金剛石涂層刀具在干式切削中的性能分析

劉凱

（渤海船舶職業學院遼寧葫蘆島 125005）

0 前言

切削液在金屬的切削加工過程中可以起到冷卻、潤滑、排屑等作用，因此目前大部分的切削加工基本都要使用切削液。隨著高速切削加工技術的迅猛發展，加工過程中切削液的用量越來越大，但隨之也伴隨著以下主要問題:廢棄切削液的排放造成了環境污染;切削液中含有油酸皂、燒堿、苯酚等有害物質，若產生的油煙被人吸入，會造成操作工人的多種呼吸道疾病。而且切削液的大量使用會增加切削加工成本，根據企業對加工成本的統計分析可知，在集中冷卻加工系統中，刀具成本只占加工成本的2% ～4%左右，切削液的成本則會占到總成本的14% ～16%［1］。近幾年，歐洲一些工業發達國家為了降低加工成本、保護環境，大力推廣和開發干式切削加工技術。據估算，若20%的切削加工使用干式切削技術，總的制造成本大約可以降低1.6%左右［1］，對于一個大型機械加工企業，節約的費用將是巨大的。

當今金屬切削加工倡導采用綠色制造技術，干式切削符合這一宗旨，因而這項技術的應用前景被普遍看好。但干式切削具有切削力大、切削溫度高等特點，要使干式切削加工工藝得到很好地推廣，充分發揮其優勢，克服其缺點，就必須要很好地解決干式切削加工中相關的技術難題。從20世紀90年代初開始，國外就對干式切削技術的應用進行了大量研究，尤其隨著刀具材料、制造技術及機械加工工藝的迅速發展，使干式切削技術的應用成為可能，干式切削加工已經成為未來機械加工的重要發展方向之一，擁有光明的前景。相對而言，我國對干式切削技術的研究還處于起步階段，應用也只限于鑄鐵的銑削加工。為了跟上國際形勢，順應干式切削技術的發展的總趨勢，我國應重視干式切削技術的研究和應用，不斷提高金屬切削加工的技術含量［2］。

1 干式切削技術特點

干式切削時，因沒有切削液的冷卻、潤滑等作用，會使切削區所產生的大量切削熱無法及時散出，切削力大和切削溫度大幅上升，增大摩擦力，加快刀具磨損，加工表面品質將會變差。近些年涂層刀具技術的快速發展，不但使刀具能承受更高溫度、更耐磨，而且可以降低刀具與工件以及刀具與切屑表面之間的摩擦，減少切削熱的產生，同時會阻斷切削區的熱量傳入刀具，這樣就會使刀具壽命大幅提高，同時也提高工件表面精度。

2 硅鋁合金及金剛石涂層刀具性能分析

近年來高硅鋁合金在軍工、汽車及航天等領域得到了廣泛的應用。高硅鋁合金中Si的質量分數超過12%，其組織中分散著過共晶析出的硬質硅顆粒，硬度高達1 000 HV，會加速刀具的磨損［4］。鋁合金的導熱系數為117～175 W/m·℃，比45鋼導熱系數50 W/m·℃大很多，這樣切削過程中切屑就可以帶走大量的切削熱，使刀具磨損相對較小，因此鋁合金切削加工可以不使用冷卻液，所以更適合干式切削［3-4］。

金剛石涂層刀具具有極高的硬度和耐磨性，主要用于有色金屬及高硬度、高耐磨材料以及高速精密加工，而且被加工材料的硬度越高，脆性越大其耐磨性也越好。它與有色金屬的摩擦系數約為硬質合金的一半，可以減小切削力，且不易產生積屑瘤，可以大大提高加工工件的表面精度。金剛石涂層刀具所具有的這些特性，可以保證其在干式切削加工中具有良好的性能［5］。金剛石涂層的工藝方法很多，本文實驗中所使用的是使用化學氣相沉積（CVD）法，即在硬質合金YG6基體上沉積一層50 μm以下的金剛石膜，使用這種金剛石涂層外圓車刀，加工共晶硅鋁合金，通過切削加工實驗來分析和研究金剛石薄膜涂層刀具干式切削加工性能。

2.1 干式切削硅鋁合金加工表面品質分析試驗

a）試驗設計

機床:C616A－1精密車床;刀具:基體為YG6的金剛石涂層車刀;試驗工件:含硅量12～14%的共晶鑄造鋁硅圓棒;切削條件:干式切削;刀具安裝角度:前角γ0=0°，后角 α0=12°，主偏角 kr=50°，副偏角 kr'=40°刀尖圓弧半徑 γε=1 mm，刃口鈍圓半徑 rn=0.05 mm［6］;切削參數為:切削速度 vc=150 ～450 m/min，進給量 f=0.05 ～0.2 mm/r，切削深度 ap=0.1 ～0.4 mm［6］。

選用金剛石薄膜涂層機夾刀具進行干式切削，試驗過程中機夾刀桿不動，保證上下刀片在切削過程中刀具的切削角度不變。將切削深度ap，切削速度vc及進給量f三個影響工件表面粗糙度的因素做正交試驗。應用每組切削參數切削一段時間后，通過SRM－1型表面粗糙度測量儀來測量工件的表面粗糙度，使用萬能工具顯微鏡來觀察涂層刀片刃口的形狀，再用體式顯微鏡觀察刀具前、后刀面的磨損情況和積屑瘤形態，當刀具的刃口涂層脫落時終止試驗。試驗結果如表1所示，結果極差分析如表2所示:

