加工復(fù)合材料的新利器——DLC涂層刀具

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由于復(fù)合材料(如纖維增強金屬、纖維增強塑料俏川、燒結(jié)材料蝠兽、石英玻璃及陶瓷等)，硬度高黄惭，有的脆性大翁脓，有的過于強韌，增強基體的纖維與硬物質(zhì)在切削過程中相當(dāng)于磨料反過來磨耗刀具祟俯，而且復(fù)合材料本身耐熱性高漫北，導(dǎo)熱性差，切削溫度傳導(dǎo)不出去五妹，一般刀具材料的紅硬性都有一定限度市贡，故在加工過程中刀具很快被磨損。以前能加工這些材料的只有金剛石類刀具辞皇，此類刀具價格昂貴钳舵；同時由于其組織是金剛石結(jié)晶體边锁，存在突出的棱角沈机，直接影響加工表面粗糙度匪傍，并使切屑排出不暢。

近期開發(fā)成功的DLC(類金剛石)涂層是加工復(fù)合材料的優(yōu)異刀具材料观挎。下面將金剛石與類金剛石的特性作一說明琴儿。

金剛石

金剛石分為：

天然金剛石(ND)——結(jié)晶各向異性，在進(jìn)行刃磨和使用時嘁捷，須選擇適當(dāng)?shù)姆较颉?
人造聚晶金剛石(PCD)——以石墨為原料造成，在高溫(約幾千℃)、高壓(約500MPa)下壓制燒結(jié)形成雄嚣。人造金剛石各向同性晒屎，硬度低于ND, 韌性高于ND 。
人造聚晶金剛石復(fù)合片(PCD/CC)——是以硬質(zhì)合金刀片為基底缓升，在其上燒結(jié)或壓制出一層0.5～1.0mm厚的PCD鼓鲁，構(gòu)成復(fù)合刀片，兼有硬質(zhì)合金與PCD的特性港谊。
金剛石薄膜涂層刀具(CD) , 用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)方法在刀具表面涂覆一層厚10～25μm的金剛石薄膜骇吭，是在低壓條件下沉積合成的金剛石薄膜。
金剛石厚膜涂層刀具(TFD)——CVD可以在基體上沉積出大于0. 2mm的厚膜歧寺，此厚膜可被切割出一定尺寸形狀咱取，焊在硬質(zhì)合金刀片上使用。

由表1可知阅秀，金剛石硬度最高可達(dá)HV10000 姆歹，自身耐熱性高肤狞，熱導(dǎo)率最高2100W/(m·K) ，故紅硬性特高虽浆，

表1 金剛石與其他硬物質(zhì)材料的特性比較
材料	密度 10³kg/m³	維氏硬度 HV	熱傳導(dǎo)率 W(m·K)^-1	熱膨脹系數(shù)^① 10^-6K^-1
金剛石	3.52	～10000	～2100	3.1
CBN	3.48	～4500	～1300	4.7
WC	15.6	～1800	～30	3.8
Al₂O₃	3.97	～2200	～10	7.9
Si₃N₄	3.19	～2200	～15	3.3
TiN	5.44	～2000	～15	9.3
(Al+Ti)N^②	－	～2900	—	—
注：① 室溫～1173K货瘫；② Al/(Al+Ti)=60mol%。

熱膨脹系數(shù)小包惹，約3.1×10^-6K^-1，耐沖擊性能也比較好落六。楊氏模量高達(dá)1144GPa 箫乳，耐塑性變形能力高。

金剛石刀具適合加工各類復(fù)合材料以及非鐵金屬如鋁民氏、銅及其合金浊丑，包括難加工的高硅鋁；尚可加工各類難加工復(fù)合系燒結(jié)材料久规、陶瓷湖笨、硬質(zhì)合金、玻璃蹦骑、木材等慈省。但不適宜加工鐵、鎳眠菇、鉆等鐵族材料边败，因為加工這些材料時切削溫度大于700 ℃，鐵有催化作用捎废，使金剛石轉(zhuǎn)化為石墨笑窜，導(dǎo)致金剛石刀具本身磨損加速。硬質(zhì)合金中雖含鈷結(jié)合相登疗，因催化作用較緩和排截，故也可算為復(fù)合材料的硬質(zhì)合金，可用金剛石刀具切削辐益，而其他刀具材料硬度不夠断傲，根本無法切削此種材料。

20世紀(jì)80年代實現(xiàn)了在低壓條件下用CVD法沉積金剛石薄膜后智政，進(jìn)一步擴(kuò)大了金剛石在切削工具上的應(yīng)用黍鸡，鉆頭除主、副刀刃外拾拄，螺旋排屑槽中也可涂覆金剛石涂層秀坤，立銑刀的外刃、底刃莺肘、排屑槽及齒槽均可沉積上金剛石涂層荒懒，大大提高了各部位的耐磨性茉蔗，提高了加工速度及加工效率。沉積CVD涂層的方法很多装芬，但各種方法成膜的質(zhì)量锚躺、膜與基體的結(jié)合強度有所不同。

