CVD金剛石涂層工藝對硬質(zhì)合金立銑刀銑削CFRP性能的影響

楊小璠， 李友生， 李凌祥， 王 玨， 沈志煌

(1. 集美大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 福建 廈門361021)(2. 廈門金鷺特種合金有限公司， 福建 廈門361100)

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP) 具有輕質(zhì)、高強度、抗疲勞、耐腐蝕和可設(shè)計性強等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、能源等領(lǐng)域[1]。一般CFRP制件的成形主要采用近凈成形技術(shù)，但成形后因精度要求或裝配需要，常需進行銑削加工。CFRP屬于典型的難加工材料：加工過程中，高硬度、低導(dǎo)熱性的碳纖維增強相會嚴(yán)重磨損刀具，同時切削區(qū)的局部高溫會加速刀具刃口磨損；銑削后材料易產(chǎn)生毛刺、撕裂、分層等加工缺陷[2]。傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金銑刀已不能滿足其加工要求，需增加耐磨涂層。金剛石薄膜因硬度高、導(dǎo)熱率高及摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，成為制作CFRP刀具耐磨涂層的理想材料[3]。

化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石涂層刀具的制備原理是在一定的溫度與壓力下，使含碳的反應(yīng)源氣體分解后生成碳自由基，在硬質(zhì)合金刀具基體表面生長出金剛石薄膜。由于其制備過程不受刀具形狀限制，涂覆后刀具可以直接使用，適用于制備復(fù)雜形狀的刀具如銑刀、鉆頭等。有關(guān)金剛石涂層刀具銑削CFRP的應(yīng)用，國內(nèi)外專家學(xué)者在CVD沉積工藝參數(shù)、刀具基體表面預(yù)處理、切削參數(shù)以及銑削方式等方面開展了相應(yīng)的研究[4-8]。目前尚未見到不同金剛石涂層工藝對硬質(zhì)合金刀具切削CFRP性能影響的相關(guān)報道。

我們在研究CFRP的切削加工特點的基礎(chǔ)上，有針對性地開發(fā)了3種硬質(zhì)合金基體相同、涂層工藝和薄膜結(jié)構(gòu)不同的金剛石涂層銑刀，并在相同切削條件下用3種刀具加工CFRP；對金剛石涂層立銑刀的使用壽命和刀具磨損機理進行分析，研究不同金剛石薄膜結(jié)構(gòu)對刀具銑削CFRP性能的影響，尋找合適的涂層工藝，以推動解決CFRP的切削加工難題。

1 金剛石涂層立銑刀的制備

試驗選用Cemecon金剛石涂層設(shè)備(如圖1所示，型號：CC800/9 Dia)，在相同的硬質(zhì)合金刀具基體上沉積3種不同涂層工藝特點的CVD金剛石薄膜。

刀具基體材料為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Co，其余為WC；刀具規(guī)格為φ6 mm×15 mm×50 mm(刃徑×刃長×全長)，4齒、右螺旋角40°、圓周前角5°、圓周后角10°。

刀具涂層工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 Cemecon金剛石涂層設(shè)備

序號涂層工藝涂層時間T/h涂層膜厚t/μmsp3鍵數(shù)量占比a粗晶工藝 228～10約97%b細晶工藝 228～10約90%c復(fù)合晶工藝228～10約94%

注：所有涂層均為CVD金剛石涂層。

圖2所示為3種不同涂層工藝下金剛石薄膜的表面形貌SEM圖。從圖2中可以看出：圖2a中粗晶金剛石涂層表面呈塊狀結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸2～4 μm，金剛石顆粒間的結(jié)合處有微小間隙；圖2b中細晶金剛石涂層表面呈球形結(jié)構(gòu)，由更細小的球形結(jié)構(gòu)簇聚而成，平均顆粒尺寸1～2 μm，金剛石顆粒間的結(jié)合比粗晶涂層上金剛石顆粒間的結(jié)合更致密；圖2c中復(fù)合晶金剛石

(a) 粗晶金剛石涂層表面形貌(b) 細晶金剛石涂層表面形貌(c) 復(fù)合晶金剛石涂層表面形貌圖2 不同涂層工藝下金剛石薄膜的表面形貌SEMFig. 2 SEMs of diamond film deposited at different parameters

涂層是由粗晶金剛石和細晶金剛石交叉生長而成，其晶粒結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為椎體結(jié)構(gòu)，大晶粒之間填充小晶粒，減少晶粒間的間隙，形成非常致密的復(fù)合晶金剛石涂層。用拉曼光譜檢測3種不同薄膜中金剛石的成分和含量，發(fā)現(xiàn)粗晶金剛石涂層中sp3結(jié)構(gòu)的金剛石成分達97%左右，細晶金剛石涂層中sp3結(jié)構(gòu)的金剛石成分約90%，復(fù)合晶金剛石涂層的則介于兩者之間[9]。

2 試驗條件

試驗工件材料選用厚度為7.7 mm的T700碳纖維樹脂基復(fù)合材料，層鋪方式為[0°/90°/±45°]，碳纖維體積分?jǐn)?shù)約為65%。銑削試驗在福裕立式加工中心QP2033-L上進行，刀柄BT40-KMC32-105，試驗刀具如圖3所示。

