由于切削刀具的涂層有益于宏觀尺寸的加工凝顿，因此人們可能有理由推論锯七，刀具涂層也會有利于微小尺寸加工栽连。如果能合理應(yīng)用涂層，且涂層厚度足夠薄凡辱，不會鈍化微切削刃戒职，可能某些研究人員會同意這種觀點。然而透乾，這些研究人員尚未最后確定微型刀具涂層是否有利于加工洪燥，以及涂層的最佳方式。

　　為了了解如何更有效地對微型刀具進行涂層乳乌，一些大學(xué)正在開展相關(guān)研究捧韵。本文是大學(xué)的一些研究成果，包括在微型刀具上沉積金剛石和其它涂層赴碘、確定首選的涂層方法社衰，以及研究不同工件材料對涂層刀具的反應(yīng)。

　　應(yīng)用日益增多的金剛石涂層

　　對金剛石涂層的挑戰(zhàn)之一是涂層與刀具表面的粘附性能蓖桅。由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校稻漏、賓夕法尼亞大學(xué)和阿貢國家實驗室的研究人員組成的研究團隊在微型立銑刀上沉積了一層過渡層愈秕，以增強金剛石的粘附性能舍稽，并用由氫氟酸、硝酸和去離子水組成的溶液對300μm的雙槽微型立銑刀進行了蝕刻試驗言盼。據(jù)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機械工程系助理教授Flank E. Pfefferkorn介紹发液，該試驗的目的之一是在硬質(zhì)合金基體與金剛石涂層之間創(chuàng)建一種機械連結(jié)。

　　Pfefferkorn和賓州大學(xué)機械工程和應(yīng)用力學(xué)系副教授Robert W. Carpick(他在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校時曾致力于金剛石涂層的研究)及其研究生和合作伙伴在篇題為“金剛石涂層微型立銑刀：能對鋁件進行微尺寸于切削”的論文中指出鈷結(jié)合劑可以增強刀具的韌性筐成，但會削弱金剛石涂層與基體之間的結(jié)合強度焊辈，并通過限制晶核形成而抑制金剛石的生長。Pfefferkorn表示谣皇，“從基體表面去除鉆的主要原因是它會妨礙金剛石生長势送。”

　　去鈷處理時朴沿，需要有選擇地蝕刻掉最適當(dāng)?shù)暮捔坎卵瑁粫^分削弱本身已很纖細的微型刀具為了防止去除太多的鉆并影響刀具的完整性，刀具的含鈷量(重量比)必須不超過6%～8%赌渣。Pfefferkorn說魏铅，“我們將很薄的表層中的鈷全部蝕刻掉，以防止它影響金剛石的生長過程。我們通過控制蝕刻深度览芳，使其對刀具完整性的影響降至最小斜姥。”

　　該論文指出沧竟，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究團隊在完成蝕刻后進行了引晶操作：在丙酮中利用超聲波處理铸敏，用納米金剛石粉在基體上沉積金剛石微粒。引種的晶粒起到了定位作用屯仗，金剛石在該處開始生長(即形核)搞坝。納米金剛石粉結(jié)塊會導(dǎo)致引晶不均勻，并造成金剛石的生長不均勻魁袜，因此桩撮，研究人員采用在酒精溶液中進行超聲波清洗的方法，以確保去除大的晶粒團塊筛毡，從而實現(xiàn)均勻引晶仆腐。

　　然后，采用該研究團隊自行設(shè)計和制造的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)敢铲，在刀具上生長出了納米晶粒和細顆粒金剛石(Carpick確認鉴凸，納米晶粒金剛石的粒度為10～100μm，細顆粒金剛石的粒度大于100nm垮软，小于300nm)驴涡。該沉積系統(tǒng)包括一個沉積室，其中伊屈，溫度至少保持在1800℃的鎢絲周圍充滿保護氣體(特別是在氫氣中稀釋過的甲烷)觅符。

　　沉積得到的涂層厚度約為60～200μm。普通刀具的金剛石涂層厚度為2μm或更厚濒勤，而這對于微型刀具而言太厚了深吠，因為未涂層微型刀具的切削刃半徑常常不到1μm。Carpick說屎唠，“用于大尺度刀具的涂層厚度完全不適合用于微型刀具桑孩，它將使刀具鈍化，并因此大大降低其切削性能”框冀。

