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CVD金刚石膜刀具制造技术及其应用 |
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作者：刘志平 韩毅松 于启勋 全燕鸣 |
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化学气相沉积(CVD)金刚石作为一种新型超硬刀具材料，为金刚石刀具的应用开辟了新的途径。CVD金刚石刀具主要有两种类型：CVD金刚石薄膜涂层刀具和CVD金刚石厚膜焊接刀具。目前来说，CVD金刚石厚膜刀具的应用比较广泛。
一、CVD金刚石薄膜涂层刀具
CVD金刚石薄膜涂层刀具是指通过CVD方法在一定温度下使金刚石沉积于某些基体(通常为K类硬质合金)刀片上的刀具，其金刚石膜厚度约为10～30µm。
CVD金刚石薄膜涂层刀具因金刚石厚度较薄，难于刃磨，前、后刀面及刃口质量较差，只适用于粗加工、半精加工和复杂形状刀具。粗加工的切削较大，当金刚石与基体间的附着力不足以抗拒切削力的破坏时，金刚石膜就会脱落。这种刀具加工出的工件表面粗糙度一般大于Ra0.2µm。
尽管目前国内CVD薄膜涂层刀具的应用尚处于萌芽状态，但随着CVD金刚石生长技术的提高，CVD金刚石基团颗粒的大小已经由40～50µm缩小到十几甚至几个纳米，从而出现了纳米金刚石。如美国阿贡国家实验室(Argonne Nat. Lab)的Dr. Gruen D.M已经生长出质量良好、表面为镜面(表面最高峰与最低峰间距为15nm)、任意厚度的纳米金刚石膜，而且其涂层的附着力足够。相信其对涂层刀具的应用有所促进。
二、CVD金刚石厚膜焊接刀具
CVD金刚石厚膜焊接刀具是先把切割好的CVD金刚石厚膜一次焊接至基体(通常为K类硬质合金)上，形成复合片，然后抛光复合片，二次焊接至刀体上，刃磨成需要的形状和刃口。
制造工艺流程：高品质的CVD金刚石膜的制备→激光切割→一次焊接成复合片→复合片抛光→二次焊接至刀体上→刃磨→检验。下面介绍几个关键工序，如切割，焊接，抛光和刃磨等。
1. 激光切割
CVD金刚石膜硬度高、不导电(现已有导电型CVD金刚石，但其电阻率很大)、耐磨性极强，常规的机械加工和线切割等方法不适合于CVD金刚石厚膜的切割。高效的加工方法是激光切割。
2. 一次焊接
一次焊接是指在真空条件下将CVD金刚石厚膜焊接至某些基体上，形成复合片。金刚石与一般金属间的可焊接性极差。目前，金刚石厚膜刀具的焊接工艺主要采用表面金属化的方法。焊料为含钛的银铜合金，钛的作用是在焊接加热过程中与金刚石膜表面反应，产生TiC中间层，使金刚石膜表面金属化，从而提高焊接强度。
焊接用基体通常为K类硬质合金。在高真空条件下，采用扩散焊加钎焊的工艺，Ag—Cu—Ti合金作中间层，将金刚石厚膜焊接在硬质合金基体上，焊接强度满足切削加工要求。
3. 复合片抛光
抛光的目的是把刀片上表面(即前刀面)抛光成镜面，一般要求达到Ra0.1µm以下。刀具前刀面抛光后可以减少与切屑的摩擦与粘结，延长刀具寿命；同时还可以改善刀刃的平整度与锋利性，提高切削加工的精度。复合片的抛光用专门的抛光机。
4. 二次焊接
二次焊接是指将复合片焊接至刀体上。所用设备多为高频感应焊接设备，所用焊料为银铜焊料和钎剂。焊接温度为650～700℃之间。温度不可过高，焊接过程中应保持各焊接面干净。合理选用钎剂有利于提高焊接强度和改善复合片基体与刀体材料的焊接性能。一般来说二次焊接的强度为180～200MPa，可满足金刚石刀具切削加工的要求。
另外，为了改善刀具的外观，可以用油石条磨掉多余的银铜，用喷砂法去除表面氧化层，用表面镀Ni法或用钝化液浸泡防止刀体的氧化生锈。
刃磨CVD金刚石有很高的硬度和耐磨性，刃磨极为困难。目前普遍采用类似PCD刀具的刃磨方法。
5. 设备：采用专门的工具磨床，设备厂家有英国COBORN公司、台湾KARMAM公司、瑞士EWAG公司和北京迪安公司等。其主要功能包括：直刃磨削和圆弧磨削，圆弧磨削又包括圆锥后刀面和圆柱形后刀面的形成以及圆锥与圆柱后刀面的组合等。为了实现这些功能，要求机床的主要运动包括：机床主轴(砂轮)的旋转运动；主轴的往复直线运动；刀架的回转运动，配合显微镜或投影仪精确对准回转中心，得到不同的刀尖圆弧半径等。
