寻找更好的微型刀具涂层

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由于切削刀具的涂层有益于宏观尺寸的加工，因此人们可能有理由推论，刀具涂层也会有利于微小尺寸加工。如果能合理应用涂层，且涂层厚度足够薄，不会钝化微切削刃，可能某些研究人员会同意这种观点。然而，这些研究人员尚未最后确定微型刀具涂层是否有利于加工，以及涂层的最佳方式。
" Z$ X/ m: V# @" @为了了解如何更有效地对微型刀具进行涂层，一些大学正在开展相关研究。本文是大学的一些研究成果，包括在微型刀具上沉积金刚石和其它涂层、确定首选的涂层方法，以及研究不同工件材料对涂层刀具的反应。
应用日益增多的金刚石涂层
对金刚石涂层的挑战之一是涂层与刀具表面的粘附性能。由威斯康星大学麦迪逊分校、宾夕法尼亚大学和阿贡国家实验室的研究人员组成的研究团队在微型立铣刀上沉积了一层过渡层，以增强金刚石的粘附性能，并用由氢氟酸、硝酸和去离子水组成的溶液对300µm的双槽微型立铣刀进行了蚀刻试验。据威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系助理教授Flank E. Pfefferkorn介绍，该试验的目的之一是在硬质合金基体与金刚石涂层之间创建一种机械连结。
+ }. W  N- T& [1 L8 jPfefferkorn和宾州大学机械工程和应用力学系副教授Robert W. Carpick(他在威斯康星大学麦迪逊分校时曾致力于金刚石涂层的研究)及其研究生和合作伙伴在篇题为“金刚石涂层微型立铣刀：能对铝件进行微尺寸于切削”的论文中指出钴结合剂可以增强刀具的韧性，但会削弱金刚石涂层与基体之间的结合强度，并通过限制晶核形成而抑制金刚石的生长。Pfefferkorn表示，“从基体表面去除钻的主要原因是它会妨碍金刚石生长。”
( Z$ M, t% w/ q9 N$ G' M0 B% Z去钴处理时，需要有选择地蚀刻掉最适当的含钴量，而不会过分削弱本身已很纤细的微型刀具为了防止去除太多的钻并影响刀具的完整性，刀具的含钴量(重量比)必须不超过6%～8%。Pfefferkorn说，“我们将很薄的表层中的钴全部蚀刻掉，以防止它影响金刚石的生长过程。我们通过控制蚀刻深度，使其对刀具完整性的影响降至最小。”
3 N( U2 j  l  x% O% q该论文指出，威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队在完成蚀刻后进行了引晶操作：在丙酮中利用超声波处理，用纳米金刚石粉在基体上沉积金刚石微粒。引种的晶粒起到了定位作用，金刚石在该处开始生长(即形核)。纳米金刚石粉结块会导致引晶不均匀，并造成金刚石的生长不均匀，因此，研究人员采用在酒精溶液中进行超声波清洗的方法，以确保去除大的晶粒团块，从而实现均匀引晶。
然后，采用该研究团队自行设计和制造的热丝化学气相沉积系统，在刀具上生长出了纳米晶粒和细颗粒金刚石(Carpick确认，纳米晶粒金刚石的粒度为10～100µm，细颗粒金刚石的粒度大于100nm，小于300nm)。该沉积系统包括一个沉积室，其中，温度至少保持在1800℃的钨丝周围充满保护气体(特别是在氢气中稀释过的甲烷)。
2 y" v  H; Z7 G( e0 }, `$ [" q沉积得到的涂层厚度约为60～200µm。普通刀具的金刚石涂层厚度为2µm或更厚，而这对于微型刀具而言太厚了，因为未涂层微型刀具的切削刃半径常常不到1µm。Carpick说，“用于大尺度刀具的涂层厚度完全不适合用于微型刀具，它将使刀具钝化，并因此大大降低其切削性能”。
* a" d# d/ X3 d. \5 |Pfefferkorn认为，事实上，微型刀具的几何特征并不像所希望的那样精确，“对于切削时所产生的切屑载荷而言，微型立铣刀的切削刃半径已经比我们所期望的更大”。