　　Pfefferkorn認為流椒，事實上，微型刀具的幾何特征并不像所希望的那樣精確明也，“對于切削時所產(chǎn)生的切屑載荷而言宣虾，微型立銑刀的切削刃半徑已經(jīng)比我們所期望的更大”。

　　除了與具有熱絲CVD沉積經(jīng)驗的研究人員合作以外诡右，該團隊之所以選擇這種沉積工藝安岂，是因為用其它CVD方法(如基于等離子體的沉積方法)沉積的涂層厚度變化較大轻猖，有較多材料被沉積在刀尖上，Pfefferkorn說域那，“在鋒利的切削刃上生長出個球形物咙边，就像狗骨頭樣。我并不是說熱絲CVD是唯一可以使用的方法次员，選擇該方法的個理由是因為它不會產(chǎn)生這種‘狗骨效應(yīng)’败许。”

　　涂層不僅要笔缥怠．而且必須與基體有良好的粘附性檐射，同時還應(yīng)連續(xù)和光滑，盡管后一種特性很難量化崔捌。Carpick說：“對于光滑性洪防，我們正在努力消除對建立合適模型的局限，因此榄陆，我們還不能確切知道涂層需要有多光滑沛摩。我們也認為，略有一點粗糙可能是有益的剧债，因為它或許有助于防止工件材料粘結(jié)到刀具上帽遏。”

　　由于納米晶粒金剛石涂層可以非常薄昏锨，因此可以適應(yīng)基體表面形貌祷鼎，包括刀具磨削加工產(chǎn)生的磨痕以及酸蝕處理造成的裂紋，微米晶粒涂層可以覆蓋這些表面缺陷度坞。Pfefferkorn說映僚，“微型刀具已經(jīng)相當(dāng)粗糙，我們不需要使它們更粗糙险毁≈迫Γ”

　　鋁的立銑加工

　　據(jù)Carpick介紹们童，該團隊的分院重點集中在用涂層微型立銑刀加工6061-T6鋁材料畔况，因為業(yè)界希望增加該材料在各種零件(包括發(fā)動機缸體)制造中的應(yīng)用。此外慧库，鋁很容易粘結(jié)到硬質(zhì)合金刀具上跷跪，但不容易粘結(jié)到金剛石刀具上因為金剛石的摩擦系數(shù)較小、粘結(jié)性較低齐板。為了進行切削試驗．研究人員在哈斯TM-1數(shù)控銑床上安裝了一個電驅(qū)動和帶陶瓷軸承的 高速電主軸吵瞻。在全部試驗中，該高速主軸的轉(zhuǎn)速為4000r/min甘磨，給定進給率為500mm/min橡羞。Performance Micro Tool公司為試驗提供了微型立銑刀眯停。試驗采用于切削，但有一套裝有兩個噴嘴的濕度控制系統(tǒng)吹出濕潤空氣通過刀尖卿泽。Carpick說莺债，“濕潤的加工環(huán)境會顯著降低刀具的摩擦和磨損“ぞ浚”

　　“干切削時讼石，施加于金剛石涂層刀具上的切削力要低于用未涂層硬質(zhì)合金刀具在切削液噴霧冷卻條件下進行切削時的切削力≡峡叮”

　　Pfefferkorn補允說．無論是否使用切削液噴霧冷卻回乞，鋁屑都會粘附在未涂層刀具上。

　　在“金剛石涂層微型立銑刀性能分析”論文中對切削力和軸向推力數(shù)據(jù)的分析顯示蜀契，分別采用未涂層立銑刀夹恨、0.5～1μm厚的細晶粒金剛石涂層立銑刀和200nm厚的納米金剛石涂層立銑刀干銑削6061-T6鋁時，所需的切削力大小有明顯改善：主切削力和軸向推力分別從未涂層刀具的2.14N(±0.85N)和4.40N(±0.44N)降至細晶粒金剛石涂層刀具的0.49N(±0.09N)和0.34N(±0.04N)敏卦，而納米金剛石涂層刀具則進步將切削力和軸向推力減小至0.18N(±0.07N)和0.17N(±0.02N)病唁。這些數(shù)據(jù)表明，涂層刀具的切削力和軸向推力更均衡抹寿，而未涂層刀具的軸向推力卻是切削力的兩倍券听。切削力的減小應(yīng)歸功于金剛石涂層更小的摩擦和粘結(jié)。

