜刀具的應(yīng)用將對(duì)機(jī)械制造業(yè)(尤其是汽車制造業(yè))產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。
　　2 CVD金剛石厚膜刀具的性能特點(diǎn)
　　硬度
　　CVD金剛石厚膜為純多晶金剛石材料，碳原子以SP3 型共價(jià)鍵結(jié)合，其硬度接近天然金剛石，高于采用鈷結(jié)合劑的聚晶金剛石(PCD)。
　　耐磨性
　　CVD金剛石的晶粒度大小對(duì)耐磨性的影響不同于PCD。PCD刀具的晶粒尺寸越大，耐磨性越好，對(duì)粗加工較為有利；對(duì)于工件表面質(zhì)量要求較高的精加工則需選用細(xì)晶粒PCD，但刀具耐用度有所降低。CVD金剛石的耐磨性則不取決于其晶粒度大小，大晶粒與小晶粒材料具有相同的耐磨性(比PCD高2～10 倍)，這對(duì)于精加工十分有利。
　　摩擦系數(shù)
　　由于金剛石表面的懸掛鍵被氫飽和而具有化學(xué)惰性，因此CVD金剛石厚膜刀具拋光表面具有極低的摩擦系數(shù)(0.06～0.1)，可有效降低切削溫度。
　　熱導(dǎo)率
　　金剛石的熱導(dǎo)率高于所有其它材料。CVD金剛石的熱導(dǎo)率為8～20W/cmK，遠(yuǎn)高于銀的熱導(dǎo)率(4.29W/cmK)。CVD金剛石厚膜刀具的高熱導(dǎo)率有利于切削刃的熱量傳導(dǎo)，可避免因刀具發(fā)熱而發(fā)生粘刀現(xiàn)象，從而提高刀具使用壽命，減少工件的熱損傷和熱變形。
　　熱穩(wěn)定性
　　CVD金剛石的熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于在高溫高壓下合成的聚晶金剛石(PCD)。因燒結(jié)需要，PCD中加入了具有催化作用的金屬(如鈷)，一般在600℃時(shí)即開始氧化，700℃時(shí)發(fā)生石墨化反轉(zhuǎn)。而CVD金剛石在空氣中需700℃以上才開始氧化，在真空或惰性氣體中的熱穩(wěn)定性可達(dá)1200℃以上。CVD金剛石厚膜刀具極高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性可大大提高其切削性能，尤其適于在較高切削溫度下加工高耐磨的新型復(fù)合材料。
　　單晶金剛石、聚晶金剛石、CVD金剛石的不同性能特點(diǎn)決定了它們的應(yīng)用范圍有所不同。除斷裂韌性外，CVD金剛石的其它性能均優(yōu)于PCD，兩種刀具的應(yīng)用范圍基本相同，但PCD刀具更適合粗加工、半精加工以及切削沖擊較大的加工場(chǎng)合，而CVD金剛石厚膜刀具在精加工和連續(xù)切削時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。
　　3 CVD金剛石厚膜刀具切削試驗(yàn)
　　試驗(yàn)?zāi)康呐c條件
　　切削試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯緾VD金剛石厚膜刀具的精密、超精密加工性能以及加工難加工復(fù)合材料時(shí)的切削性能。
　　切削試驗(yàn)分別在某航天行業(yè)工廠和北京理工大學(xué)進(jìn)行。試驗(yàn)用機(jī)床為瑞士制造的Shaublin125型精密車床；試驗(yàn)用的4把CVD金剛石厚膜車刀片采用厚度為0.6mm 的CVD金剛石厚膜焊接在硬質(zhì)合金刀體上，刀片總厚度為1.6mm，在600 倍萬(wàn)能工具顯微鏡下檢測(cè)刀片，切削刃平整光滑、完整無(wú)缺。
　　試驗(yàn)結(jié)果與分析
　　用一把CVD金剛石厚膜車刀片加工硬鋁合金(LY12)。切削用量為：切削深度ap=5～6µm，進(jìn)給量f=0.01mm/r，切削速度v=120m/min。切削試驗(yàn)結(jié)果：被加工表面粗糙度Ra=0.05µm(機(jī)床性能及使用年限對(duì)加工表面質(zhì)量的進(jìn)一步提高有一定限制)，表明CVD金剛石厚膜車刀可用于精密切削加工，并具有取代天然單晶金剛石車刀用于超精密切削的可能性。
　　用其它三把CVD金剛石厚膜車刀片分別切削三種復(fù)合材料：酚醛塑料基玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、粒度分別為35µm 和28µm 的鋁基SiCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。刀片幾何角度為：g=0°，a=6°，kr=75°，kr'=15°；刀尖圓弧半徑r=0.3～0.35mm。采用J19型萬(wàn)能工具顯微鏡檢測(cè)刀具后刀面磨損帶寬度VB，并與其它種類車刀的切削磨損狀況進(jìn)行對(duì)比。檢測(cè)結(jié)果分別見圖1～圖3。

　由圖1可見，分別用CVD金剛石、PCBN、硬質(zhì)合金(YG8)三種刀具切削酚醛塑料基玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)材料時(shí)，若以刀具后刀面磨損寬度VB=0.15mm 作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，YG8車刀的使用壽命僅為30分鐘；PCBN車刀在使用50分鐘后磨鈍；而CVD金剛石厚膜車刀在切削50分鐘后的后刀面磨損寬度VB僅為0.06mm。

　　由圖2 可見，在車削典型的難加工材料——鋁基SiCp顆粒(粒度約35µm)增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，CVD金剛石厚膜車刀切削30分鐘后的后刀面磨損寬度VB僅為0.075mm 左右，其耐磨性和使用壽命均大大高于硬質(zhì)合金(YG8)刀具和PCBN刀具。

　　由圖3可見，分別用CVD金剛石、PCD、PCBN三種車刀切削粒度約25µm 的鋁基SiCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，PCBN刀具在切削5分鐘后磨鈍；PCD刀具車削36分鐘后其后刀面磨損寬度VB=0.12mm，已接近磨鈍；而此時(shí)CVD金剛石厚膜車刀的后刀面磨損寬度VB僅為0.08mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：CVD金剛石厚膜刀具的耐磨性最好，PCD刀具次之，PCBN刀具相對(duì)最差。上述切削試驗(yàn)結(jié)果與其他文獻(xiàn)給出的切削試驗(yàn)結(jié)果比較接近。
　　綜上所述，CVD金剛石厚膜刀具在半精密、精密切削加工中，具有比PCD、PCBN超硬刀具更好的耐磨性和更長(zhǎng)的使用壽命。此外，由于CVD金剛石具有低摩擦系數(shù)和高熱導(dǎo)率，允許采用較高切削速度而不致產(chǎn)生有害的熱量積累，因此CVD金剛石刀具也適用于高速切削加工。
　　4 結(jié)論
　　4.1 CVD金剛石厚膜刀具切削硬鋁合金(LY12)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)Ra0.05µm 的表面粗糙度，因此該刀具適用于精密切削加工并有可能替代天然金剛石刀具用于超精密切削加工。
　　4.2 CVD金剛石厚膜刀具切削酚醛塑料基玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鋁基SiCp增強(qiáng)復(fù)合材料等難加工材料時(shí)的耐磨性、使用壽命等切削性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具、PCBN刀具和PCD刀具。
　　4.3 CVD金剛石厚膜刀具具有優(yōu)異的切削性能，在超硬切削領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。