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微型刀具更好涂層的尋找

來源：東莞市厚澤五金科技有限公司發(fā)布時(shí)間：2018.05.05

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

為了了解如何更有效地對(duì)微型刀具進(jìn)行涂層，一些大學(xué)正在開展相關(guān)研究。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、確定首選的涂層方法，以及研究不同工件材料對(duì)涂層刀具的反應(yīng)。

一、應(yīng)用日益增多的金剛石涂層

對(duì)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，以增強(qiáng)金剛石的粘附性能，并用由氫氟酸、硝酸和去離子水組成的溶液對(duì)300μm的雙槽微型立銑刀進(jìn)行了蝕刻試驗(yàn)。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，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(duì)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，但會(huì)削弱金剛石涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，并通過限制晶核形成而抑制金剛石的生長(zhǎng)。Pfefferkorn表示，“從基體表面去除鉆的主要原因是它會(huì)妨礙金剛石生長(zhǎng)?！?/div>

去鈷處理時(shí)，需要有選擇地蝕刻掉最適當(dāng)?shù)暮捔?，而不?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%。Pfefferkorn說，“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(zhǎng)過程。我們通過控制蝕刻深度，使其對(duì)刀具完整性的影響降至最小?！?/div>

該論文指出，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。引種的晶粒起到了定位作用，金剛石在該處開始生長(zhǎng)(即形核)。納米金剛石粉結(jié)塊會(huì)導(dǎo)致引晶不均勻，并造成金剛石的生長(zhǎng)不均勻，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，以確保去除大的晶粒團(tuán)塊，從而實(shí)現(xiàn)均勻引晶。

然后，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)，在刀具上生長(zhǎng)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，細(xì)顆粒金剛石的粒度大于100nm，小于300nm)。該沉積系統(tǒng)包括一個(gè)沉積室，其中，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)。

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

Pfefferkorn認(rèn)為，事實(shí)上，微型刀具的幾何特征并不像所希望的那樣精確，“對(duì)于切削時(shí)所產(chǎn)生的切屑載荷而言，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，該團(tuán)隊(duì)之所以選擇這種沉積工藝，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，Pfefferkorn說，“在鋒利的切削刃上生長(zhǎng)出個(gè)球形物，就像狗骨頭樣。我并不是說熱絲CVD是唯一可以使用的方法，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)’?！?/div>

涂層不僅要?。冶仨毰c基體有良好的粘附性，同時(shí)還應(yīng)連續(xù)和光滑，盡管后一種特性很難量化。Carpick說：“對(duì)于光滑性，我們正在努力消除對(duì)建立合適模型的局限，因此，我們還不能確切知道涂層需要有多光滑。我們也認(rèn)為，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?！?/div>

由于納米晶粒金剛石涂層可以非常薄，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，微米晶粒涂層可以覆蓋這些表面缺陷。Pfefferkorn說，“微型刀具已經(jīng)相當(dāng)粗糙，我們不需要使它們更粗糙。”

二、鋁的立銑加工

據(jù)Carpick介紹，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，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，鋁很容易粘結(jié)到硬質(zhì)合金刀具上，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。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。在全部試驗(yàn)中，該高速主軸的轉(zhuǎn)速為4000r/min，給定進(jìn)給率為500mm/min。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，但有一套裝有兩個(gè)噴嘴的濕度控制系統(tǒng)吹出濕潤(rùn)空氣通過刀尖。Carpick說，“濕潤(rùn)的加工環(huán)境會(huì)顯著降低刀具的摩擦和磨損?！?/div>

“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?！?/div>

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。

在“金剛石涂層微型立銑刀性能分析”論文中對(duì)切削力和軸向推力數(shù)據(jù)的分析顯示，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)，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)，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，涂層刀具的切削力和軸向推力更均衡，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)。

因此，Pfefferkorn懷疑，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，因而很少產(chǎn)生連續(xù)切屑。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，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、基本上與它焊在一起后才被帶走。Pfefferkorn認(rèn)為，“必須有足夠大的力才能使切屑相互推擠”。

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，而米涂層刀具的加工表面光潔度不均勻，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(duì)微型刀具有很大影響，尤其是在高速加工中”

該研究論文指出，這些性能提升只有在金剛石涂層的耐用度足夠長(zhǎng)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，而這種情況通常發(fā)生在切削開始幾分鐘以后。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。因此．下步需要研究如何改善涂層的粘附性能。

三、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。普渡大學(xué)的研究認(rèn)為，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，這是因?yàn)槲⑿偷毒咝枰咚傩D(zhuǎn)，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)?。哂泻艽蟮谋砻娣e脈積比。

