超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具高速銑削石墨的切削性能研究*

楊小璠 李友生 鄢國(guó)洪 李 超 許志龍

(①集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門 361000;②廈門金鷺特種合金有限公司，福建廈門 361000)

高性能石墨作為電極材料，具有強(qiáng)度高、電極消耗小、加工速度快和熱變形小等優(yōu)點(diǎn)，日益廣泛地被應(yīng)用于汽車、家電、通信和電子等行業(yè)的模具制造中。石墨為典型的非均質(zhì)硬脆難加工材料，機(jī)械強(qiáng)度差，加工時(shí)易崩碎，刀具的磨損和破損非常嚴(yán)重，以高速鋼和硬質(zhì)合金材料為主的傳統(tǒng)刀具已經(jīng)無法滿足其高速、高精密加工的要求［1－2］。而金剛石因具有極高的硬度、高導(dǎo)熱性、小摩擦系數(shù)和小熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，成為加工石墨的理想刀具材料。

根據(jù)金剛石生成方式，金剛石刀具可分為天然金剛石刀具、聚晶金剛石刀具(PCD)、厚膜金剛石涂層刀具和薄膜金剛石涂層刀具。天然金剛石成本太高，聚晶金剛石和厚膜金剛石難以做成稍稍復(fù)雜的形狀，只有薄膜金剛石涂層刀具可以做成各種形狀，同時(shí)化學(xué)氣相沉積(CVD)薄膜金剛石不含有其他金屬成分，其硬度和耐磨性最接近天然金剛石，適合工業(yè)化應(yīng)用［3］。常規(guī)的CVD薄膜金剛石涂層由于晶粒粗大，會(huì)降低刀具刃口的鋒利程度，切削石墨等硬脆材料時(shí)容易產(chǎn)生涂層剝落和崩刃的破損形式［4］;細(xì)化晶粒可以減小刀具涂層表面的粗糙度值，提高金剛石薄膜與基體之間的附著強(qiáng)度，是目前CVD薄膜金剛石涂層刀具的發(fā)展方向［5－6］。

本文分別選用常規(guī)的粗晶粒金剛石涂層和廈門金鷺公司研制的超細(xì)晶粒金剛石涂層雙刃平頭硬質(zhì)合金立銑刀，對(duì)GSK高純度石墨進(jìn)行了高速銑削試驗(yàn)，通過對(duì)銑削過程中刀具壽命、工件表面粗糙度以及刀具磨損的對(duì)比分析，探討了超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具高速銑削石墨的切削性能。

表1 試驗(yàn)刀具的規(guī)格、化學(xué)成分與涂層類型

表2 切削參數(shù)及冷卻方式

1 試驗(yàn)條件

切削試驗(yàn)在BSJC ZH5120B三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，選用超細(xì)晶粒和粗晶粒金剛石涂層2刃整體硬質(zhì)合金平頭立銑刀，對(duì)GSK高純度石墨進(jìn)行高速銑削加工。兩組試驗(yàn)刀具的幾何參數(shù)均為:螺旋角β=40°，圓周前角 γ0=2.8°，圓周后角 α0=12°，底刃前角γ′0=3°，底刃后角 α′0=12°。刀具的規(guī)格、化學(xué)成分與涂層厚度及類型如表1所示，切削參數(shù)及冷卻方式如表2所示。

切削后，用便攜式表面粗糙度儀(型號(hào):TR200)測(cè)量試件表面粗糙度，用Keyence顯微鏡(型號(hào):VHX－100)拍攝刀面磨損形貌并測(cè)量刀具后刀面磨損量。

圖1所示為不同放大倍數(shù)下，切削試驗(yàn)用超細(xì)晶粒和粗晶粒金剛石薄膜涂層銑刀表面形貌的SEM照片。由圖1可見，超細(xì)晶粒和粗晶粒金剛石薄膜涂層生長(zhǎng)良好，但粗晶粒金剛石涂層上多邊形金剛石顆粒棱角清晰可見，呈柱狀生長(zhǎng)，晶粒并非完全均勻，薄膜的表面凸凹不平;相比之下，超細(xì)晶粒金剛石涂層上晶粒呈球形生長(zhǎng)，表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，平均晶粒大小僅為粗晶粒涂層的1/10。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具壽命

