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　　关键字：刀具
　　 1 引言
　　随着汽车、航空、航天等工业的高速发展，对用于加工各种高性能材料的切削刀具的要求日益提高，PCD刀具、金刚石刀具等新型刀具先后应运而 生。PCD刀具的使用性能虽然较传统的硬质合金刀具有了显著提高，并已在机械加工中得到广泛应用，但在许多加工场合仍不能完全满足对加工效率及工件表面完 整性的要求。此外，由于PCD材料是由金刚石颗粒与结合相组成，其刃口特性不甚理想，也限制了PCD刀具的进一步发展。CVD金刚石自八十年代研制成功以 来，其在机械加工方面的应用研究已取得明显进展，并逐渐进入商品化应用阶段。但目前有关CVD金刚石刀具耐磨性的研究仍不够充分。本文对CVD金刚石厚膜 刀具与PCD刀具切削Al2O3微粉增强树脂材料时的耐磨性进行了对比试验与分析。
　　2 CVD金刚石的特点
　　CVD金刚石是采用化学气相沉积工艺生成的一种纯金刚石多晶材料，通常可分为厚度50µm以下的金刚石薄膜涂层和厚度100µm以上甚至达数 毫米的金刚石厚膜两大类。CVD金刚石具有优异的光学、热学、声学、电子学及力学特性。CVD金刚石薄膜涂层可用于钻头、铰刀、带断屑槽的机夹刀片等的表 面镀膜处理。CVD金刚石厚膜的耐磨层较厚，目前常用的制膜工艺是先将金刚石沉积在Si、Si3N4、WC等过渡材料上，然后通过磨削和酸蚀去除过渡材料 获得金刚石厚膜，最后将金刚石厚膜焊接在基体材料上，制成车刀、镗刀等简单刀具，其制造工艺与PCD刀具基本相同。
　　与PCD材料相比，CVD金刚石具有以下特点：
　　纯度高
　　PCD材料中所含的Co使其具有较强的抗碎裂和抗断裂性能，但Co的存在降低了PCD的硬度，且在高温条件下将加快金刚石向石墨转化和氧化。 CVD金刚石为纯金刚石，不含任何添加复合材料，因此具有比PCD更高的硬度、热导率、致密性、刃口锋利性、耐磨性、耐高温性、化学稳定性、非导电性以及 更低的摩擦系数。
　　金刚石颗粒的大小是决定PCD材料性能的重要因素，粗粒PCD刀具耐磨性较好，但切削刃较粗糙；细粒PCD刀具刃口锋利，易加工出良好的零件表面纹理，但耐磨性稍差。CVD金刚石因不含结合相，属连续性材料，其性能几乎不受内部金刚石晶粒大小的影响。
　　各向同性
　　CVD金刚石与PCD材料一样为多晶材料，其内部晶粒不具有方向性，因此在制作切削刀具时可任意取向，不受晶体特性影响，这是与天然单晶金刚石的不同之处。
　　可制作较大面积的膜层材料
　　CVD金刚石通常沉积在硬质合金或陶瓷基片上，由于采用低压沉积工艺，因而容易生成较大面积(f100mm以上)的金刚石膜，使CVD金刚石在尺寸及形状方面具有更大的应用灵活性。
　　3 切削试验条件
　　设备
　　试验用机床为J1-MA2AK460×860型车床。采用J19型万能工具显微镜测量刀具后刀面磨损带宽度。
　　试件
　　据国外资料介绍，目前50%以上的PCD刀具用于切削硅铝合金。硅铝合金(特别是Si含量>12%的高硅铝合金)组织中含有大量颗粒粗 大、硬度高的初晶Si，切削加工时，它们像砂轮磨粒一样高速作用于刀具上，可使刀具迅速磨损，用普通材料刀具很难加工。因此，PCD刀具、CVD金刚石刀 具目前主要用于该类材料及硬质点强化软基非金属材料(如碳纤维增强塑料、各种耐磨纤维板等)的切削加工。由于PCD刀具、CVD金刚石刀具工作寿命较长， 采用硅铝合金或增强塑料进行耐磨性试验耗时过多，为此我们试制了Al2O3微粉填充聚乙烯醇缩醛树脂材料作为专用试验材料。切削加工中，该材料中 Al2O3微粉的研磨、凿削和摩擦作用类似硅铝合金及增强塑料，且Al2O3含量较高，可缩短试验周期，能较好地模拟硅铝合金等材料的切削加工。
