由于切削刀具的涂層有益于宏觀尺寸的加工遣臼，因此人們可能有理由推論锅星，刀具涂層也會(huì)有利于微小尺寸加工搞督。如果能合理應(yīng)用涂層照渴，且涂層厚度足夠薄，不會(huì)鈍化微切削刃的唆，可能某些研究人員會(huì)同意這種觀點(diǎn)肩降。然而，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求瞎，以及涂層的最佳方式屁样。

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

　　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。由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、賓夕法尼亞大學(xué)和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)在微型立銑刀上沉積了一層過渡層破加，以增強(qiáng)金剛石的粘附性能俱恶，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(jìn)行了蝕刻試驗(yàn)范舀。據(jù)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程系助理教授Flank E. Pfefferkorn介紹合是，該試驗(yàn)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(jī)械連結(jié)。

　　Pfefferkorn和賓州大學(xué)機(jī)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(shí)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(jìn)行微尺寸于切削”的論文中指出鈷結(jié)合劑可以增強(qiáng)刀具的韌性锭环，但會(huì)削弱金剛石涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度聪全，并通過限制晶核形成而抑制金剛石的生長。Pfefferkorn表示辅辩，“從基體表面去除鉆的主要原因是它會(huì)妨礙金剛石生長难礼。”

　　去鈷處理時(shí)娜振，需要有選擇地蝕刻掉最適當(dāng)?shù)暮捔可缪常粫?huì)過分削弱本身已很纖細(xì)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%眨涯。Pfefferkorn說扑认，“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凑溜。我們通過控制蝕刻深度犯舆，使其對刀具完整性的影響降至最小∪嵝”

　　該論文指出壮僵，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究團(tuán)隊(duì)在完成蝕刻后進(jìn)行了引晶操作：在丙酮中利用超聲波處理，用納米金剛石粉在基體上沉積金剛石微粒欺枚。引種的晶粒起到了定位作用清腌，金剛石在該處開始生長(即形核)。納米金剛石粉結(jié)塊會(huì)導(dǎo)致引晶不均勻竖习，并造成金剛石的生長不均勻帆摊，因此，研究人員采用在酒精溶液中進(jìn)行超聲波清洗的方法裸卫，以確保去除大的晶粒團(tuán)塊仿贬，從而實(shí)現(xiàn)均勻引晶。

　　然后墓贿，采用該研究團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)和制造的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)茧泪，在刀具上生長出了納米晶粒和細(xì)顆粒金剛石(Carpick確認(rèn)，納米晶粒金剛石的粒度為10～100μm聋袋，細(xì)顆粒金剛石的粒度大于100nm队伟，小于300nm)穴吹。該沉積系統(tǒng)包括一個(gè)沉積室，其中缰泡，溫度至少保持在1800℃的鎢絲周圍充滿保護(hù)氣體(特別是在氫氣中稀釋過的甲烷)刀荒。

　　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或更厚棘钞，而這對于微型刀具而言太厚了缠借，因?yàn)槲赐繉游⑿偷毒叩那邢魅邪霃匠３２坏?μm。Carpick說宜猜，“用于大尺度刀具的涂層厚度完全不適合用于微型刀具泼返，它將使刀具鈍化，并因此大大降低其切削性能”寇杆。

　　Pfefferkorn認(rèn)為沥卦，事實(shí)上，微型刀具的幾何特征并不像所希望的那樣精確构演，“對于切削時(shí)所產(chǎn)生的切屑載荷而言辩钢，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(yàn)的研究人員合作以外允由，該團(tuán)隊(duì)之所以選擇這種沉積工藝沛三，是因?yàn)橛闷渌麮VD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，有較多材料被沉積在刀尖上谒只，Pfefferkorn說墩衍，“在鋒利的切削刃上生長出個(gè)球形物，就像狗骨頭樣橡吗。我并不是說熱絲CVD是唯一可以使用的方法谢市，選擇該方法的個(gè)理由是因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生這種‘狗骨效應(yīng)’〗杭”

　　涂層不僅要蹦椤．而且必須與基體有良好的粘附性，同時(shí)還應(yīng)連續(xù)和光滑在跳，盡管后一種特性很難量化蝇闭。Carpick說：“對于光滑性，我們正在努力消除對建立合適模型的局限硬毕，因此，我們還不能確切知道涂層需要有多光滑礼仗。我們也認(rèn)為吐咳，略有一點(diǎn)粗糙可能是有益的，因?yàn)樗蛟S有助于防止工件材料粘結(jié)到刀具上元践【录梗”