在給定的切削參數(shù)下進(jìn)行石墨的高速銑削時(shí)，切屑呈微細(xì)顆粒狀，容易散落、堆積和粘附在前后刀面及己加工表面上，與被加工石墨材料一同對(duì)刀具產(chǎn)生劇烈的摩擦，因此切削加工石墨時(shí)刀具的磨損很嚴(yán)重，前刀面產(chǎn)生月牙洼磨損，后刀面形成磨損帶，直接影響了刀具的使用壽命［7］。

圖2所示為超細(xì)晶粒和粗晶粒金剛石涂層銑刀后刀面的磨損曲線圖。從圖中可以看出，隨著切削距離的增加，超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀后刀面的平均磨損量都小于粗晶粒涂層銑刀，且差值呈越來越大的趨勢(shì)。在切削距離達(dá)到600 m時(shí)，粗晶粒金剛石涂層銑刀的后刀面磨損量呈快速上升趨勢(shì)，而超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀的后刀面磨損量上升仍較緩慢。選取后刀面平均磨損量VB=0.1 mm作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，在達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，粗晶粒金剛石涂層銑刀的切削距離為700 m，而超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀的切削距離可達(dá)到1 000 m。可見，在相同的切削條件下，超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具的使用壽命是粗晶粒金剛石涂層刀具的1.4倍。其原因是超細(xì)晶粒金剛石銑刀的表面涂層晶粒細(xì)小致密，表面粗糙度值較小，不容易粘附石墨切屑，有效降低了刀具與工件之間的摩擦，提高了銑刀的耐磨性;同時(shí)，由于金剛石涂層材料的超微細(xì)晶粒化，增加了涂層本身的韌性和延展性，延長(zhǎng)了銑刀的使用壽命。

2.2 加工表面粗糙度

圖3所示為超細(xì)晶粒和粗晶粒金剛石涂層銑刀銑削石墨時(shí)工件表面粗糙度的變化曲線。可見，工件表面粗糙度值隨著切削距離的延長(zhǎng)而逐漸增大，這主要是因?yàn)榍邢骶嚯x越長(zhǎng)，刀具磨損越大，切削刃鈍化越嚴(yán)重，加工表面質(zhì)量也越差。

由圖3可以看出，在整個(gè)切削過程中，超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀的加工表面粗糙度值都小于粗晶粒金剛石涂層銑刀。其原因主要有兩點(diǎn):一是石墨為硬脆材料，加工過程以脆性斷裂為主，粗晶粒涂層上金剛石晶粒凸出，起到了微刃切削作用，切屑形態(tài)為不規(guī)則的塊狀顆粒，切削力波動(dòng)較大，從而造成已加工表面出現(xiàn)大小不均勻的凹坑，工件表面粗糙度值較大;二是粗晶粒涂層上金剛石晶粒尺寸較大，刀具表面凹凸不平，表面粗糙度值較大，增大了刀面與工件材料間的摩擦力，較大的涂層晶粒在切削中容易被切屑摩擦崩落，出現(xiàn)片狀連帶涂層脫落，從而加劇了刀具磨損，增大了工件的表面粗糙度值。而超細(xì)晶粒金剛石銑刀上涂層表面光滑、晶粒細(xì)密，刃口較鋒利，因而加工后的工件表面粗糙度值較小。分析圖中的曲線還可以看出，當(dāng)銑削距離超過600 m時(shí)，粗晶粒金剛石涂層銑刀的加工表面粗糙度值增大較快，而超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀仍然保持平穩(wěn)而緩慢的增大趨勢(shì)。結(jié)合圖2可知，此時(shí)粗晶粒金剛石涂層銑刀的后刀面磨損量即將達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具磨損速度加快，造成工件表面粗糙度值增大較快。