　　因此馆寇，Pfefferkorn懷疑骨唇，鋁容易與硬質(zhì)合金發(fā)生粘結(jié)是用未涂層刀具切削時軸向推力較大的原因。立銑是種斷續(xù)切削過程．由于切削刃只在180°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)切削工件等缀，因而很少產(chǎn)生連續(xù)切屑枷莉。而在干切削時，未涂層立銑刀偶爾也會產(chǎn)生連續(xù)切屑尺迂，這是因為一個新產(chǎn)生的切屑粘結(jié)在排屑槽表面．在下一個新產(chǎn)生的切屑被推向它笤妙、基本上與它焊在一起后才被帶走。Pfefferkorn認為噪裕，“必須有足夠大的力才能使切屑相互推擠”蹲盘。

　　微銑削試驗還發(fā)現(xiàn)．金剛石涂層立銑刀加工表面的刀痕更規(guī)則、更均勻膳音，而米涂層刀具的加工表面光潔度不均勻召衔，這表明在切削過程中產(chǎn)生了大量切削熱。Carpick說．“切削中產(chǎn)生的熱量對微型刀具有很大影響祭陷，尤其是在高速加工中”

　　該研究論文指出苍凛，這些性能提升只有在金剛石涂層的耐用度足夠長時才能獲得。約有80%的細晶粒金剛石涂層刀具和40%的納米金剛石涂層刀具出現(xiàn)了涂層剝落現(xiàn)象兵志，而這種情況通常發(fā)生在切削開始幾分鐘以后醇蝴。涂層剝落后原來的涂層刀具或者表現(xiàn)出與未涂層刀具類似的性能宣肚，或者突然發(fā)生完全失效。因此．下步需要研究如何改善涂層的粘附性能推吼。

　　減少切削熱

　　關(guān)于在微切削時所產(chǎn)生的切削熱姐硬，其他些大學(xué)的研究者得出了不同的結(jié)論。普渡大學(xué)的研究認為夺疹，微型切削刀具不會產(chǎn)生大量切削熱柄豹。普渡大學(xué)機械工程技術(shù)系副教授Mark Jackson表示，這是因為微型刀具需要高速旋轉(zhuǎn)应康，產(chǎn)生的任何熱量都立即被切屑一起帶走．這些切屑雖然很細谐鞴贰．但具有很大的表面積脈積比。

　　Jackson說坝贿，“涂層的作用并不是帶走熱量夭私，因為所產(chǎn)生的熱量非常小”。他指出．加工時爬搓，主軸速度范圍為250,000～750,000r/min (取決于工件材料和載荷情況)添镜，刀尖溫度為27～33 ℃。

　　曾與Jackson一起從事涂層研究的前普渡大學(xué)博士Grant Robinson同意這一觀點唠鹅，“在宏觀尺度下為減少和帶走熱量而設(shè)計的涂層在微觀尺度下完全沒有必要窿锉，因為在微觀尺度下，切削熱并不是導(dǎo)致刀具磨損的原因膝舅。主要原因是由機械力(而并非熱力)引起的機械磨損”嗡载。因此，他指出仍稀，用于微型刀具的涂層只需要用于改善刀具的耐磨性洼滚。

　　為了確定微加工時的溫升，普渡大學(xué)的研究人員進行了有限元計算．研究了被加工材料中些熔點相對較低的元素(如硫技潘、鈣遥巴、鉀等)。Robinson解釋說享幽，“如果在加工一種熔點為50℃的元素時铲掐，看到了熔化跡象(如小的熔化液滴)，就可以說切削溫度約為50℃琉闪。但我們沒有看到任何熔化的跡象迹炼，因此我們斷定砸彬，微尺度切削不會產(chǎn)生大量切削熱颠毙。”

