CVD金剛石厚膜刀具應用廣泛

   化學氣相沉積(CVD)金剛石作為一種新型超硬刀具材料，為金剛石刀具的應用開辟了新的途徑。CVD金剛石刀具主要有兩種類型：CVD金剛石薄膜涂層刀具和CVD金剛石厚膜焊接刀具。目前來說，CVD金剛石厚膜刀具的應用比較廣泛。 
一、CVD金剛石薄膜涂層刀具
CVD金剛石薄膜涂層刀具是指通過CVD方法在一定溫度下使金剛石沉積于某些基體(通常為K類硬質(zhì)合金)刀片上的刀具，其金剛石膜厚度約為10～30µm。 
CVD金剛石薄膜涂層刀具因金剛石厚度較薄，難于刃磨，前、后刀面及刃口質(zhì)量較差，只適用于粗加工、半精加工和復雜形狀刀具。粗加工的切削較大，當金剛石與基體間的附著力不足以抗拒切削力的破壞時，金剛石膜就會脫落。這種刀具加工出的工件表面粗糙度一般大于Ra0.2µm。 
盡管目前國內(nèi)CVD薄膜涂層刀具的應用尚處于萌芽狀態(tài)，但隨著CVD金剛石生長技術的提高，CVD金剛石基團顆粒的大小已經(jīng)由40～50µm縮小到十幾甚至幾個納米，從而出現(xiàn)了納米金剛石。如美國阿貢國家實驗室(Argonne Nat. Lab)的Dr. Gruen D.M已經(jīng)生長出質(zhì)量良好、表面為鏡面(表面*高峰與*低峰間距為15nm)、任意厚度的納米金剛石膜，而且其涂層的附著力足夠。相信其對涂層刀具的應用有所促進。 
二、CVD金剛石厚膜焊接刀具
CVD金剛石厚膜焊接刀具是先把切割好的CVD金剛石厚膜一次焊接至基體(通常為K類硬質(zhì)合金)上，形成復合片，然后拋光復合片，二次焊接至刀體上，刃磨成需要的形狀和刃口。 
制造工藝流程：高品質(zhì)的CVD金剛石膜的制備→激光切割→一次焊接成復合片→復合片拋光→二次焊接至刀體上→刃磨→檢驗。下面介紹幾個關鍵工序，如切割，焊接，拋光和刃磨等。 
激光切割 
CVD金剛石膜硬度高、不導電(現(xiàn)已有導電型CVD金剛石，但其電阻率很大)、耐磨性極強，常規(guī)的機械加工和線切割等方法不適合于CVD金剛石厚膜的切割。高效的加工方法是激光切割。 
一次焊接 
一次焊接是指在真空條件下將CVD金剛石厚膜焊接至某些基體上，形成復合片。金剛石與一般金屬間的可焊接性極差。目前，金剛石厚膜刀具的焊接工藝主要采用表面金屬化的方法。焊料為含鈦的銀銅合金，鈦的作用是在焊接加熱過程中與金剛石膜表面反應，產(chǎn)生TiC中間層，使金剛石膜表面金屬化，從而提高焊接強度。 
焊接用基體通常為K類硬質(zhì)合金。在高真空條件下，采用擴散焊加釬焊的工藝，Ag—Cu—Ti合金作中間層，將金剛石厚膜焊接在硬質(zhì)合金基體上，焊接強度滿足切削加工要求。 
復合片拋光 
拋光的目的是把刀片上表面(即前刀面)拋光成鏡面，一般要求達到Ra0.1µm以下。刀具前刀面拋光后可以減少與切屑的摩擦與粘結(jié)，延長刀具壽命；同時還可以改善刀刃的平整度與鋒利性，提高切削加工的精度。復合片的拋光用專門的拋光機。 
二次焊接 
二次焊接是指將復合片焊接至刀體上。所用設備多為高頻感應焊接設備，所用焊料為銀銅焊料和釬劑。焊接溫度為650～700℃之間。溫度不可過高，焊接過程中應保持各焊接面干凈。合理選用釬劑有利于提高焊接強度和改善復合片基體與刀體材料的焊接性能。一般來說二次焊接的強度為180～200MPa，可滿足金剛石刀具切削加工的要求。 
另外，為了改善刀具的外觀，可以用油石條磨掉多余的銀銅，用噴砂法去除表面氧化層，用表面鍍Ni法或用鈍化液浸泡防止刀體的氧化生銹。 
刃磨CVD金剛石有很高的硬度和耐磨性，刃磨極為困難。目前普遍采用類似PCD刀具的刃磨方法。 
設備：采用專門的工具磨床，設備廠家有英國COBORN公司、臺灣KARMAM公司、瑞士EWAG公司和北京迪安公司等。其主要功能包括：直刃磨削和圓弧磨削，圓弧磨削又包括圓錐后刀面和圓柱形后刀面的形成以及圓錐與圓柱后刀面的組合等。為了實現(xiàn)這些功能，要求機床的主要運動包括：機床主軸(砂輪)的旋轉(zhuǎn)運動；主軸的往復直線運動；刀架的回轉(zhuǎn)運動，配合顯微鏡或投影儀*對準回轉(zhuǎn)中心，得到不同的刀尖圓弧半徑等。 
砂輪：刃磨所用砂輪為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，刃磨工藝分為粗磨、半精磨和精磨等。砂輪粒度范圍為250～325至W10～07。為了提高刃口質(zhì)量，有時還需研磨、拋光等工藝，所用粒度更細，甚至為1～3µm。為了得到高質(zhì)量的刃口，通常采用嵌砂的鑄鐵盤進行研磨。 
刃磨：刃磨過程中，需加冷卻液，并應注意砂輪的修整，通常用適合的油石條正確地修整砂輪可以提高刃磨效率和改善刃磨質(zhì)量。由于CVD金剛石的抗沖擊性能不如PCD金剛石，因此有些特殊要求的刀具刃磨后的刃口應倒鈍，一般為0.02～0.03mm。
檢驗 
刀具刃口質(zhì)量情況的檢驗通常用放大倍數(shù)為40～80倍的工具顯微鏡來觀察。普通刀具的刃口鋸齒度≤0.02mm。對于精度更高的刀具，通過研磨拋光后，刃口鋸齒度≤0.005mm。另外，加工不同的工件材料，對刀具刃口質(zhì)量的要求也有差異，刃磨CVD金剛石刀具應從實際應用情況出發(fā)，一味地追求高質(zhì)量的刃口，這樣既降低生產(chǎn)效率，又增加生產(chǎn)成本。
三、CVD金剛石膜刀具加工復合材料的切削實驗
加工金屬基SiC顆粒加強復合材料(SiCp/LY12) 
CVD厚膜金剛石焊接刀具連續(xù)切削SiCp/LY12復合材料(HV>3000，SiCp所占重量比30%，粒度28µm)。刀具磨損曲線如圖1所示。