2.3 刀面磨損

石墨高速加工中，由于工件材料的高磨蝕性、脆性、切屑形成的斷續(xù)性以及高速銑削過程中交變切削應(yīng)力的作用，涂層刀具容易發(fā)生快速磨損和早期涂層脫落。圖4所示為超細(xì)晶粒和粗晶粒金剛石涂層銑刀銑削石墨時(shí)，不同切削距離下銑刀后刀面的磨損形貌圖。

比較圖4a和c可以看出，當(dāng)銑削距離為400 m時(shí)，粗晶粒金剛石涂層銑刀的刃口出現(xiàn)了磨損與部分涂層脫落，而超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀仍保持鋒利的切削刃，幾乎看不出磨損痕跡。比較圖4b和d可以看出，當(dāng)銑削距離為700 m時(shí)，粗晶粒金剛石涂層銑刀刃口磨損嚴(yán)重，涂層脫落后的硬質(zhì)合金基體表面也有明顯破損現(xiàn)象，刀刃凹凸不平，結(jié)合圖2可知，此時(shí)銑刀的后刀面磨損量為0.1 mm，已達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，需要更換刀具;相比之下，超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀則顯現(xiàn)出良好的耐磨性，繼續(xù)銑削到1 000 m時(shí)，可觀察到刀面上部分涂層材料被正常磨損掉，磨痕均勻，刀刃變鈍，出現(xiàn)灰白色的光亮帶，露出硬質(zhì)合金基體材料，此時(shí)后刀面磨損量才達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，切削過程中未見明顯的涂層脫落和破損。可見，超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀的耐磨性明顯好于粗晶粒金剛石涂層銑刀。

從磨損機(jī)理分析，由于石墨為脆性材料，高速銑削時(shí)材料產(chǎn)生脆性破碎釋放的能量和消耗的切削功率遠(yuǎn)低于金屬材料，切削區(qū)的切削溫度較低［8］。切削時(shí)石墨與金剛石之間化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定，基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，刀—屑接觸區(qū)也很難發(fā)生擴(kuò)散磨損。因此，刀具的磨損形式主要是磨粒磨損、粘結(jié)磨損以及早期涂層脫落。粗晶粒金剛石涂層刀具表面較粗糙，銑削過程中刀面容易粘附石墨，粘附的石墨切屑在頻繁脫落時(shí)對(duì)金剛石薄膜將產(chǎn)生直接的剝離作用，容易造成粘結(jié)磨損，甚至引起涂層脫落，加劇刀具磨損。而超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具表面光滑，晶粒結(jié)構(gòu)致密，刀刃鋒利，有利于改善加工表面粗糙度;同時(shí)薄膜涂層與基底粘結(jié)牢固，涂層上晶粒呈球形生長(zhǎng)，在切削過程中不容易產(chǎn)生顯微斷裂而脫落，涂層耐磨性更好，刀具壽命更長(zhǎng)。

3 結(jié)語

(1)高速銑削石墨時(shí)，刀具后刀面的磨損嚴(yán)重影響了刀具的使用壽命。超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具由于表面涂層晶粒細(xì)小致密，粗糙度值小，可以有效降低刀具與工件之間的摩擦，延長(zhǎng)刀具的使用壽命;在相同的切削條件下，超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具的使用壽命是粗晶粒金剛石涂層刀具的1.4倍。

(2)銑削加工過程中，工件表面粗糙度值隨著切削距離的延長(zhǎng)而逐漸增大。超細(xì)晶粒金剛石涂層銑刀的涂層表面光滑，刀刃鋒利，涂層與基底粘結(jié)牢固，加工后的工件表面粗糙度值更小，表面質(zhì)量更好。

(3)由于石墨為脆性材料，切削溫度較低，刀具的磨損形式主要是磨粒磨損、粘結(jié)磨損以及早期涂層脫落。超細(xì)晶粒金剛石涂層刀具具有良好的涂層性能和刀具耐磨性，更適合于石墨等硬脆材料的高速切削加工。

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