　　由于納米晶粒金剛石涂層可以非常薄童谒，因此可以適應(yīng)基體表面形貌，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沪羔，微米晶粒涂層可以覆蓋這些表面缺陷饥伊。Pfefferkorn說，“微型刀具已經(jīng)相當(dāng)粗糙蔫饰，我們不需要使它們更粗糙陈谜。”

　　鋁的立銑加工

　　據(jù)Carpick介紹喇暴，該團(tuán)隊(duì)的分院重點(diǎn)集中在用涂層微型立銑刀加工6061-T6鋁材料牍系，因?yàn)闃I(yè)界希望增加該材料在各種零件(包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體)制造中的應(yīng)用。此外倍熄，鋁很容易粘結(jié)到硬質(zhì)合金刀具上户寺，但不容易粘結(jié)到金剛石刀具上因?yàn)榻饎偸哪Σ料禂?shù)較小、粘結(jié)性較低混检。為了進(jìn)行切削試驗(yàn)．研究人員在哈斯TM-1數(shù)控銑床上安裝了一個(gè)電驅(qū)動(dòng)和帶陶瓷軸承的 高速電主軸抢督。在全部試驗(yàn)中，該高速主軸的轉(zhuǎn)速為4000r/min写并，給定進(jìn)給率為500mm/min喧雹。Performance Micro Tool公司為試驗(yàn)提供了微型立銑刀。試驗(yàn)采用于切削徙蜓，但有一套裝有兩個(gè)噴嘴的濕度控制系統(tǒng)吹出濕潤空氣通過刀尖蚪缚。Carpick說，“濕潤的加工環(huán)境會(huì)顯著降低刀具的摩擦和磨損贫怀∶灼唬”

　　“干切削時(shí)，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(jìn)行切削時(shí)的切削力砰琢≌核唬”

　　Pfefferkorn補(bǔ)允說．無論是否使用切削液噴霧冷卻，鋁屑都會(huì)粘附在未涂層刀具上陪汽。

　　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)的分析顯示训唱，分別采用未涂層立銑刀、0.5～1μm厚的細(xì)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(shí)挚冤，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(xì)晶粒金剛石涂層刀具的0.49N(±0.09N)和0.34N(±0.04N)况增，而納米金剛石涂層刀具則進(jìn)步將切削力和軸向推力減小至0.18N(±0.07N)和0.17N(±0.02N)。這些數(shù)據(jù)表明训挡，涂層刀具的切削力和軸向推力更均衡澳骤，而未涂層刀具的軸向推力卻是切削力的兩倍。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)澜薄。

　　因此为肮，Pfefferkorn懷疑摊册，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(shí)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)切削工件果喊，因而很少產(chǎn)生連續(xù)切屑找骏。而在干切削時(shí)，未涂層立銑刀偶爾也會(huì)產(chǎn)生連續(xù)切屑实朗，這是因?yàn)橐粋€(gè)新產(chǎn)生的切屑粘結(jié)在排屑槽表面．在下一個(gè)新產(chǎn)生的切屑被推向它测捐、基本上與它焊在一起后才被帶走。Pfefferkorn認(rèn)為晒躺，“必須有足夠大的力才能使切屑相互推擠”倾桩。

　　微銑削試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)．金剛石涂層立銑刀加工表面的刀痕更規(guī)則、更均勻挑胯，而米涂層刀具的加工表面光潔度不均勻眼骗，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伪滤，尤其是在高速加工中”

　　該研究論文指出方秤，這些性能提升只有在金剛石涂層的耐用度足夠長時(shí)才能獲得。約有80%的細(xì)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)象薇硬，而這種情況通常發(fā)生在切削開始幾分鐘以后益锻。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，或者突然發(fā)生完全失效啊终。因此．下步需要研究如何改善涂層的粘附性能镜豹。

　　減少切削熱

　　關(guān)于在微切削時(shí)所產(chǎn)生的切削熱，其他些大學(xué)的研究者得出了不同的結(jié)論蓝牲。普渡大學(xué)的研究認(rèn)為趟脂，微型切削刀具不會(huì)產(chǎn)生大量切削熱。普渡大學(xué)機(jī)械工程技術(shù)系副教授Mark Jackson表示例衍，這是因?yàn)槲⑿偷毒咝枰咚傩D(zhuǎn)昔期，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(xì)小．但具有很大的表面積脈積比佛玄。