圖3 試驗中使用的銑刀

試驗加工條件如表2所示，當(dāng)立銑刀的圓周刃后刀面磨損量超過0.1 mm即停止切削試驗。試驗后選用Keyence光學(xué)顯微鏡(型號：VK-X100)和掃描電子顯微鏡(型號：S-3700N)觀察刀具后刀面的磨損形貌并測量磨損量VB。

表2 碳纖維復(fù)合材料的銑削加工條件

3 試驗結(jié)果與分析

圖4所示為3種刀具側(cè)銑碳纖維復(fù)合材料時刀具后刀面的磨損曲線。從圖4中可以看出：隨切削長度的增加，細晶金剛石涂層的立銑刀后刀面磨損最快，其次是粗晶金剛石涂層銑刀，復(fù)合晶金剛石涂層銑刀的后刀面磨損最慢。以銑刀圓周刃后刀面平均磨損量VB=0.1 mm為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。在達到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時，細晶金剛石涂層銑刀的切削距離為85 m，粗晶金剛石涂層銑刀的切削距離為100 m，復(fù)合晶金剛石涂層銑刀的切削距離可達135 m。相同切削條件下，復(fù)合晶金剛石涂層銑刀的使用壽命最長，約為粗晶金剛石涂層銑刀的1.35倍、細晶金剛石涂層銑刀的1.59倍。

圖4 刀具后刀面的磨損曲線

圖5所示為復(fù)合晶金剛石涂層硬質(zhì)合金立銑刀在不同切削距離時圓周刃后刀面的磨損形貌。從圖5中可以看出：當(dāng)切削距離為30 m時，后刀面的磨損不明顯，僅有金剛石涂層磨損，未露出硬質(zhì)合金基體；切削距離達70 m時，露出硬質(zhì)合金基體；當(dāng)切削距離為100 m時，被磨掉的金剛石涂層范圍不斷擴大，刃口處

(a)切削距離L=30m(b)切削距離L=70m(c)切削距離L=100m(d)切削距離L=135m圖5 復(fù)合晶金剛石涂層銑刀的圓周刃磨損形貌Fig.5Toolwearmorphologyofcompound-diamondcoatedtool

硬質(zhì)合金基體的磨損痕跡越來越明顯，整個磨損帶比較均勻；切削距離達到135 m時，磨損帶寬度越來越大，磨損痕跡清晰，磨損形式以磨粒磨損為主，刀具達到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

圖6所示分別為細晶和粗晶金剛石涂層立銑刀磨鈍時圓周刃后刀面磨損形貌，其磨損區(qū)域同樣可觀察到高硬度碳纖維顆粒在被磨掉金剛石涂層后的硬質(zhì)合金基體上滑擦?xí)r留下的機械犁溝。[10]

(a)細晶金剛石刀具(L=85m)(b)粗晶金剛石刀具(L=100m)圖6 磨鈍后涂層刀具的圓周刃后刀面磨損形貌Fig.6Wearmorphologyofflankofcoatedtoolswhenworn

圖7所示為3種不同金剛石涂層工藝的硬質(zhì)合金立銑刀后刀面磨損SEM照片。

從圖7中可以觀察到：金剛石涂層工藝不同，刀刃處裸露的硬質(zhì)合金基體與后刀面磨損區(qū)之間的邊界涂層磨損形式也不同。圖7b中細晶金剛石涂層工藝裸露的硬質(zhì)合金基體寬度最寬，基體與后刀面磨損區(qū)交界的邊界涂層磨損非常均勻，在后刀面磨損區(qū)可以發(fā)現(xiàn)明顯的碳纖維顆粒與涂層摩擦的痕跡；圖7a和圖7c中粗晶和復(fù)合晶工藝裸露的硬質(zhì)合金基體寬度較小，基體與后刀面磨損區(qū)間的邊界涂層并不是均勻磨損，邊界涂層均存在微崩現(xiàn)象，后刀面磨損區(qū)的碳纖維顆粒與涂層摩擦的痕跡比圖7b輕微。

細晶金剛石涂層立銑刀的邊界涂層磨損均勻主要是由于該涂層的結(jié)構(gòu)由1～2 μm的細晶金剛石顆粒所構(gòu)成，sp3值僅為90%左右，涂層的硬度相對較低，耐磨性較差。在切削過程中涂層受力均勻，呈現(xiàn)出均勻磨損形式。粗晶金剛石涂層分布的金剛石晶粒尺寸較大，同時涂層的sp3值可達97%左右，涂層硬度較高，耐磨性較好，粗晶工藝對應(yīng)的刀具裸露出的硬質(zhì)合金基體寬度更窄。

