金剛石厚膜刀具切削性能的研究

1 引言
精密、超精密切削加工技術作為現代製造技術中一項至關重要的關鍵技術，已在國防工業、高新技術產業、航空航天等機械加工領域得到廣泛應用。金剛石刀具是實現精密、超精密切削加工不可或缺的關鍵要素。目前使用的金剛石刀具主要包括單晶金剛石刀具、燒結聚晶金剛石刀具等。單晶金剛石刀具資源稀缺，價格昂貴，且容易發生解理作用，已難以適應生產發展的需要。燒結聚晶金剛石刀具由於材料中含有粘結劑，使金剛石的優異切削性能不易得到充分發揮。金剛石厚膜作為一種新型超硬材料，具有諸多優異特性，可望在精密、超精密切削加工領域得到推廣應用。本文對金剛石厚膜刀具的切削性能以及切削用量對加工表面粗糙度的影響進行了試驗研究。
2 金剛石厚膜刀具的製備
金剛石厚膜刀具的製備工藝除金剛石厚膜的沉積外，還包括金剛石厚膜的切割、金剛石厚膜在刀體上的焊接以及金剛石厚膜刀具的刃磨。在本研究項目中，研製開發了機夾式金剛石厚膜刀具。首先用激光切割方法將沉積好的金剛石厚膜切割為等腰直角三角形，然後將金剛石厚膜直接焊接在硬質合金刀片上，製成直角方形金剛石厚膜刀片。焊接時，以金剛石厚膜的底面(即氣相沉積時金剛石厚膜與沉積基體的接觸面)作為刀片前刀面，以較粗糙的金剛石厚膜表面作為焊接面，這樣有助於利用金剛石厚膜表面與焊料層的機械嵌合作用提高焊接強度。圖1所示為焊接后金剛石厚膜與刀片基體的結合狀態。圖中，上半部分為金剛石厚膜，下半部分為硬質合金刀片基體，中間層為焊料層。最後，在瑞士產RS12型工具磨床上對金剛石厚膜刀片進行刃磨。刃磨后金剛石厚膜刀片的刀頭形狀和前、后刀面表面形貌分別。切削加工時，將製備好的金剛石厚膜刀片通過機夾方式固定在刀桿上即可。

金剛石厚膜與硬質合金刀片基體間的結合狀態

金剛石厚膜刀片的刀頭形狀

(a)前刀面 (b)后刀面
金剛石厚膜刀片刃磨后的表面形貌3 金剛石厚膜刀具切削試驗與分析
在上海儀錶機床廠生產的CG6125A型高精度車床上對製備的金剛石厚膜刀具進行切削試驗，研究其切削性能。刀具幾何參數為：Kr=45°，Kr'=45°，re=0.8mm，go=-5°，a=10°。被切削試件為f40mm的LY12鋁合金棒，切削時採用滴油潤滑方式。採用北京時代公司生產的TR240型粗糙度檢測儀測量試件已加工表面粗糙度。
在上述試驗條件下，採用單因素試驗法研究了切削用量對試件加工表面粗糙度的影響。由於試驗所用CG6125A高精度車床採用無級調速進給(可用進給速度vf表示)，且試驗結果表明實際測得的試件加工表面粗糙度值遠大於按進給量f計算的理論粗糙度值，因此在試驗結果分析中直接採用進給速度vf(mm/min)作為進給參數，而未將其轉換為進給量f(mm/r)。根據試驗數據，可得到進給速度vf、切削速度v(m/min)和切削深度ap(mm)對加工表面粗糙度的影響關係曲線分別。

進給速度vf對加工表面粗糙度的影響

切削速度v對加工表面粗糙度的影響

切削深度ap對加工表面粗糙度的影響分析試驗結果可知，試件加工表面粗糙度值隨進給速度vf、切削速度v和切削深度ap的增大而增大，但切削速度v對加工表面粗糙度的影響相對較小。在本試驗條件下，切削過程中未產生積屑瘤。CG6125A高精度車床的最高轉速達2000r/min，在最高轉速附近進行切削加工時產生的機床振動是加工表面粗糙度值隨切削速度的增大而略有增大的原因。如前所述，在本試驗條件下，根據理論殘留面積高度計算出的理論粗糙度值遠小於實際測得的加工表面粗糙度值，因此可認為，因進給速度vf和切削深度ap增大而導致切削過程振動加劇是加工表面粗糙度值增大的主要原因。在vf=8mm/min，v=176m/min，ap=0.04mm的切削條件下，用TALY SURF4型輪廓儀測得的試件加工表面輪廓線，其Ra值為0.15μm，達到了精密切削加工要求。
金剛石厚膜刀具加工的試件表面輪廓曲線4 結論
在本切削試驗條件下，用制