v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.3mm
圖1 不同材料刀具加工SiCp/LY12復合材料的VB-t曲線(干切) 
刀具幾何參數(shù)： 
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。
從圖1可以看出，TFD(CVD金剛石厚膜)刀具在加工38min時的后刀面磨損VB值約為0.05mm，PCD刀具約為0.16mm，厚膜刀具的耐磨性明顯高于PCD刀具。其原因是金剛石厚膜是由純金剛石晶粒組成的聚晶材料，而PCD金剛石是由金屬Co、Ni作為粘接劑將金剛石燒結(jié)在一起的聚晶材料，金屬Co使PCD刀具的耐磨性能有所降低。PCBN刀具的磨損比PCD和CVD厚膜刀具快得多，而細晶粒硬質(zhì)合金YS8刀具則根本不能勝任。在生產(chǎn)中，應優(yōu)選CVD厚膜或PCD刀具。 
加工樹脂基玻璃纖維加強復合材料(GFRP) 
圖2所示為PCBN、CVD金剛石薄膜和厚膜加工GFRP時的耐磨性曲線。

v=80m/min，f=0.1mm/r，ap=0.3mm
圖2 不同材料刀具加工GFRP復合材料的VB-t曲線(干切) 
刀具幾何參數(shù)： 
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°
從圖2可以看出，CVD厚膜刀具的耐磨性*好，CVD薄膜刀具次之，PCBN刀具更次之。GFRP的主要成分是SiO2(85HRA)，加工時摩擦力較大，又是干切，故加工時溫度較高，能導致刀具切削刃和后刀面的較快磨損。GFRP材料比SiCp/LY12的加工難度小，刀具壽命較長，實驗用的三種刀具均可在生產(chǎn)中應用。
總之，無論是CVD金剛石薄膜涂層刀具，還是CVD金剛石厚膜焊接刀具，如果能充分利用其優(yōu)良的性能，取其之長，避彼之短，其應用前景是很好的。同時，一方面應繼續(xù)提高CVD金剛石膜的生長技術，使其性能更加優(yōu)良；另一方面，應改進CVD金剛石刀具的制造技術，使其更廣泛地應用于各個領域。