; t, T! H. v9 }' z除了与具有热丝CVD沉积经验的研究人员合作以外，该团队之所以选择这种沉积工艺，是因为用其它CVD方法(如基于等离子体的沉积方法)沉积的涂层厚度变化较大，有较多材料被沉积在刀尖上，Pfefferkorn说，“在锋利的切削刃上生长出个球形物，就像狗骨头样。我并不是说热丝CVD是唯一可以使用的方法，选择该方法的个理由是因为它不会产生这种‘狗骨效应’。”
涂层不仅要薄．而且必须与基体有良好的粘附性，同时还应连续和光滑，尽管后一种特性很难量化。Carpick说：“对于光滑性，我们正在努力消除对建立合适模型的局限，因此，我们还不能确切知道涂层需要有多光滑。我们也认为，略有一点粗糙可能是有益的，因为它或许有助于防止工件材料粘结到刀具上。”
由于纳米晶粒金刚石涂层可以非常薄，因此可以适应基体表面形貌，包括刀具磨削加工产生的磨痕以及酸蚀处理造成的裂纹，微米晶粒涂层可以覆盖这些表面缺陷。Pfefferkorn说，“微型刀具已经相当粗糙，我们不需要使它们更粗糙。”
. K. j6 w6 j: R4 \铝的立铣加工
据Carpick介绍，该团队的分院重点集中在用涂层微型立铣刀加工6061-T6铝材料，因为业界希望增加该材料在各种零件(包括发动机缸体)制造中的应用。此外，铝很容易粘结到硬质合金刀具上，但不容易粘结到金刚石刀具上因为金刚石的摩擦系数较小、粘结性较低。为了进行切削试验．研究人员在哈斯TM-1数控铣床上安装了一个电驱动和带陶瓷轴承的 高速电主轴。在全部试验中，该高速主轴的转速为4000r/min，给定进给率为500mm/min。Performance Micro Tool公司为试验提供了微型立铣刀。试验采用于切削，但有一套装有两个喷嘴的湿度控制系统吹出湿润空气通过刀尖。Carpick说，“湿润的加工环境会显著降低刀具的摩擦和磨损。”
: r% v- M, n5 O* I“干切削时，施加于金刚石涂层刀具上的切削力要低于用未涂层硬质合金刀具在切削液喷雾冷却条件下进行切削时的切削力。”
Pfefferkorn补允说．无论是否使用切削液喷雾冷却，铝屑都会粘附在未涂层刀具上。
在“金刚石涂层微型立铣刀性能分析”论文中对切削力和轴向推力数据的分析显示，分别采用未涂层立铣刀、0.5～1µm厚的细晶粒金刚石涂层立铣刀和200nm厚的纳米金刚石涂层立铣刀干铣削6061-T6铝时，所需的切削力大小有明显改善：主切削力和轴向推力分别从未涂层刀具的2.14N(±0.85N)和4.40N(±0.44N)降至细晶粒金刚石涂层刀具的0.49N(±0.09N)和0.34N(±0.04N)，而纳米金刚石涂层刀具则进步将切削力和轴向推力减小至0.18N(±0.07N)和0.17N(±0.02N)。这些数据表明，涂层刀具的切削力和轴向推力更均衡，而未涂层刀具的轴向推力却是切削力的两倍。切削力的减小应归功于金刚石涂层更小的摩擦和粘结。
! @! ^  x/ }! ]因此，Pfefferkorn怀疑，铝容易与硬质合金发生粘结是用未涂层刀具切削时轴向推力较大的原因。立铣是种断续切削过程．由于切削刃只在180°旋转范围内切削工件，因而很少产生连续切屑。而在干切削时，未涂层立铣刀偶尔也会产生连续切屑，这是因为一个新产生的切屑粘结在排屑槽表面．在下一个新产生的切屑被推向它、基本上与它焊在一起后才被带走。Pfefferkorn认为，“必须有足够大的力才能使切屑相互推挤”。
微铣削试验还发现．金刚石涂层立铣刀加工表面的刀痕更规则、更均匀，而米涂层刀具的加工表面光洁度不均匀，这表明在切削过程中产生了大量切削热。Carpick说．“切削中产生的热量对微型刀具有很大影响，尤其是在高速加工中”
该研究论文指出，这些性能提升只有在金刚石涂层的耐用度足够长时才能获得。约有80%的细晶粒金刚石涂层刀具和40%的纳米金刚石涂层刀具出现了涂层剥落现象，而这种情况通常发生在切削开始几分钟以后。涂层剥落后原来的涂层刀具或者表现出与未涂层刀具类似的性能，或者突然发生完全失效。因此．下步需要研究如何改善涂层的粘附性能。
