金剛石薄膜涂層刀具失效預(yù)報(bào)

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金剛石薄膜涂層刀具是一種近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的一種高新技術(shù)產(chǎn)品缕探。由于金剛石具有硬度高、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性好等特性沈论，因而使用金剛石薄膜涂層刀具切削，有加工精度高救辖、切削壽命長(zhǎng)簿煌、切削力小、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)鉴吹。其切削壽命與目前使用的聚晶金剛石(PCD)刀具相當(dāng)姨伟，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豆励、陶瓷授滓、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)重磨損肆糕、刀尖圓弧半徑增大而失效般堆，而金剛石薄膜涂層刀具則通常以金剛石薄膜涂層的開(kāi)裂、剝落以及被磨穿而失效诚啃。正是由于這一點(diǎn)淮摔，其失效的預(yù)報(bào)較為容易實(shí)現(xiàn)，這對(duì)切削過(guò)程中降低廢始赎、次品和實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)的自動(dòng)化具有重要的意義和橙。

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造垛，刀尖圓弧半徑為0.3～0.8mm魔招。

在化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜過(guò)程中，硬質(zhì)合金中的鈷粘結(jié)相會(huì)促使石墨生長(zhǎng)杰泡，因此必須對(duì)硬質(zhì)合金襯底表面進(jìn)行預(yù)處理蓄稠，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)行酸蝕去鈷朋丢，再用金剛石微粉研磨和用丙酮進(jìn)行超聲清洗译拿，然后進(jìn)行還原降碳和用離子束輔助沉積鉬過(guò)渡層和類(lèi)金剛石膜。

還原降碳是將襯底表面的WC轉(zhuǎn)變?yōu)閃或W₂C请癣，在隨后合成金剛石膜過(guò)程中薛对，氣相中的碳再將 W或W2C轉(zhuǎn)變成WC母边，以提高膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度；鉬過(guò)渡層可以阻擋鈷的擴(kuò)散深冶，這是因?yàn)橐r底表面的鈷被酸浸蝕去除后蒲姥，在化學(xué)汽相沉積金剛石過(guò)程中，由于襯底溫度高達(dá)700～900 ℃欧陋，鈷會(huì)重新擴(kuò)散到表面守譬，甚至將已合成的金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭?/dd>

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凛忿，合成的金剛石晶粒細(xì)小澈灼，均勻致密光滑，刀具無(wú)須再拋光店溢。

同時(shí)用PCD和硬質(zhì)合金刀具車(chē)削汽車(chē)活塞外圓(f105mm ×110mm)進(jìn)行對(duì)比切削試驗(yàn)叁熔，汽車(chē)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床牧；進(jìn)給量0.1mm/r荣回；切削深度0.2mm，干式切削戈咳。用示波器監(jiān)測(cè)切削力的動(dòng)態(tài)變化心软，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著蛙。對(duì)比結(jié)果删铃，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踏堡，切削總長(zhǎng)度達(dá)到15～80km猎唁。雖然其使用壽命沒(méi)有PCD刀具長(zhǎng)，但加工表面質(zhì)量比用PCD刀具切削的要好今伏。

圖1 膜剝落開(kāi)裂電鏡圖

失效形式和預(yù)報(bào)

試驗(yàn)表明拄渣，金剛石薄膜涂層刀具主要失效形式是膜開(kāi)裂剝落(圖1)，其次是膜被磨穿癌越。這是因?yàn)椋?

在化學(xué)氣相沉積金剛石膜過(guò)程中浦砚，基體與膜的熱膨脹系數(shù)不同、基體與膜的晶格不匹配洲芥，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生亚滑，涂層刀具在切削時(shí)，這種內(nèi)應(yīng)力的不恰當(dāng)釋放荷十。
基體與膜界面間存在非金剛石相汹振，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) 度被極大地降低从秃。
膜層厚度的增加沼津，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 泽衬，多數(shù)小于10μm科绣。金剛石膜過(guò)薄時(shí)，會(huì)發(fā)生膜被磨穿树碱。

所以肯适，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?chē)?guó)內(nèi)外研究工作者采取過(guò)許多技術(shù)措施成榜，取得了一定成效框舔，但仍未從根本上解決了這一難題，目前赎婚，金剛石薄膜的剝落仍是其失效的主要形式刘绣。

由于活塞外圓是中凸變橢圓形曲面，切削試驗(yàn)中挣输，當(dāng)用金剛石薄膜涂層刀具加工活塞外圓時(shí)纬凤，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)律性波形撩嚼，且當(dāng)金剛石薄膜涂層刀具失效時(shí)停士，切削力明顯增加，如圖2所示完丽。

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)恋技，膜開(kāi)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與工件材料漱屁，摩擦系數(shù)明顯增大夜川，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)形成積屑瘤役寡。測(cè)量失效前后加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量麻百，可以發(fā)現(xiàn)，失效前超棚，加工出的尺寸精度和表面質(zhì)量全部符合要求拴猖，失效后，加工出的尺寸精度和表面質(zhì)量均會(huì)下降应惠，且很快不能達(dá)到加工要求伐蔚。

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天尤，其切削力的變化主要來(lái)自刀具后刀面磨損的影響谁意，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%料潘，依據(jù)這一點(diǎn)預(yù)報(bào)刀具失效顯然是困難的抽碌。而金剛石薄膜涂層刀具失效時(shí)，如前所述决瞳，將發(fā)生切削摩擦副的變化货徙，且有積屑瘤產(chǎn)生，切削力將突然增大1～3倍皮胡，這為預(yù)報(bào)刀具失效創(chuàng)造了有利的條件痴颊。即可以通過(guò)切削過(guò)程中監(jiān)測(cè)積屑瘤的產(chǎn)生和切削力的變化來(lái)判斷金剛石薄膜涂層刀具的失效。

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刀具涂層加工切削加工示波器活塞

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