CVD金刚石薄膜刀具加工SiCp/Al复合材料时的切削

1 引言

SiCp/Al复合材料是一种刚性颗粒增强型金属基复合材料，由于它具有比强度和比刚度高、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨耐热性好、可重熔性好以及价格低廉等优点，很适合制作耐磨、耐热、强度高、重量轻的零部件(如发动机活塞、车辆刹车器等)，因此在航空、航天、汽车、摩托车、仪器仪表、兵器等工业领域有很大的应用潜力。该材料中由于加入了高强度的硬脆SiC陶瓷颗粒，极大地提高了基体材料的力学性能，并且具有复合材料宏观各向同性。但同时也给切削加工带来了很大的困难，使得切削SiCp/Al复合材料时刀具的磨损率大，加工精度和表面质量难以保证。研究表明，采用高速钢和硬质合金刀具加工此类材料的效果都很差，聚晶金刚石刀具和金刚石厚膜刀具加工此类材料的效果虽然比较好，但刀具成本过高。而CVD金刚石薄膜涂层刀具制造工艺简单，成本低廉，在高硅铝合金等耐磨材料及有色金属材料的加工中已得到广泛应用，本文将探讨其对切削加工SiCp/Al复合材料的适应性。

2 CVD金刚石薄膜涂层刀具及其特性

CVD金刚石薄膜涂层刀具是通过化学气相沉积(ChemicAlVapor Deposition，CVD)法在硬质合金、陶瓷等刀具材料基体上沉积一层极薄(50µm 以下)的金刚石膜制成的刀具。金刚石薄膜材料具有单晶金刚石优良的热力学性能(如极高的硬度、高导热性、低摩擦系数和低膨胀系数等)，因而CVD金刚石薄膜涂层刀具亦具有很高的耐磨性和良好的韧性，已成为加工有色金属及其合金、非金属硬脆材料、高硅铝、高耐磨材料等难加工材料的首选刀具之一。

3 切削试验

试验刀具采用广州有色金属研究院研制的CVD金刚石薄膜刀具：基体为YG6；采用直流等离子射流CVD法涂层，反应气体为甲烷、氢气、氩气的混合气体；涂层之前进行脱钴、脱碳等基体表面处理。涂层工艺参数为：气压5～20kPa，Ar 流量为3l/min，H2流量为6l/min，CH4为120SCCM，温度为800～8500℃，有偏压，沉积时间为1.5h。

试验条件

工件材料及试验刀具

试验采用的工件材料为编号1#～4#的不同颗粒和体积百分比的SiCp/Al材料(见表1)；试验用刀具为硬质合金YG6和CVD金刚石薄膜刀具(分别标记为CVD-1、CVD-2、CVD-3)，各种刀具的几何参数见表2。

表1 工件材料

表2 试验刀具及几何参数

试验设备、仪器及测量参数

试验机床：CM6140普通卧式车床；

测量仪器：工具显微镜；测量参数：刀具后刀面(刀尖处)磨损值VC。

试验结果与分析

切削参数对刀具磨损的影响

采用CVD-1刀具对4#材料进行切削试验，分别采用不同切削参数加工时得到的刀具后刀面磨损值VC与加工时间t的关系曲线如图1所示。

vc=35m/min，ap=0.3mm   vc=33m/min，f=0.2mm/r    ap=0.3mm，f=0.2mm/r

(a)采用不同f时的VC-t曲线 (b)采用不同ap时的VC-t曲线 (c)采用不同vc时的VC-t曲线

图1不同切削用量下的V-#曲线

试验证明，用CVD金刚石薄膜涂层刀具加工SiCp/Al复合材料时，不同的切削参数(vc，ap，f)与VC值关系密切。由图1a可知，随着进给量f的增加，后刀面磨损值VC值明显变小。这是由于在其它切削参数不变的条件下，进给量f越大，切削厚度hD越厚，切屑对后刀面的研磨作用越弱。由图1b可知，当其它切削参数不变时，随着切削深度ap的增加，VC值虽然有所增大，但其变化不明显。这是因为在其它切削参数不变时，切削深度ap越大，切削层的截面积越大，切屑对后刀面的研磨作用不严重。由图1c可知，在其它切削参数不变时，随着切削速度vc的增加，VC值明显增大，刀具磨损严重。其原因在于切削速度vc越高，相同时间内切削路程就越长，从而对后刀面的磨损越严重。

根据试验结果可知，用CVD刀具加工SiCp/Al复合材料时，切削速度vc越高，切削深度ap越大，进给量f越小，刀具后刀面磨损值VC就越大。

vc=30m/min，ap=0.1mm，f=0.1mm/r

图2 采用不同刀具材料的VC-t曲线

vc=32m/min，ap=0.1mm，f=0.1mm/r

图3 不同前角时的VC-t曲线

vc=30m/min，ap=0.1mm，f=0.1mm/r

图4 加工SiCp含量与粒度不同的材料时的VC-t曲线

刀具材料对刀具磨损的影响

分别采用YG6和CVD-1刀具对3#材料进行切削加工，所得的刀具后刀面磨损值VC与加工时间t的关系曲线如图2所示。

由图2可以看出，YG6的后刀面磨损VC值是金刚石薄膜涂层刀具CVD-1的VC值的1.5～2.0倍。这是由于SiCp/Al复合材料中硬质相SiCp的硬度高于硬质合金，因此使YG6刀具遭受严重的磨料磨损；而金刚石薄膜刀具CVD-1具有极高的硬度、高耐磨性、低摩擦系数和高热导率，故在加工SiCp/Al复合材料时，其磨损量大大小于YG6刀具的磨损量。

刀具前角对刀具磨损的影响

分别采用正前角、负前角及零度前角的CVD-1～3刀具加工2#材料，得到的后刀面磨损VC值与加工时间t的关系曲线如图3所示。

由图3可见，刀具前角对CVD刀具的磨损有重要影响。在试验中发现，采用-8°～-9°前角的CVD刀具抗磨损能力明显优于0°前角和+8°～+9°前角的CVD刀具，其原因在于：在采用-8°～-9°前角时，虽然切削时产生较大的切削力且引起排屑不畅，但刀刃和刀尖耐冲击性较好；而在0°前角和+8°～+9°前角的情况下，由于刀具刀尖楔角较小，切削刃更易崩碎，从而使后刀面磨损加剧。

工件材料对刀具磨损的影响

采用CVD-1刀具分别对SiCp含量与粒度不同的1#～3#材料进行切削加工，所得刀具后刀面磨损VC值与加工时间t的关系曲线如图4所示。

由图4可以看出，复合材料中SiCp的含量与粒度对刀具磨损的影响最大，这与其它一些文献的结论是一致的。复合材料中SiCp含量越高(或粒度越粗)，不仅对普通刀具，同时对CVD金刚石薄膜涂层刀具后刀面的研磨和擦伤作用也越强。

4 结论

用CVD金刚石薄膜涂层刀具加工SiCp/Al复合材料时，切削参数的选择与刀具后刀面的磨损程度有密切关系。切削速度vc越高，切深ap越大，进给量f越小，则刀具后刀面的磨损值就越大。这一点与CVD刀具加工传统材料时的规律一致。

用CVD金刚石薄膜涂层刀具加工SiCp/Al复合材料时，工件材料中SiCp含量越高，颗粒粒度越粗，工件材料的切削性能就越差，对刀具的磨损就越大。

用CVD金刚石薄膜涂层刀具加工SiCp/Al复合材料，当采用适当大小的负前角(-8°～-11°)时，刀具的耐磨性好于采用零度前角和正前角的刀具。