　　试件尺寸：外圆f255mm，内孔f155mm。
　　刀具
　　
　　图1
　　
　　
　　图2
　　本试验选用三种进口PCD刀具(编号为A、B、C)、二种国产PCD刀具(编号为D、E)和一种硬质合金刀具(编号为F)与CVD金刚石厚膜 刀具进行切削对比试验。试验用刀具均由本中心超硬材料刀具室制作。刀具几何角度均为：g＝0°，a=6°，Kr=75°，Kr'=15°，刀尖圆弧半径 r=0.3～0.35mm。
　　切削参数
　　工件转速：n＝240r/min
　　横向走刀速度：f=0.205mm/r
　　切削深度：t＝0.1mm
　　切削方式：干式端面切削
　　4.切削试验结果及分析
　　CVD金刚石刀具与进口PCD刀具的耐磨性对比
　　图1所示为CVD金刚石刀具与三种进口PCD刀具的磨损曲线对比。由图可知，CVD金刚石刀具磨损最小，在切削过程的前5分钟内几乎测不到磨 损现象。如以后刀面磨损带宽度VB=0.15mm为磨钝标准，则CVD金刚石刀具的工作寿命为某国外著名品牌PCD刀具的一倍多，是极理想的高耐磨性刀 具。虽然CVD金刚石刀具耐磨性较高，但从图中可看出其磨损曲线的波动性较进口PCD刀具大，表明其后刀面磨损不稳定。用显微镜观察，可发现CVD金刚石 刀具出现了较多崩刃现象，这是由CVD金刚石刀具的材料特性所决定的，由于CVD金刚石中不含金属结合相，因而脆性较大，因此，CVD金刚石刀具更适合用 于连续切削。为弥补CVD金刚石刀具断裂韧性的不足，采用的切削速度通常应高于PCD刀具。
　　CVD金刚石刀具与国产PCD刀具的耐磨性对比
　　图2所示为CVD金刚石刀具与二种国产PCD刀具和硬质合金刀具的磨损曲线对比。由图可见，CVD金刚石刀具的耐磨性显著优于国产PCD刀具 及硬质合金刀具。此外，PCD刀具的初期快速磨损较明显，而CVD金刚石刀具则无此倾向，这是由于PCD材料由金刚石与结合相组成，结合相的存在使刀具难 以刃磨出非常锋利的刃口；而CVD金刚石属连续性材料，易于刃磨出锋利的刀具切削刃。
　　刀具材料的耐磨性对比
　　由试验结果可知，CVD金刚石厚膜刀具较各种PCD刀具具有更高的耐磨性。为了定量分析各种刀具的相对耐磨性，以刀具后刀面磨损带宽度 VB=0.182mm为磨钝标准，对以上试验结果进行适当数据处理，计算结果列于下表。从表中可看出，CVD金刚石在耐磨性上具有明显优势。
　　
　　
　　5、 结论
　　CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性明显优于PCD刀具。在本试验条件下，CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性为某国外著名品牌PCD刀具的1.18倍，为国产PCD刀具的4倍，为WC刀具的236倍。
　　CVD金刚石厚膜刀具切削刃口锋利，几乎不存在初期快速磨损，可用于超精密切削。但CVD金刚石厚膜刀具在切削过程中崩刃较多，磨损曲线波动较大，因此比较适合用于连续切削。