陳守峰，王成勇，鄭李娟，周玉海，2，余新偉，李文紅

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510000)(2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510430)(3.深圳市石金科技股份有限公司，廣東 深圳 518101)

各向同性等靜壓石墨具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、強(qiáng)導(dǎo)電能力等優(yōu)異的機(jī)械物理性能，被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能直拉單晶石墨熱場(chǎng)、模具EDM電火花放電、3C消費(fèi)電子以及半導(dǎo)體等領(lǐng)域[1-2]。但是，等靜壓石墨材料的高硬度、低斷裂韌性和較高的磨蝕性等特性導(dǎo)致其機(jī)械加工過(guò)程中存在刀具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，進(jìn)而影響其加工質(zhì)量。因此，需要使用高性能、高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損的切削刀具。

早期，石墨加工所用的切削刀具主要為硬質(zhì)合金刀具和TiAlN涂層刀具。文獻(xiàn)[3]指出：在石墨電極高速銑削加工中，硬質(zhì)合金微銑刀的主要磨損形式是前刀面磨損、后刀面磨損和崩刃。文獻(xiàn)[4]指出：降低硬質(zhì)合金刀具的Co含量和晶粒尺寸能夠延長(zhǎng)刀具壽命。文獻(xiàn)[5]指出：在初始磨損階段，TiAlN涂層刀具主要是涂層脫落和微崩刃；穩(wěn)定磨損階段主要是后刀面磨損；急劇磨損階段主要是刀具的嚴(yán)重崩刃和涂層脫落；磨粒磨損是刀具磨損的主要形式。文獻(xiàn)[6]指出：合理選擇微銑刀幾何參數(shù)可有效降低刀具的切削力和后刀面磨損。

金剛石涂層刀具具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是石墨加工的最佳刀具。文獻(xiàn)[7]指出：在使用壽命方面，金剛石涂層刀具>TiAN涂層刀具>硬質(zhì)合金刀具。文獻(xiàn)[8]指出：金剛石涂層刀具壽命是TiAlN涂層刀具的10倍；金剛石涂層刀具的主要磨損形式是涂層脫層和剝落。文獻(xiàn)[9]指出：在研究金剛石涂層刀具加工石墨和高硅鋁合金等材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)金剛石涂層和基體的結(jié)合力弱是刀具失效的主要原因。

如何提高金剛石涂層與基體的結(jié)合力成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]指出：金剛石涂層與基體結(jié)合力弱的原因是金剛石涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配，在結(jié)合界面上優(yōu)先形成了石墨層。文獻(xiàn)[11]提出，采用Cr-N中間層作為擴(kuò)散阻擋層，以阻止鈷/鐵的催化活性，在一定程度上可緩解界面殘余應(yīng)力，增強(qiáng)金剛石涂層在這些基底上的附著力。文獻(xiàn)[12]提出：采用晶粒細(xì)化的方法制備的微米、納米復(fù)合金剛石涂層刀具的結(jié)合力更強(qiáng)，摩擦系數(shù)更小，壽命更長(zhǎng)，加工質(zhì)量更好。文獻(xiàn)[13]指出：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，加工質(zhì)量更好。文獻(xiàn)[14]則對(duì)比了MCD,SMCD, NCD和MCD/NCD復(fù)合金剛石涂層刀具的切削壽命，并指出其分別是普通硬質(zhì)合金刀具的4.7、6.0、6.7 和8.0倍。

在以上研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同廠家制備的金剛石涂層刀具的切削性能開(kāi)展研究，并與WC硬質(zhì)合金刀具和TiAlN涂層刀具的性能對(duì)比，分析不同類(lèi)型金剛石涂層刀具的涂層形貌、切削壽命、表面粗糙度以及切削力。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與刀具

試驗(yàn)所用石墨材料為西格里SGL R8510，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 石墨材料參數(shù)

試驗(yàn)所用刀具基體為硬質(zhì)合金(牌號(hào)：森拉天時(shí)CTF12A)，鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，硬質(zhì)合金顆粒粒徑為0.8 μm，硬度為92 HRA。選擇直徑為6 mm的銑刀,銑刀刃數(shù)為4刃，具體參數(shù)如表2所示。分別委托不同廠家定制金剛石涂層刀具，不同類(lèi)型金剛石涂層刀具的編號(hào)為DF1、DF2、DF3、DF4。