隨切削進行，由于粗晶涂層的晶界明顯、晶粒之間有微小間隙，切削過程中持續(xù)受到摩擦沖擊，容易發(fā)生涂層微崩刃，導(dǎo)致基體與后刀面磨損區(qū)間的邊界涂層并不是均勻磨損。復(fù)合晶金剛石涂層工藝的sp3值為94%左右，涂層中同時分布著粗粒度的金剛石顆粒和細粒度的金剛石顆粒，細晶粒填充在粗顆粒間，形成更牢固的椎體結(jié)構(gòu)。復(fù)合晶涂層工藝有效提高了涂層耐磨性的同時兼顧了涂層的抗沖擊性能，從而保證了刀具更高的切削壽命。

(a) 粗晶金剛石涂層刀具

(b) 細晶金剛石涂層刀具

(c) 復(fù)合晶金剛石涂層刀具

4 結(jié)論

在相同的硬質(zhì)合金立銑刀基體上，分別制備了粗晶、細晶、復(fù)合晶3種不同涂層工藝的CVD金剛石薄膜。

(1)通過掃描電鏡觀察：粗晶金剛石涂層表面晶粒呈塊狀結(jié)構(gòu)；細晶金剛石涂層表面晶粒呈球形結(jié)構(gòu)；復(fù)合晶金剛石涂層表面晶粒呈錐體結(jié)構(gòu)。

(2)粗晶金剛石涂層硬度高，耐沖擊，但晶界明顯，易產(chǎn)生涂層微崩；細晶金剛石涂層結(jié)構(gòu)致密，但硬度較低；復(fù)合晶金剛石涂層結(jié)合了粗晶和細晶工藝的優(yōu)點，耐磨性最優(yōu)。

(3)在相同的切削條件下對碳纖維復(fù)合材料進行銑削加工試驗，復(fù)合晶工藝的金剛石涂層銑刀使用壽命最長，約為粗晶金剛石涂層銑刀的1.35倍、細晶金剛石涂層銑刀的1.59倍，更適合于碳纖維復(fù)合材料的銑削加工。

參考文獻：

[1] 蘇飛. 碳纖維增強復(fù)合材料切削加工技術(shù)及其應(yīng)用研究 [D] . 南京: 南京理工大學(xué), 2015: 11-17.

SU Fei. The cutting process technology and its application of carbon fiber-reinforced plastic [D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2015: 11-17.

[2] 何耿煌, 李凌祥, 程程, 等. 工件材料可切削性對可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具加工經(jīng)濟性影響規(guī)律研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2017, 37(6): 62-69.

HE Genghuang, LI Lingxiang, CHENG Cheng, et al. Research on the influence of the machinability of work-piece material on the economic performance of index-able cemented carbide tool [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2017, 37(6): 62-69.

[3] 周井文, 陳燕, 傅玉燦, 等. 進給速度對不同纖維方向CFRP銑削表面形貌的影響 [J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2015, 32(2): 370-377.

ZHOU Jingwen, CHEN Yan, FU Yucan, et al. Influence of feed speed on surface morphology of CFRP with different fiber directions during milling [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2015, 32(2): 370-377.

[4] 徐銀超, 陳浩, 曾滔, 等. 切削參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料制孔質(zhì)量的影響 [J]. 硬質(zhì)合金, 2016, 33(5): 336-341.

XU Yanchao, CHEN Hao, ZENG Tao, et al. Influence of process parameters on drilling quality of CFRP materials [J]. Cemented, 2016, 33(5): 336-341.

[5] 何耿煌, 李凌祥, 鄒伶俐, 等. 亞微觀倒棱切削刃對硬質(zhì)合金刀片切削性能的影響特性研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2017, 37(3): 46-54.

HE Genghuang, LI Lingxiang, ZOU Lingli, et al. Influence characteristic of submicroscopic chamfering cutting edge on the cutting property of cemented carbide insert [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2017, 37(3): 46-54.

[6] TOMES C D, HEANEY P J, SUMANT A V, et al. Analyzing the performance of diamond-coated micro end mills [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, 49(7): 599-612.

[7] HE Genghuang, LIU Xianli, WEN Xiao, et al. An investigation of the destabilizing behaviors of cemented carbide tools during the interrupted cutting process and its formation mechanisms [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 89(5-8): 1959-1968.

[8] 何耿煌, 吳沖滸, 劉獻禮, 等. 斷續(xù)切削過程硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片破損行為研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2015, 35(3): 10-16.

HE Genghuang, WU Chonghu, LIU Xianli, et al. Research on damage behavior of cemented carbide indexable insert in intermittent cutting process [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2015, 35(3): 10-16.

[9] 鄧福銘, 陳立, 鄧雯麗, 等. 微/納米金剛石復(fù)合涂層刀具的制備及切削試驗 [J]. 人工晶體學(xué)報, 2015, 44(10): 2728-2733.

DENG Fuming, CHEN Li, DENG Wenli, et al. Preparation of micro/nano diamond composite coating tools and cutting tests [J]. Journal of Synthetic Crystals, 2015, 44(10): 2728-2733.

[10]張建國. 高性能金剛石涂層制備及其在CFRP鉆削中的應(yīng)用研究 [D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2014: 18-22.

ZHANG Jianguo. Study on the fabrication of high-performance diamond coatings and their application in CFRP drilling [D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2014: 18-22.