' {% F$ E/ G3 t" x1 @5 t减少切削热
5 M/ i! R4 w$ O- |% }' I& a/ E关于在微切削时所产生的切削热，其他些大学的研究者得出了不同的结论。普渡大学的研究认为，微型切削刀具不会产生大量切削热。普渡大学机械工程技术系副教授Mark Jackson表示，这是因为微型刀具需要高速旋转，产生的任何热量都立即被切屑一起带走．这些切屑虽然很细小．但具有很大的表面积脉积比。
7 K6 }1 h4 }" ^8 ?: z' p, b# S0 hJackson说，“涂层的作用并不是带走热量，因为所产生的热量非常小”。他指出．加工时，主轴速度范围为250,000～750,000r/min (取决于工件材料和载荷情况)，刀尖温度为27～33 ℃。
% j6 b4 `' n8 M7 {' L曾与Jackson一起从事涂层研究的前普渡大学博士Grant Robinson同意这一观点，“在宏观尺度下为减少和带走热量而设计的涂层在微观尺度下完全没有必要，因为在微观尺度下，切削热并不是导致刀具磨损的原因。主要原因是由机械力(而并非热力)引起的机械磨损”。因此，他指出，用于微型刀具的涂层只需要用于改善刀具的耐磨性。
- E1 N' O, @! }3 H为了确定微加工时的温升，普渡大学的研究人员进行了有限元计算．研究了被加工材料中些熔点相对较低的元素(如硫、钙、钾等)。Robinson解释说，“如果在加工一种熔点为50℃的元素时，看到了熔化迹象(如小的熔化液滴)，就可以说切削温度约为50℃。但我们没有看到任何熔化的迹象，因此我们断定，微尺度切削不会产生大量切削热。”
由于切削温度较低，因此加工时不需要使用冷却液，但普渡大学的研究人员将压缩空气引向切削区．以帮助排屑和使工件材料加速氧化。Jackson解释说，“如果金属没有快速氧化，摩擦系数就会增大(甚至包括涂层刀具也是如此)，从而导致温度升高．因为这样会产生金属与金属的粘结，而不是金属与氧化物的粘结”。
试验加工的金属包括1020 低碳钢、D-2工具钢、铜、黄铜以及各种会迅速应变硬化的软材料．如妮、钽、钨等。
. f. N, Q$ R7 R; q+ `研究人员主要试验了可供商业性应用的、直径250～750µm的硬质合金立铣刀，这些刀具被送到一家主要的刀具涂层商那里进行PVD涂层。涂层种类包括TiN 、TiAlN、AlTiN、TiAlCrYN、CrN和TiAlCrZrN。Jackson说，“我们试验了20～30种涂层。”为了避免钝化切削刃．涂层厚度范围控制在300nm～2µm，并将其与厚度范围3～5µm的常规刀具涂层进行了对比。
+ F' F. ?# Q/ s涂层以外的其他问题
与那些认为在微加工中．刀具涂层能够提高生产率和延长刀具寿命的观点相反，Robinson认为，为了有效形成切屑和正确进行微加工，微型刀具必须从根本上重新进行设计。这是因为，用常规设计的刀具进行微观尺度加工时，需要克服刃口半径与切屑厚度的比例问题。他解释说，对于某一特定的切削刃圆弧半径，也有一个特定的未切削最小切屑厚度。“换言之．对于某刃口半径，必须有一个特定的材料切削深度，才能形成切屑。”
+ h; B" J6 l/ y( }" N3 _他继续解释说事实上微型刀具旋转得如此之快，以至于每转可能只前进1nm，而对于未切削切屑厚度而言，要达到形成切屑所需的临界水平，这一距离是远远不够的。当刀具一边旋转一边前进时，只是在磨擦(而不是切削)工件材料。在达到形成切屑的临界值之前，可能需要旋转数百转——也许无需那么多。Robinson说．“我不认为有人已经找出了刃口半径与切屑厚度比的临界值。”而没有这一信息，对按常规方法设计的微型刀具进行涂层，将会进一步妨碍它正确切削。