Jackson說，“涂層的作用并不是帶走熱量，因?yàn)樗a(chǎn)生的熱量非常小”。他指出．加工時(shí)，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 ℃。

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)，“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，切削熱并不是導(dǎo)致刀具磨損的原因。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，他指出，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，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(duì)較低的元素(如硫、鈣、鉀等)。Robinson解釋說，“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)，就可以說切削溫度約為50℃。但我們沒有看到任何熔化的跡象，因此我們斷定，微尺度切削不會(huì)產(chǎn)生大量切削熱?！?/div>

由于切削溫度較低，因此加工時(shí)不需要使用冷卻液，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，“如果金屬?zèng)]有快速氧化，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)，而不是金屬與氧化物的粘結(jié)”。

試驗(yàn)加工的金屬包括1020 低碳鋼、D-2工具鋼、銅、黃銅以及各種會(huì)迅速應(yīng)變硬化的軟材料．如妮、鉭、鎢等。

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，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。涂層種類包括TiN 、TiAlN、AlTiN、TiAlCrYN、CrN和TiAlCrZrN。Jackson說，“我們?cè)囼?yàn)了20～30種涂層?！睘榱吮苊忖g化切削刃．涂層厚度范圍控制在300nm～2μm，并將其與厚度范圍3～5μm的常規(guī)刀具涂層進(jìn)行了對(duì)比。

四、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(zhǎng)刀具壽命的觀點(diǎn)相反，Robinson認(rèn)為，為了有效形成切屑和正確進(jìn)行微加工，微型刀具必須從根本上重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是因?yàn)椋贸Ｒ?guī)設(shè)計(jì)的刀具進(jìn)行微觀尺度加工時(shí)，需要克服刃口半徑與切屑厚度的比例問題。他解釋說，對(duì)于某一特定的切削刃圓弧半徑，也有一個(gè)特定的未切削最小切屑厚度?！皳Q言之．對(duì)于某刃口半徑，必須有一個(gè)特定的材料切削深度，才能形成切屑?！?/div>

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，而對(duì)于未切削切屑厚度而言，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。當(dāng)?shù)毒咭贿呅D(zhuǎn)一邊前進(jìn)時(shí)，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，可能需要旋轉(zhuǎn)數(shù)百轉(zhuǎn)——也許無需那么多。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?！倍鴽]有這一信息，對(duì)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。

“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，或許我還需要繼續(xù)為此忙碌30年?！盝ackson如是說。

五、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，通常需要用涂層刀具加工?！辈贿^，對(duì)于其它材料則不能這么說。

Davis指出，“切削鋁或塑料時(shí)，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?！钡灿欣?，就是希望盡量減少換刀的生產(chǎn)車間。在這種情況下，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，但只限于硅含量低于10%的工件材料。他說，當(dāng)鋁合金中的硅含量高于10%時(shí)，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，當(dāng)硅含量高于10%時(shí)，鑒于工件材料的磨蝕性，應(yīng)該采用CVD金剛石涂層刀具。

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，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?！按送?，與該工藝有關(guān)的動(dòng)能使涂層具有很好的粘附力?！?/div>

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”，它是種常用的涂層元素——鈦。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，但當(dāng)?shù)毒叱叽缭絹碓叫r(shí)，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。Davis補(bǔ)充說，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。

Davis說，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，有可能會(huì)掛住切屑并使切屑擠壓在一起。

Lake表示，“涂層中的粗大顆粒對(duì)于微尺寸加工是完全無法接受的。采用陰極電弧工藝沉積涂層時(shí)，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)，不能通過拋光去除粗大顆粒，就像通常對(duì)較大尺寸刀具所做的那樣?！?/div>

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

Lake補(bǔ)充說．對(duì)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(duì)那些用于切削難加工材料的刀具?！叭绻_地對(duì)硬質(zhì)合金微型刀具涂層將會(huì)提高其性能，對(duì)于任何其它硬質(zhì)合金刀具也同樣如此?！?/div>

姑且不論對(duì)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(duì)此類刀具的涂層猶豫不決，還因?yàn)樵诓僮鬟^程中，這些纖細(xì)脆弱的刀則尺容易被損壞。據(jù)Lake介紹，在涂層工藝中，至少要對(duì)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，并移送至清洗架上；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，以便運(yùn)回制造商那里?！叭绻蛠硗繉拥牡毒咄旰脽o損，而你在涂層過程中將其損壞．你就需要賠償?！?/div>

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。Lake估計(jì)，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，而Davis表示，很難找到一個(gè)可以妥善處理脆弱的微型刀具并愿意對(duì)其涂層的公司，“刀具尺寸越小，涂層公司就越有可能將其損壞。

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