　　由于切削溫度較低蓉凰，因此加工時不需要使用冷卻液芳窟，但普渡大學(xué)的研究人員將壓縮空氣引向切削區(qū)．以幫助排屑和使工件材料加速氧化万僚。Jackson解釋說，“如果金屬沒有快速氧化抬爷，摩擦系數(shù)就會增大(甚至包括涂層刀具也是如此)或祖，從而導(dǎo)致溫度升高．因為這樣會產(chǎn)生金屬與金屬的粘結(jié)，而不是金屬與氧化物的粘結(jié)”留嫩。

　　試驗加工的金屬包括1020 低碳鋼凰彼、D-2工具鋼、銅絮檀、黃銅以及各種會迅速應(yīng)變硬化的軟材料．如妮葛昏、鉭、鎢等卜陵。

　　研究人員主要試驗了可供商業(yè)性應(yīng)用的绝鸡、直徑250～750μm的硬質(zhì)合金立銑刀，這些刀具被送到一家主要的刀具涂層商那里進行PVD涂層开贼。涂層種類包括TiN 舰褪、TiAlN、AlTiN疏橄、TiAlCrYN占拍、CrN和TiAlCrZrN。Jackson說捎迫，“我們試驗了20～30種涂層刷喜。”為了避免鈍化切削刃．涂層厚度范圍控制在300nm～2μm立砸，并將其與厚度范圍3～5μm的常規(guī)刀具涂層進行了對比掖疮。

　　涂層以外的其他問題

　　與那些認為在微加工中．刀具涂層能夠提高生產(chǎn)率和延長刀具壽命的觀點相反，Robinson認為颗祝，為了有效形成切屑和正確進行微加工浊闪，微型刀具必須從根本上重新進行設(shè)計。這是因為螺戳，用常規(guī)設(shè)計的刀具進行微觀尺度加工時搁宾，需要克服刃口半徑與切屑厚度的比例問題。他解釋說倔幼，對于某一特定的切削刃圓弧半徑使谋，也有一個特定的未切削最小切屑厚度】懒祝“換言之．對于某刃口半徑度攘，必須有一個特定的材料切削深度，才能形成切屑竹坝≈龈耍”

　　他繼續(xù)解釋說事實上微型刀具旋轉(zhuǎn)得如此之快止歇，以至于每轉(zhuǎn)可能只前進1nm，而對于未切削切屑厚度而言杭嚷，要達到形成切屑所需的臨界水平翘辑，這一距離是遠遠不夠的。當(dāng)?shù)毒咭贿呅D(zhuǎn)一邊前進時嚣咕，只是在磨擦(而不是切削)工件材料溜信。在達到形成切屑的臨界值之前，可能需要旋轉(zhuǎn)數(shù)百轉(zhuǎn)——也許無需那么多绷咳。Robinson說．“我不認為有人已經(jīng)找出了刃口半徑與切屑厚度比的臨界值冲肖。”而沒有這一信息涯捻，對按常規(guī)方法設(shè)計的微型刀具進行涂層浅妆，將會進一步妨礙它正確切削。

　　“在微切削領(lǐng)域．還有大量有關(guān)切削機理的問題沒有獲得解答障癌，或許我還需要繼續(xù)為此忙碌30年凌外。”Jackson如是說涛浙。

　　合理選用微型刀具涂層

　　Harvey刀具公司技術(shù)副總裁Jeff Davis認為康辑，刀具涂層特別有益于難加工材料的微細加工，“那些難加工材料含有大量鎳和鈷轿亮，通常需要用涂層刀具加工疮薇。”不過我注，對于其它材料則不能這么說按咒。

　　Davis指出，“切削鋁或塑料時但骨，肯定沒有必要或不必強制使用涂層励七，用未涂層刀具切削鋁已成為慣例〖剑”但也有例外剿夫，就是希望盡量減少換刀的生產(chǎn)車間。在這種情況下烹驰，采用PVD沉積的ZrN或TiB2涂層比較合適姓拂。