表2 銑刀參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝備與方法

石墨加工在DMU 60T高速加工中心上進(jìn)行，如圖1a所示。圖1b中的ap為軸向切深,ac為徑向切深。加工中心的最高主軸轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，最大進(jìn)給速度為26 m/min。采用Kistler 9257B測(cè)力儀測(cè)量切削過(guò)程的切削力，測(cè)量時(shí)設(shè)定的采樣頻率為10 kHz；采用TR100S型便攜式粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量石墨加工后的表面粗糙度；采用KS-3400N型掃描電子顯微鏡觀察涂層以及刀具磨損形貌；采用OLYMPUS SZ61體式顯微鏡測(cè)量銑刀端齒及周刃后刀面磨損寬度。

a 試驗(yàn)平臺(tái)Experimentalplatform b 原理圖Schematicdiagram圖1 石墨加工示意圖Fig.1Schematicofgraphiteprocessing

刀具切削性能對(duì)比試驗(yàn)采用順銑加工方式，切削速度為240 m/min,每齒進(jìn)給量為0.05 mm/r，軸向切深為2.0 mm，徑向切深為0.5 mm。試驗(yàn)中，刀具每次切削長(zhǎng)度達(dá)到75 m，觀察刀具磨損情況，然后測(cè)量，如圖2所示。分別測(cè)量刀具4個(gè)齒的后刀面磨損寬度，并計(jì)算4個(gè)齒的后刀面磨損寬度平均值，將其作為刀具磨損量。如果試驗(yàn)中觀察到刀具磨損量達(dá)到200 μm或者出現(xiàn)異常破損，認(rèn)定刀具失效。同時(shí)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中切削力和工件表面粗糙度值。在每次測(cè)量表面粗糙度時(shí)，分別在被加工表面的5個(gè)不同位置測(cè)量粗糙度，然后取平均值。

a 端齒磨損Endbladewear b 周刃磨損Sideedgewear圖2 后刀面磨損示意圖Fig.2Schematicofflankwear

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同類(lèi)型金剛石涂層材料微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡對(duì)4組刀具的金剛石薄膜表面進(jìn)行觀察，分別獲取其截面形貌和表面形貌，如圖3、圖4所示。

a DF1 b DF2 c DF3 d DF4圖3 不同類(lèi)型金剛石涂層截面形貌Fig.3Crosssectionmorphologyofdifferentdiamondcoatings

a DF1 b DF2 c DF3 d DF4圖4 不同類(lèi)型金剛石薄膜表面形貌及能譜Fig.4Surfacemorphologyandenergyspectrumofdifferenttypesofdiamondfilms

試驗(yàn)采用相同規(guī)格的硬質(zhì)合金基體。由圖3可見(jiàn)：基體材料的斷裂面WC晶粒清晰，存在較多的孔隙，但整體較松散。各金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體之間均緊密結(jié)合，且部分金剛石晶粒與WC晶粒鑲嵌在一起，形成了致密的過(guò)渡層。DF1金剛石涂層截面顏色較暗,為典型的柱狀晶生長(zhǎng)，涂層表面較粗糙。DF2、DF3金剛石涂層的底層顏色較暗，為常規(guī)柱狀金剛石涂層，表面顏色較亮，由致密的細(xì)晶粒納米金剛石薄膜組成，表面粗糙度較低。

由圖4可知：DF1金剛石涂層純度較高，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%，而且能明顯看出金剛石晶粒取向是{111}和{220}面的。金剛石晶型發(fā)育良好，裸露的各晶棱清晰可見(jiàn)，呈典型的八面體特征，晶粒主體部分埋于薄膜中。晶粒粗大，平均晶粒尺寸>1 μm，屬于典型的微晶金剛石[15]，但晶粒大小不均勻，晶粒表面較粗糙。

由圖4還可知：DF2、DF3、DF4金剛石涂層薄膜具有一定的相似性，含有少量的O元素，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍微降低；表面呈明顯的球狀晶團(tuán)，無(wú)明顯晶界，晶粒比較細(xì)小，每個(gè)晶團(tuán)上包含若干個(gè)小金剛石球狀顆粒，達(dá)到納米尺度。該類(lèi)型的金剛石薄膜表面比較平坦，表面粗糙度較低。

2.2 切削壽命

將刀具后刀面磨損寬度達(dá)到200 μm或者刀具出現(xiàn)異常破損作為刀具壽命終止的判定指標(biāo)。圖5為不同材料涂層刀具周刃磨損曲線。圖5中：WC硬質(zhì)合金刀具和TiAlN涂層刀具磨損較快，可測(cè)數(shù)據(jù)量較少，在切削距離為300 m時(shí)，2種刀具的磨損測(cè)量結(jié)束。

