金刚石薄膜涂层刀具切削Al-12％Si合金的性能研究

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内容摘要:
1 前言随着汽车、航空、航天工业的迅速发展，Al-12%Si合金的应用日益广泛，但由于Al-12%Si合金中含有较多硬质点，用硬质合金刀具切削将产生显著的磨料磨损，使用寿命很短。金刚石薄膜涂层刀具制作工艺简单，成本较低，其表面由纯金刚石组成，耐磨性极高，是一种适合于非铁类难加工材料切削加工的新型超硬涂层刀具。本文对金刚石薄膜涂层刀具切削Al-12%Si合金的切削性能进行了试验研究。
2 试验条件金刚石薄膜涂层刀具采用燃焰法制备，基体材料为金属W，刀具外形如图1所示。

" o' i3 {. ?+ P9 R  j. j1 前言
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随着汽车、航空、航天工业的迅速发展，Al-12%Si合金的应用日益广泛，但由于Al-12%Si合金中含有较多硬质点，用硬质合金刀具切削将产生显著的磨料磨损，使用寿命很短。金刚石薄膜涂层刀具制作工艺简单，成本较低，其表面由纯金刚石组成，耐磨性极高，是一种适合于非铁类难加工材料切削加工的新型超硬涂层刀具。本文对金刚石薄膜涂层刀具切削Al-12%Si合金的切削性能进行了试验研究。
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4 m* r* _' ^) b2 试验条件
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金刚石薄膜涂层刀具采用燃焰法制备，基体材料为金属W，刀具外形如图1所示。试验用机床为普通车床；刀具几何角度：g0=-5°，a0=5°，Kr=K'r=45°；被加工材料为Al-12%Si合金。

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图1 金钢石薄膜涂层刀具的外形

3 切削用量对金刚石薄膜涂层刀具损伤形式的影响

$ R" Z6 D! L) \' ^  i; u试验表明，切削用量对金刚石薄膜涂层刀具的损伤形式影响很大。图2所示为用涂层表面未经研磨处理的金钢石薄膜涂层刀具以不同速度切削Al-12%Si合金时的损伤状况。

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' `7 O/ f2 ]7 `/ V! H* ]% m图2 切削速度对金刚石薄膜涂层刀具损伤形式的影响

由图可知，切削速度在100m/min左右时，金刚石薄膜涂层刀具可进行长时间稳定切削，刀具为正常磨损。当切削速度大于200m/min时，刀具涂层产生剥落。剥落主要是由切削过程中产生的积屑瘤引起的。由于未经研磨的金刚石薄膜涂层刀具表面较粗糙，切屑沿前刀面流出时摩擦阻力较大，金刚石晶粒间的凹凸不平容易造成较大的积屑瘤。切削速度较高时，积屑瘤脱落频繁，对金刚石薄膜产生周期性剥离作用，使金刚石薄膜与基体的接触面以及晶界之间产生裂缝，最终导致金刚石薄膜的剥落。此外，随着切削速度的提高，切削热增大，每次切入切出均使金刚石薄膜承受较大的周期性热应力，这也是促使金刚石薄膜剥落的原因之一。图3所示为金刚石薄膜涂层刀具剥落的形态。由图可知，金刚石薄膜的剥落主要发生在前刀面积屑瘤粘接处以及与该部位相对应的后刀面。

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图3 金刚石薄膜涂层刀具的剥落形态

图4所示为切削速度和切削深度对金刚石薄膜涂层刀具损伤形式的影响。图中刀具的损伤形式以切削1小时范围内金刚石薄膜是否剥落来判定。其余切削条件与图2相同。由图可知，切削深度较大的刀具容易发生剥落，因为切削深度增加后，切削力加大，切入、切出时的冲击载荷也随之加大，涂层剥落在所难免。有鉴于此，当切削速度较低时，可选择较大的切削深度；如果提高切削速度，则只能选择较小的切削深度。

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图4 切削用量对金刚石薄膜涂层刀具损伤的影响

试验表明，对金刚石薄膜涂层刀具前刀面进行适当的研磨，可大幅度降低切屑的粘附程度，仅在刀刃处有少量切屑堆积，刀具的切削性能将得到极大提高，可在较高的切削速度下进行长时间稳定切削。
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% q' G, D! i# G) s1 {7 l+ g4 金刚石薄膜涂层刀具的磨损试验

被加工材料为Al-12%Si，对比用刀具为WC-3%Co硬质合金刀具和金刚石薄膜涂层刀具；切削条件：v=200m/min，ap=0．3mm，f=0．1mm/r，干式切削。试验结果表明，切削Al-12%Si时切屑形态为C形屑，刀具磨损的主要形式为后刀面磨损，磨损曲线如图5所示。由图可知，金刚石薄膜涂层刀具切削6小时后的磨损量与WC-3%Co硬质合金刀具切削30分钟后的磨损量大致相当，耐磨性提高12倍以上。

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$ {6 O- X3 P. |4 C图5金刚石薄膜涂层刀具切削Al-12%Si合金时的磨损曲线

5 结论
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1) 切削用量是影响金刚石薄膜涂层刀具切削性能的重要因素，过高的切削速度和较大的切削深度都会导致金刚石薄膜的剥落，合理选择切削用量可保证该刀具进行长时间稳定切削。
% d- k1 n% D0 Q; a2) 对金刚石薄膜涂层刀具表面进行适当的研磨可有效提高其抗剥落性能。
6 D- ~( k  _3 w' o3 j3) 金刚石薄膜涂层刀具切削Al-12%Si合金时的耐磨性比硬质合金刀具高12倍以上。
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本文作者:吉林工业大学 黄树涛
7 F: a1 z# I2 H8 Z  @  m$ G哈尔滨工业大学 姚英学 袁哲俊