CVD金剛石膜的成長過程包括：核生產(chǎn)援栗，成長骄雇，成膜。

CVD金剛石膜的原料氣為甲烷帘惜，隨其濃度增加結(jié)晶顆粒大小有變小的傾向瑰侥，非金剛石成分比會增大，而硬度則隨之下降稳析。

維氏硬度與所加負(fù)荷的曲線圖

類金剛石(DLC)涂層

在金剛石涂層實用化洗做、商品化過程中，人們又開發(fā)了DLC(Diamond Like Carbon)涂層彰居，即類金剛石涂層诚纸，又稱類金剛石碳。它是金剛石與石墨結(jié)構(gòu)的非晶質(zhì)碳膜陈惰，具有接近金剛石的高硬度畦徘，以不同的涂層方法制成后，其硬度約為HV1000～8000抬闯，摩擦系數(shù)低(0.005～0.200)旧烧，表面非常平滑粗糙度可達(dá)R_a0.01μm，而金剛石涂層沉積膜因是金剛石結(jié)晶體画髓，結(jié)晶晶粒取向不同掘剪，形成突起部分，致使表面粗糙度不佳(R_a=0.53micro;m)奈虾。

DLC成膜方式有CVD法夺谁，也有三菱神戶工具公司新開發(fā)的PVD(Physical Vapor Deposition)法，即物理氣相沉積法以息。CVD法用碳化氫氣體作原料氣使之活性化固荷，通過化學(xué)反應(yīng)沉積析出類金剛石膜，膜中含有氫兴题。而新開發(fā)的PVD法將固體碳棒作為電極应婴，采用陰極電弧濺射法，從固體電源飛出具有運動能量帶正電荷的碳原子噩檬，使之與基板相撞成膜林邪。在磁路設(shè)計上，由于加了一個偏轉(zhuǎn)磁場肾轨，使碳原子發(fā)生偏轉(zhuǎn)初禁，在此偏轉(zhuǎn)過程中可除去碳團(tuán)及不純物質(zhì)套芦。由于成膜過程不受基板溫度影響，故涂層膜中殘余應(yīng)力小棘魏。用此法形成的DLC涂層金剛石與石墨成分比例適當(dāng)短材，從而抑制了易發(fā)生的脆性損傷，同時具有高耐磨性和高結(jié)合強度烹豫。

一般方法制成的DLC涂層搭独，最高硬度HV3500，而三菱新法制成的DLC涂層最高硬度可達(dá)HV8000廊镜，涂層中氫牙肝、碳團(tuán)及不純物質(zhì)少，其品質(zhì)可與金剛石涂層相匹敵期升。DLC涂層在表面粗糙度惊奇、摩擦系數(shù)互躬、抗粘結(jié)熔結(jié)性能方面比金剛石涂層好播赁，價格也有優(yōu)勢，在復(fù)合材料加工方面是值得推薦的優(yōu)異刀具材料吼渡。

DLC涂層基體材料為K類硬質(zhì)合金容为，一般的DLC涂層壓痕邊緣膜層剝離，而新開發(fā)的PLC 涂層邊緣沒有出現(xiàn)剝離寺酪，可知其與基體結(jié)合強度非常高坎背。

DLC涂層刀具加工實例

球頭立銑刀DLC-2MB加工鋁合金。
好的DLC涂層適合對鋁合金的高質(zhì)量加工寄雀，新方法的DLC涂層抗粘結(jié)熔結(jié)性好得滤，?6mm球頭銑刀PLC-2MB的切深a_p為2.0mm , 轉(zhuǎn)速n=20000r/min時，側(cè)吃刀量由0.5mm 增至2.0mm時百睹，一般DLC涂層有切屑粘結(jié)產(chǎn)生菊虏，而新DLC涂層未出現(xiàn)粘結(jié)。
球頭銑刀DLC-2MB阳框，加工鋁合金零件桦材，連續(xù)6h ，表面質(zhì)量始終恒定良好旦氓。
?0.6mmDLC-2MB球頭銑刀加工炮惕。
加工聚碳酸酯零件實例：主要加工聚碳酸酯鏡頭零件上的槽。切削條件為：轉(zhuǎn)速n=12000r/min汛刻，進(jìn)給速度F=900mm/min 射贡，切深a_p=0.1mm 。一般DLC涂層立銑刀加工時會出現(xiàn)許多毛刺瘾色，而新DLC涂層立銑刀加工中未出現(xiàn)毛刺贩俺，加工質(zhì)量好艘珊。
玻璃纖維增強塑料(GFRP)加工。
GFRP俗稱玻璃鋼洋魂，又強又韌绷旗。近來廣泛采用的(Al,Ti)N 涂層硬度一般只有HV2900 ，三菱近期開發(fā)含(Al,Ti,Si)N的涂層可達(dá)到HV37000「笨常現(xiàn)加工GFRP制造的零件中6mm寬衔肢，0.5mm深槽，使用的刀具是DLC-2MA?6mm與(Ti, Al)N涂層?6mm立銑刀豁翎，其切削條件為n=8000r/min(151m/min)角骤，進(jìn)給速度F=2000mm/min。用新DLC涂層刀具可加工12個零件心剥，用(Ti, Al)N涂層的只能加工3個邦尊。

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