6. 砂轮：刃磨所用砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，刃磨工艺分为粗磨、半精磨和精磨等。砂轮粒度范围为250～325至W10～07。为了提高刃口质量，有时还需研磨、抛光等工艺，所用粒度更细，甚至为1～3µm。为了得到高质量的刃口，通常采用嵌砂的铸铁盘进行研磨。
7. 刃磨：刃磨过程中，需加冷却液，并应注意砂轮的修整，通常用适合的油石条正确地修整砂轮可以提高刃磨效率和改善刃磨质量。由于CVD金刚石的抗冲击性能不如PCD金刚石，因此有些特殊要求的刀具刃磨后的刃口应倒钝，一般为0.02～0.03mm。
8. 检验
刀具刃口质量情况的检验通常用放大倍数为40～80倍的工具显微镜来观察。普通刀具的刃口锯齿度≤0.02mm。对于精度更高的刀具，通过研磨抛光后，刃口锯齿度≤0.005mm。另外，加工不同的工件材料，对刀具刃口质量的要求也有差异，刃磨CVD金刚石刀具应从实际应用情况出发，一味地追求高质量的刃口，这样既降低生产效率，又增加生产成本。
三、CVD金刚石膜刀具加工复合材料的切削实验
1. 加工金属基SiC颗粒加强复合材料(SiCp/LY12)
CVD厚膜金刚石焊接刀具连续切削SiCp/LY12复合材料(HV>3000，SiCp所占重量比30%，粒度28µm)。刀具磨损曲线如图1所示。
v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.3mm
图1 不同材料刀具加工SiCp/LY12复合材料的VB-t曲线(干切)
刀具几何参数：
·YS8：g0=0°，a0=12°，kr=90°，re=1.0mm，ls=0°
·PCBN：g0=0°，a0=12°，kr=90°，re=0.1mm，ls=0°
·PCD：g0=-4°，a0=9°，re=5.0mm
·CVD厚膜：g0=3°，a0=13°，kr=75°，re=0.6mm。
从图1可以看出，TFD(CVD金刚石厚膜)刀具在加工38min时的后刀面磨损VB值约为0.05mm，PCD刀具约为0.16mm，厚膜刀具的耐磨性明显高于PCD刀具。其原因是金刚石厚膜是由纯金刚石晶粒组成的聚晶材料，而PCD金刚石是由金属Co、Ni作为粘接剂将金刚石烧结在一起的聚晶材料，金属Co使PCD刀具的耐磨性能有所降低。PCBN刀具的磨损比PCD和CVD厚膜刀具快得多，而细晶粒硬质合金YS8刀具则根本不能胜任。在生产中，应优选CVD厚膜或PCD刀具。
2. 加工树脂基玻璃纤维加强复合材料(GFRP)
图2所示为PCBN、CVD金刚石薄膜和厚膜加工GFRP时的耐磨性曲线。
v=80m/min，f=0.1mm/r，ap=0.3mm
图2 不同材料刀具加工GFRP复合材料的VB-t曲线(干切)
刀具几何参数：
·PCBN：g0=0°，a0=8°，kr=45°，re=0.5mm，ls=0°
·CVD薄膜：g0=-10°，a0=8°，re=4.0mm
·CVD厚膜：g0=-8°，a0=8°，kr=45°，re=0.5mm，ls=0°
从图2可以看出，CVD厚膜刀具的耐磨性最好，CVD薄膜刀具次之，PCBN刀具更次之。GFRP的主要成分是SiO2(85HRA)，加工时摩擦力较大，又是干切，故加工时温度较高，能导致刀具切削刃和后刀面的较快磨损。GFRP材料比SiCp/LY12的加工难度小，刀具寿命较长，实验用的三种刀具均可在生产中应用。
总之，无论是CVD金刚石薄膜涂层刀具，还是CVD金刚石厚膜焊接刀具，如果能充分利用其优良的性能，取其之长，避彼之短，其应用前景是很好的。同时，一方面应继续提高CVD金刚石膜的生长技术，使其性能更加优良；另一方面，应改进CVD金刚石刀具的制造技术，使其更广泛地应用于各个领域。
北京天地东方金刚石技术有限公司 刘志平 韩毅松
北京理工大学 于启勋 全燕鸣(end)
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(9/24/2005) |
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