表1 干式切削硅鋁合金加工表面品質數據表

6 0.2 0.2 150 1.65 7 0.4 0.05 450 0.92 8 0.4 0.1 150 1.06 9 0.4 0.2 300 2.27

表2 試驗結果極差分析

b）試驗結果分析

1）根據切削試驗的切屑形成和刀具磨損形態的觀察，磨損過程的開始階段，切削刃上凸起的金剛石晶粒能夠起到微刃作用，可以進行切削加工，形成粉（粒）狀切削，這時工件表面的粗糙度值較大。當刀片進入正常磨損階段時，能形成短帶狀或C形切屑，在前刀面上會形成穩定的積屑瘤，這時工件表面的粗糙度值變化不明顯，可保證刀具在較長時間具有良好的干式切削性能。

2）在表2中，Ki為各因素第i個水平試驗指標的平均值，R為因素極差，它等于各影響因素中K的最大值與最小值之差，能夠反映各因素變化時試驗指標的變化幅度。若某因素R值大，則說明該因素是試驗指標影響的顯著因素。通過試驗數據可以看出，進給量對加工表面粗糙度影響最大，其次是背吃刀量，切削速度影響最小。因此，在較高的切削速度下，只要進給量選的合理，則工件的表面粗糙度變化不大。

2.2 金剛石涂層刀具與硬質合金YG6的對比試驗

a）試驗設計

機床:C616A－1精密車床;試驗工件:含硅24%的共晶鑄造鋁硅圓棒;刀具:基體為YG6金剛石薄膜涂層車刀及硬質合金車刀;切削條件:干式切削;刀具安裝角度與試驗1相同。

切削參數為:v=200 m/min，f=0.1 mm/r，ap=0.2 mm。

將未經熱處理的實驗工件固定在車床上，分別用未涂層的硬質合金刀片和金剛石薄膜涂層刀片進行切削加工。切削用量采用交叉方式，兩種刀片交替進行切削，必須保證試驗過程中的條件完全相同。每經過一段切削時間，取下刀片用萬能工業顯微鏡來觀察刀片刃口磨損情況，測量刀片后刀面的磨損量VB，并記錄于表3中。

表3 金剛石涂層刀具與硬質合金刀具干式切削對比試驗數據表

b）試驗結果分析:

1）金剛石涂層薄膜刀片壽命比基體YG6的壽命高很多，在相同的條件下，YG6 切削8 s，VB=0.13，而金剛石涂層刀具切削178 s，VB=0.14，壽命差距明顯。

2）在磨損階段，通過表3分析可以看到，金剛石薄膜涂層刀具磨損要比硬質合金YG6刀具慢，主要因為金剛石刀具的涂層可以起到一定的支撐作用，這樣就可以延緩刀具的磨損，使刀具的壽命更長。

3）通過圖1可以看到，在切削加工過程中，金剛石涂層破壞是以脫落為主，試驗過程中沒有見到涂層被磨穿現象，在涂層沒有脫落前，刀具沒有磨損，切削性能良好。

圖1 金剛石涂層刀具磨損后的后刀面照片

3 試驗結論

1）在干式切削硅鋁合金實驗中，金剛石薄膜涂層刀具的使用壽命大大高于硬質合金YG6刀具的壽命。刀具損壞的主要形式是薄膜涂層的破損脫落，在涂層沒有脫落前，刀具磨損量很小。刃口薄膜脫落后，后刀面涂層能夠起到一定的支撐作用，這時刀具還可以繼續工作，而且表面粗糙度值很小，刀具磨損緩慢，壽命得到很大提高。通過分析可以說明，通過提高涂層與基體的粘接強度，可以大大提高金剛石涂層刀具干式切削的壽命。

2）在干式切削鋁硅合金時，金剛石薄膜涂層刀具在開始階段切削試件表面粗糙度值不穩定，這主要是由于金剛石顆粒形成的刃口不平，進入刀具正常磨損階段后，工件表面粗糙度值將會很穩定，切削路程也很長，體現出很好的干式切削性能。

3）金剛石涂層刀具在干式切削加工過程中，對工件表面粗糙度影響最大的因素是切削進給量，在較高切削速度下，只要進給量選擇合理，就能夠使工件的表面粗糙度得到很好的控制。

［1］張書橋.干式切削加工技術及其應用［J］.工具技術，2002，（2）:29-31.

［2］鄧定瀛，陳世平.干式切削加工技術的現狀與未來［J］.機械設計與制造工程，2002，（4）:30-31.

［3］趙玉玲，豐平，張曉明，等.涂層硬質合金的最新研究進展［J］.材料開發與應用，2009，（2）:94-100.

［4］袁躍峰，常興.硅鋁合金切削加工性的研究［J］.機械管理開發，2005，（6）:10-11，13.

［5］趙志巖，鄧福銘，盧學軍，等.CVD金剛石涂層刀具研究與應用前景［J］.硬質合金，2009，（4）:246-250.

［6］陳根銀，宋志良.機械制造技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2007.37-44.