圖5 不同材料涂層刀具周刃磨損曲線

由圖5可知：TiAlN涂層刀具的周刃磨損比WC硬質(zhì)合金刀具的嚴(yán)重，在切削距離為100 m左右時(shí), TiAlN涂層刀具的周刃后刀面磨損寬度已達(dá)到200 μm。2種刀具在相同切削參數(shù)下的周刃磨損曲線呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，無(wú)明顯的磨損階段。

由圖5還可知：DF1、DF2、DF3、DF4等4種金剛石涂層刀具的周刃磨損曲線呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。在切削距離為1 050 m時(shí)，DF1金剛石涂層刀具磨損寬度最大達(dá)到137 μm，DF2金剛石涂層刀具磨損寬度最大達(dá)到103 μm?？傮w來(lái)說(shuō)，4種金剛石涂層刀具的周刃磨損差異性較小。

圖6為不同材料涂層刀具端齒磨損曲線。由圖6可知：不同涂層刀具端齒的磨損趨勢(shì)和周刃磨損趨勢(shì)基本一致；當(dāng)WC硬質(zhì)合金刀具在切削距離為100 m左右和TiAlN涂層刀具在切削距離為225 m時(shí),兩者的端齒后刀面磨損寬度均達(dá)到200 μm；金剛石涂層刀具的壽命明顯大于TiAlN涂層和WC硬質(zhì)合金刀具的壽命；在切削距離為1 050 m時(shí)，DF2金剛石涂層刀具的端齒后刀面磨損寬度為176 μm，DF1金剛石涂層刀具的端齒磨損寬度為188 μm，DF3和DF4金剛石涂層刀具端齒后刀面磨損寬度分別為228 μm和206 μm。將后刀面磨損量達(dá)到200 μm作為刀具的壽命極限，粗略估算后，金剛石涂層銑刀的壽命比TiAlN涂層刀具和WC硬質(zhì)合金刀具的壽命提高了10倍以上。4種金剛石涂層刀具中，納米晶DF2金剛石涂層刀具的磨損最慢，磨損寬度始終最小。

圖6 不同材料涂層刀具端齒磨損曲線

隨機(jī)選取1個(gè)刀齒，對(duì)4種金剛石涂層刀具的端齒和周刃磨損進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7所示。從圖7可知:4種金剛石涂層刀具周刃磨損情況接近，均出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象;同時(shí)，DF2金剛石涂層刀具的端齒磨損寬度為156 μm，優(yōu)于其他幾種涂層刀具的。

a d=209μm b W=133μm c d=156μm d W=104μm e d=228μm f W=106μm g d=212μm h W=113μm圖7 不同類(lèi)型金剛石涂層刀具端齒和周刃磨損Fig.7Endbladewearandflankwearoftoolscoatedwithdifferentmaterials

2.3 表面粗糙度

圖8為石墨表面粗糙度隨切削距離的變化。由圖8可知：不同涂層刀具加工后的石墨表面粗糙度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。由于涂層刀具的表面涂層增大了切削刃的厚度，刀具初始切削時(shí)，鋒利度不夠。隨著刀具進(jìn)一步磨損，金剛石涂層刀具上突起的涂層晶粒逐漸被磨平，使涂層表面越來(lái)越光滑，已加工表面粗糙度越來(lái)越小。刀具進(jìn)一步磨損后，涂層刀具的基體裸露較多，后刀面與工件接觸變成與硬質(zhì)合金基體材料接觸。因此，加工工件表面粗糙度逐漸上升。

由圖8還可知：在切削距離為225 m之后，DF2金剛石涂層刀具加工的表面粗糙度最低，DF1金剛石涂層刀具加工的表面粗糙度最高。

圖8 表面粗糙度隨切削距離變化曲線

由圖4可知:DF1涂層晶粒取向明顯，晶粒粗大，具有一定的強(qiáng)度，但是涂層表面不光滑，與石墨材料之間的摩擦系數(shù)大;DF2金剛石涂層表面呈現(xiàn)微細(xì)球狀，結(jié)晶顆粒較細(xì)，表面光滑。因此，DF2金剛石涂層刀具加工質(zhì)量較好。