“在微切削领域．还有大量有关切削机理的问题没有获得解答，或许我还需要继续为此忙碌30年。”Jackson如是说。
  Q- y2 U3 y) r# x! k. s合理选用微型刀具涂层
0 a" s% H" B7 v, Y+ MHarvey刀具公司技术副总裁Jeff Davis认为，刀具涂层特别有益于难加工材料的微细加工，“那些难加工材料含有大量镍和钴，通常需要用涂层刀具加工。”不过，对于其它材料则不能这么说。
$ G% T0 n0 M* C* _; v  d% t/ NDavis指出，“切削铝或塑料时，肯定没有必要或不必强制使用涂层，用未涂层刀具切削铝已成为惯例。”但也有例外，就是希望尽量减少换刀的生产车间。在这种情况下，采用PVD沉积的ZrN或TiB2涂层比较合适。
. N* z& D8 f2 }涂层系统及服务供应商CemeCon公司总裁Gary Lake也同意TiB2涂层适合用于切削铝合金，但只限于硅含量低于10%的工件材料。他说，当铝合金中的硅含量高于10%时，TiB2涂层就难以有效防止工件材料与刀具材料发生粘结和转移。因此，当硅含量高于10%时，鉴于工件材料的磨蚀性，应该采用CVD金刚石涂层刀具。
" _: P6 X  t6 r! PDavis说，大多数涂层公司将阴极电弧沉积技术应用于各种涂层，因为该方法可将90%以上的靶材蒸发和沉积到刀具上，与其它方法相比．材料浪费很少。“此外，与该工艺有关的动能使涂层具有很好的粘附力。”
阴极电弧沉积工艺的缺点是会在沉积光滑涂层时产生粗大颗粒。Davis将这种粗大颗粒描述为“熔融液滴”，它是种常用的涂层元素——钛。它几乎像一点点飞溅的液滴。这种液滴可能不会妨碍较大刀具的切屑控制，但当刀具尺寸越来越小时，其负面作用就变得越来越明显，此时，刀具涂层商需要调整工艺．使液滴尺寸最小化或避免出现液滴。Davis补充说，还有一种选择，就是涂层后在保持涂层完整性的前提下去除这种液滴。
Davis说，如果这些粗大颗粒保持相同的基本尺寸，刀具的表面纹理就会变得不光滑，有可能会挂住切屑并使切屑挤压在一起。
Lake表示，“涂层中的粗大颗粒对于微尺寸加工是完全无法接受的。采用阴极电弧工艺沉积涂层时，最终会出现金属相的粗大颗粒粘在涂层表面，由于微型刀具很纤细，不能通过抛光去除粗大颗粒，就像通常对较大尺寸刀具所做的那样。”
Lake建议，可以用CemeCon公司提供的离子溅射工艺来替代阴极电弧工艺。离子溅般更适合沉积微型刀具涂层，因为它可以沉积出没有粗大颗粒的光滑薄涂层，涂层厚度可保持在大约1～2 µm之间。
Lake补充说．对硬质合金微型立铣刀进行涂层主要是为了提高生产率．尤其是对那些用于切削难加工材料的刀具。“如果正确地对硬质合金微型刀具涂层将会提高其性能，对于任何其它硬质合金刀具也同样如此。”
: k1 n% G; t/ s姑且不论对微型刀具进行涂层的技术难度，许多商业性涂层公司之所以对此类刀具的涂层犹豫不决，还因为在操作过程中，这些纤细脆弱的刀则尺容易被损坏。据Lake介绍，在涂层工艺中，至少要对刀具实施三个操作步骤，一是把刀具从包装中逐个取出，并移送至清洗架上；二是将刀具转移到涂层装置的夹具上；三是把刀具放回包装中，以便运回制造商那里。“如果送来涂层的刀具完好无损，而你在涂层过程中将其损坏．你就需要赔偿。”
5 f$ k$ x- a) F) I2 p8 p$ s# X假如微型刀具制造商自己有涂层设备，这就不会成为问题．但大多数制造商都没有这种设备．因此只能依靠可能会或多或少损坏一些刀具的外部资源。Lake估计，由于在涂层操作和涂层技术上存在难度．约有95%的微型刀具都没有涂层。
1 |! e' w9 u' Q* Z, {' jHarvey刀具公司将其微型刀具的涂层外包给其他公司，而Davis表示，很难找到一个可以妥善处理脆弱的微型刀具并愿意对其涂层的公司，“刀具尺寸越小，涂层公司就越有可能将其损坏。”
" g+ O. v. S7 _9 }1 x& V3 ^文章关键词： 刀具 涂层