　　涂層系統(tǒng)及服務(wù)供應(yīng)商CemeCon公司總裁Gary Lake也同意TiB2涂層適合用于切削鋁合金，但只限于硅含量低于10%的工件材料魄蔗。他說寒肋，當(dāng)鋁合金中的硅含量高于10%時，TiB2涂層就難以有效防止工件材料與刀具材料發(fā)生粘結(jié)和轉(zhuǎn)移。因此沃铣，當(dāng)硅含量高于10%時尘斧，鑒于工件材料的磨蝕性构胰，應(yīng)該采用CVD金剛石涂層刀具暴彻。

　　Davis說，大多數(shù)涂層公司將陰極電弧沉積技術(shù)應(yīng)用于各種涂層莱衍，因為該方法可將90%以上的靶材蒸發(fā)和沉積到刀具上冬魏，與其它方法相比．材料浪費很少≌Ш“此外赠摇，與該工藝有關(guān)的動能使涂層具有很好的粘附力∏瞅剑”

　　陰極電弧沉積工藝的缺點是會在沉積光滑涂層時產(chǎn)生粗大顆粒藕帜。Davis將這種粗大顆粒描述為“熔融液滴”，它是種常用的涂層元素——鈦惜傲。它幾乎像一點點飛濺的液滴洽故。這種液滴可能不會妨礙較大刀具的切屑控制，但當(dāng)?shù)毒叱叽缭絹碓叫r盗誊，其負面作用就變得越來越明顯时甚，此時，刀具涂層商需要調(diào)整工藝．使液滴尺寸最小化或避免出現(xiàn)液滴哈踱。Davis補充說荒适，還有一種選擇，就是涂層后在保持涂層完整性的前提下去除這種液滴开镣。

　　Davis說刀诬，如果這些粗大顆粒保持相同的基本尺寸，刀具的表面紋理就會變得不光滑常籍，有可能會掛住切屑并使切屑擠壓在一起萎丘。

　　Lake表示，“涂層中的粗大顆粒對于微尺寸加工是完全無法接受的茉油。采用陰極電弧工藝沉積涂層時另款，最終會出現(xiàn)金屬相的粗大顆粒粘在涂層表面，由于微型刀具很纖細桨农，不能通過拋光去除粗大顆粒询嘹，就像通常對較大尺寸刀具所做的那樣『葱蹋”

　　Lake建議呜谓，可以用CemeCon公司提供的離子濺射工藝來替代陰極電弧工藝。離子濺般更適合沉積微型刀具涂層，因為它可以沉積出沒有粗大顆粒的光滑薄涂層洼荡，涂層厚度可保持在大約1～2 μm之間椎吼。

　　Lake補充說．對硬質(zhì)合金微型立銑刀進行涂層主要是為了提高生產(chǎn)率．尤其是對那些用于切削難加工材料的刀具∠轮剩“如果正確地對硬質(zhì)合金微型刀具涂層將會提高其性能姓建，對于任何其它硬質(zhì)合金刀具也同樣如此＄蜕唬”

　　姑且不論對微型刀具進行涂層的技術(shù)難度速兔，許多商業(yè)性涂層公司之所以對此類刀具的涂層猶豫不決，還因為在操作過程中活玲，這些纖細脆弱的刀則尺容易被損壞涣狗。據(jù)Lake介紹，在涂層工藝中舒憾，至少要對刀具實施三個操作步驟镀钓，一是把刀具從包裝中逐個取出，并移送至清洗架上镀迂；二是將刀具轉(zhuǎn)移到涂層裝置的夾具上丁溅；三是把刀具放回包裝中，以便運回制造商那里招拙∵篑“如果送來涂層的刀具完好無損，而你在涂層過程中將其損壞．你就需要賠償别凤≠鞫。”

　　假如微型刀具制造商自己有涂層設(shè)備，這就不會成為問題．但大多數(shù)制造商都沒有這種設(shè)備．因此只能依靠可能會或多或少損壞一些刀具的外部資源乃描。Lake估計跨基，由于在涂層操作和涂層技術(shù)上存在難度．約有95%的微型刀具都沒有涂層。

　　Harvey刀具公司將其微型刀具的涂層外包給其他公司斯凑，而Davis表示肾俯，很難找到一個可以妥善處理脆弱的微型刀具并愿意對其涂層的公司，“刀具尺寸越小蛀颓，涂層公司就越有可能將其損壞乡纸。”

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