2.4 切削力

圖9為切削力隨切削距離變化曲線。由圖9可知：隨著切削距離增加，切削力大致先穩(wěn)定在較小切削力的范圍，而后上升。在銑刀初期磨損階段，刀刃相對(duì)較鋒利，材料容易去除，切削力??；當(dāng)磨損達(dá)到一定值后,銑刀漸漸變鈍，刀尖處與待切削材料接觸面積增大，切削力增大。

圖9 切削力隨切削距離變化曲線

由圖9還可知：在切削距離為0～375 m時(shí)，WC硬質(zhì)合金刀具的切削力最大達(dá)到44.5 N。在初始切削時(shí)，DF2金剛石涂層刀具的切削力最小為8.8 N；切削距離達(dá)到1 050 m時(shí)，切削力最大達(dá)到36.2 N。在切削距離為0～1 050 m時(shí)，DF4金剛石涂層刀具的最小切削力為14.7 N，最大切削力為29.2 N。在相同切削距離內(nèi)，DF1金剛石涂層刀具的切削力為19.4～58.6 N。綜上，DF1金剛石涂層刀具的切削力>DF2金剛石涂層刀具和DF4金剛石涂層刀具的切削力。

由圖8可知：DF1涂層刀具加工工件表面粗糙度最高。結(jié)合圖3和圖4分析可知，DF1涂層刀具切削力較大的原因是涂層表面晶粒粗大，表面不光滑,切削過(guò)程中與石墨材料之間摩擦力大。以上試驗(yàn)說(shuō)明，當(dāng)金剛石涂層晶粒尺寸較小，表面光滑時(shí)，切削力更小。因此，在降低切削力方面，納米晶薄膜DF2比微晶DF1更具優(yōu)勢(shì)。

2.5 刀具磨損微觀形貌

通過(guò)以上分析可知，采用的不同類(lèi)型金剛石涂層刀具的壽命差異性較小，但是不同類(lèi)型的金剛石涂層對(duì)表面粗糙度和切削力的影響具有差異性，主要體現(xiàn)在金剛石涂層晶粒尺寸大小對(duì)工件表面質(zhì)量和切削力的影響上。圖4中的DF1為粗大八面體形微晶金剛石晶粒，DF2為納米細(xì)晶粒，2種不同晶粒尺寸的金剛石涂層刀具具有較大的差異性。因此，選取DF1和DF2等2種金剛石涂層刀具磨損后的微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 DF1刀具磨損形貌

圖11 DF2刀具磨損形貌

由圖10可知：DF1金剛石涂層刀具的主要磨損形式為磨粒磨損、涂層脫落和微破碎。由于石墨材料的高硬度和低斷裂韌性，斷裂的硬顆粒石墨切屑快速流出,對(duì)刀具表面產(chǎn)生一定的沖擊作用。又由于石墨材料的斷裂破碎，刀具周刃處于斷續(xù)切削狀態(tài)，而脆性石墨材料的頻繁切入切出，使銑刀溫度忽高忽低，從而使涂層達(dá)到疲勞極限而脫落。同時(shí)，硬質(zhì)合金基體裸露出來(lái)，從而形成金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體的過(guò)渡帶。

由圖11可知：DF2納米晶金剛石涂層刀具的主要磨損形式為涂層脫落和刀刃崩碎，無(wú)明顯的金剛石涂層與刀具基體過(guò)渡帶。這是因?yàn)?，DF2金剛石涂層表層為微細(xì)納米金剛石薄膜，其表面晶粒較細(xì)，從而具有較高的強(qiáng)度，所以無(wú)明顯的磨粒磨損。但是，DF2金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體結(jié)合處的金剛石為典型柱狀晶，在劇烈沖擊下，晶體與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合被破壞，導(dǎo)致涂層脫落和刀刃崩碎。因此，涂層脫落是金剛石涂層磨損的主要形式。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比幾種不同類(lèi)型的金剛石涂層刀具切削性能，可以得出如下結(jié)論：

(1)制備的金剛石涂層刀具的涂層形貌主要為納米晶和微晶。

(2)金剛石涂層刀具壽命是硬質(zhì)合金刀具和TiAlN涂層刀具的10倍以上，4種金剛石涂層刀具壽命差異較小。

(3)金剛石涂層刀具可以降低石墨加工后的表面粗糙度。DF2金剛石涂層刀具表面為納米晶薄膜，刀具表面光滑，工件加工后的表面粗糙度最低。

(4)金剛石涂層還可以降低石墨加工時(shí)的切削力。其中，納米晶薄膜DF2比微晶DF1更具優(yōu)勢(shì)。

(5)涂層脫落是金剛石涂層磨損的主要形式。