　　Jackson說硼一，“涂層的作用并不是帶走熱量，因?yàn)樗a(chǎn)生的熱量非常小”梦抢。他指出．加工時(shí)般贼，主軸速度范圍為250,000～750,000r/min (取決于工件材料和載荷情況)，刀尖溫度為27～33 ℃奥吩。

　　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(diǎn)哼蛆，“在宏觀尺度下為減少和帶走熱量而設(shè)計(jì)的涂層在微觀尺度下完全沒有必要，因?yàn)樵谖⒂^尺度下镇纳，切削熱并不是導(dǎo)致刀具磨損的原因枉俗。主要原因是由機(jī)械力(而并非熱力)引起的機(jī)械磨損”。因此仍枕，他指出营俘，用于微型刀具的涂層只需要用于改善刀具的耐磨性。

　　為了確定微加工時(shí)的溫升尚蔗，普渡大學(xué)的研究人員進(jìn)行了有限元計(jì)算．研究了被加工材料中些熔點(diǎn)相對較低的元素(如硫毛凶、鈣、鉀等)篡搓。Robinson解釋說帘圣，“如果在加工一種熔點(diǎn)為50℃的元素時(shí)，看到了熔化跡象(如小的熔化液滴)页镜，就可以說切削溫度約為50℃饼酱。但我們沒有看到任何熔化的跡象，因此我們斷定纸牌，微尺度切削不會(huì)產(chǎn)生大量切削熱瘾显。”

　　由于切削溫度較低涎才，因此加工時(shí)不需要使用冷卻液鞋既，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。Jackson解釋說耍铜，“如果金屬?zèng)]有快速氧化邑闺，摩擦系數(shù)就會(huì)增大(甚至包括涂層刀具也是如此)，從而導(dǎo)致溫度升高．因?yàn)檫@樣會(huì)產(chǎn)生金屬與金屬的粘結(jié)棕兼，而不是金屬與氧化物的粘結(jié)”陡舅。

　　試驗(yàn)加工的金屬包括1020 低碳鋼、D-2工具鋼程储、銅蹭沛、黃銅以及各種會(huì)迅速應(yīng)變硬化的軟材料．如妮、鉭章鲤、鎢等摊灭。

　　研究人員主要試驗(yàn)了可供商業(yè)性應(yīng)用的、直徑250～750μm的硬質(zhì)合金立銑刀败徊，這些刀具被送到一家主要的刀具涂層商那里進(jìn)行PVD涂層帚呼。涂層種類包括TiN 、TiAlN侣豌、AlTiN皮向、TiAlCrYN、CrN和TiAlCrZrN幼浩。Jackson說盘荸，“我們試驗(yàn)了20～30種涂層铸烈。”為了避免鈍化切削刃．涂層厚度范圍控制在300nm～2μm售检，并將其與厚度范圍3～5μm的常規(guī)刀具涂層進(jìn)行了對比砰吻。

　　涂層以外的其他問題

　　與那些認(rèn)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(diǎn)相反，Robinson認(rèn)為彤擒，為了有效形成切屑和正確進(jìn)行微加工且险，微型刀具必須從根本上重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是因?yàn)榫舛＃贸Ｒ?guī)設(shè)計(jì)的刀具進(jìn)行微觀尺度加工時(shí)敛旗，需要克服刃口半徑與切屑厚度的比例問題。他解釋說坦报，對于某一特定的切削刃圓弧半徑库说，也有一個(gè)特定的未切削最小切屑厚度×鞘“換言之．對于某刃口半徑璃弄，必須有一個(gè)特定的材料切削深度，才能形成切屑构回∠目椋”

　　他繼續(xù)解釋說事實(shí)上微型刀具旋轉(zhuǎn)得如此之快，以至于每轉(zhuǎn)可能只前進(jìn)1nm纤掸，而對于未切削切屑厚度而言脐供，要達(dá)到形成切屑所需的臨界水平，這一距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的借跪。當(dāng)?shù)毒咭贿呅D(zhuǎn)一邊前進(jìn)時(shí)政己，只是在磨擦(而不是切削)工件材料。在達(dá)到形成切屑的臨界值之前掏愁，可能需要旋轉(zhuǎn)數(shù)百轉(zhuǎn)——也許無需那么多歇由。Robinson說．“我不認(rèn)為有人已經(jīng)找出了刃口半徑與切屑厚度比的臨界值」郏”而沒有這一信息桌懊，對按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的微型刀具進(jìn)行涂層，將會(huì)進(jìn)一步妨礙它正確切削潘谴。

　　“在微切削領(lǐng)域．還有大量有關(guān)切削機(jī)理的問題沒有獲得解答英嬉，或許我還需要繼續(xù)為此忙碌30年《吖粒”Jackson如是說份肠。

　　合理選用微型刀具涂層

　　Harvey刀具公司技術(shù)副總裁Jeff Davis認(rèn)為，刀具涂層特別有益于難加工材料的微細(xì)加工，“那些難加工材料含有大量鎳和鈷僧少，通常需要用涂層刀具加工丐鸽。”不過供撵，對于其它材料則不能這么說乏傀。

　　Davis指出，“切削鋁或塑料時(shí)吝都，肯定沒有必要或不必強(qiáng)制使用涂層，用未涂層刀具切削鋁已成為慣例淋袖『枋校”但也有例外，就是希望盡量減少換刀的生產(chǎn)車間即碗。在這種情況下焰情，采用PVD沉積的ZrN或TiB2涂層比較合適。

　　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剥懒，但只限于硅含量低于10%的工件材料内舟。他說，當(dāng)鋁合金中的硅含量高于10%時(shí)初橘，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)移验游。因此，當(dāng)硅含量高于10%時(shí)保檐，鑒于工件材料的磨蝕性耕蝉，應(yīng)該采用CVD金剛石涂層刀具。

　　Davis說夜只，大多數(shù)涂層公司將陰極電弧沉積技術(shù)應(yīng)用于各種涂層垒在，因?yàn)樵摲椒蓪?0%以上的靶材蒸發(fā)和沉積到刀具上，與其它方法相比．材料浪費(fèi)很少扔亥∮薹罚“此外，與該工藝有關(guān)的動(dòng)能使涂層具有很好的粘附力摹跑∶状睿”

　　陰極電弧沉積工藝的缺點(diǎn)是會(huì)在沉積光滑涂層時(shí)產(chǎn)生粗大顆粒。Davis將這種粗大顆粒描述為“熔融液滴”任咨，它是種常用的涂層元素——鈦拌艳。它幾乎像一點(diǎn)點(diǎn)飛濺的液滴。這種液滴可能不會(huì)妨礙較大刀具的切屑控制簇友，但當(dāng)?shù)毒叱叽缭絹碓叫r(shí)橙樟，其負(fù)面作用就變得越來越明顯，此時(shí)，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)液滴沸稻。Davis補(bǔ)充說扁钥，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所饺。

　　Davis說捐煤，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(huì)變得不光滑蓄诽，有可能會(huì)掛住切屑并使切屑擠壓在一起薛训。

　　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仑氛。采用陰極電弧工藝沉積涂層時(shí)乙埃，最終會(huì)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(xì)锯岖，不能通過拋光去除粗大顆粒介袜，就像通常對較大尺寸刀具所做的那樣〕龃担”

　　Lake建議遇伞，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捶牢，因?yàn)樗梢猿练e出沒有粗大顆粒的光滑薄涂層鸠珠，涂層厚度可保持在大約1～2 μm之間。

　　Lake補(bǔ)充說．對硬質(zhì)合金微型立銑刀進(jìn)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秋麸√迹“如果正確地對硬質(zhì)合金微型刀具涂層將會(huì)提高其性能，對于任何其它硬質(zhì)合金刀具也同樣如此玲装〉保”

　　姑且不論對微型刀具進(jìn)行涂層的技術(shù)難度，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墅糯，還因?yàn)樵诓僮鬟^程中慷啊，這些纖細(xì)脆弱的刀則尺容易被損壞。據(jù)Lake介紹况逼，在涂層工藝中某扑，至少要對刀具實(shí)施三個(gè)操作步驟，一是把刀具從包裝中逐個(gè)取出了槽，并移送至清洗架上筐积；二是將刀具轉(zhuǎn)移到涂層裝置的夾具上；三是把刀具放回包裝中蛙疗，以便運(yùn)回制造商那里珊求〔闩剩“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．你就需要賠償赃阀■希”

　　假如微型刀具制造商自己有涂層設(shè)備，這就不會(huì)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(huì)或多或少損壞一些刀具的外部資源榛斯。Lake估計(jì)观游，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驮俗，而Davis表示懂缕，很難找到一個(gè)可以妥善處理脆弱的微型刀具并愿意對其涂層的公司，“刀具尺寸越小王凑，涂層公司就越有可能將其損壞提佣。”

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