前言、由于切削刀具的涂層有益于宏觀尺寸的加工，因此人們可能有理由推論，刀具涂層也會有利于微小尺寸加工。如果能合理應用涂層，且涂層厚度足夠薄，不會鈍化微切削刃，可能某些研究人員會同意這種觀點。然而，這些研究人員尚未最后確定微型刀具涂層是否有利于加工，以及涂層的最佳方式。
為了了解如何更有效地對微型刀具進行涂層，一些大學正在開展相關研究。本文是大學的一些研究成果，包括在微型刀具上沉積金剛石和其它涂層、確定首選的涂層方法，以及研究不同工件材料對涂層刀具的反應。
一、應用日益增多的金剛石涂層
對金剛石涂層的挑戰之一是涂層與刀具表面的粘附性能。由威斯康星大學麥迪遜分校、賓夕法尼亞大學和阿貢國家實驗室的研究人員組成的研究團隊在微型立銑刀上沉積了一層過渡層，以增強金剛石的粘附性能，并用由氫氟酸、硝酸和去離子水組成的溶液對300μm的雙槽微型立銑刀進行了蝕刻試驗。據威斯康星大學麥迪遜分校機械工程系助理教授Flank E. Pfefferkorn介紹，該試驗的目的之一是在硬質合金基體與金剛石涂層之間創建一種機械連結。
Pfefferkorn和賓州大學機械工程和應用力學系副教授Robert W. Carpick(他在威斯康星大學麥迪遜分校時曾致力于金剛石涂層的研究)及其研究生和合作伙伴在篇題為“金剛石涂層微型立銑刀：能對鋁件進行微尺寸于切削”的論文中指出鈷結合劑可以增強刀具的韌性，但會削弱金剛石涂層與基體之間的結合強度，并通過限制晶核形成而抑制金剛石的生長。Pfefferkorn表示，“從基體表面去除鉆的主要原因是它會妨礙金剛石生長。”
去鈷處理時，需要有選擇地蝕刻掉最適當的含鈷量，而不會過分削弱本身已很纖細的微型刀具為了防止去除太多的鉆并影響刀具的完整性，刀具的含鈷量(重量比)必須不超過6%～8%。Pfefferkorn說，“我們將很薄的表層中的鈷全部蝕刻掉，以防止它影響金剛石的生長過程。我們通過控制蝕刻深度，使其對刀具完整性的影響降至最小。”
該論文指出，威斯康星大學麥迪遜分校的研究團隊在完成蝕刻后進行了引晶操作：在丙酮中利用超聲波處理，用納米金剛石粉在基體上沉積金剛石微粒。引種的晶粒起到了定位作用，金剛石在該處開始生長(即形核)。納米金剛石粉結塊會導致引晶不均勻，并造成金剛石的生長不均勻，因此，研究人員采用在酒精溶液中進行超聲波清洗的方法，以確保去除大的晶粒團塊，從而實現均勻引晶。
然后，采用該研究團隊自行設計和制造的熱絲化學氣相沉積系統，在刀具上生長出了納米晶粒和細顆粒金剛石(Carpick確認，納米晶粒金剛石的粒度為10～100μm，細顆粒金剛石的粒度大于100nm，小于300nm)。該沉積系統包括一個沉積室，其中，溫度至少保持在1800℃的鎢絲周圍充滿保護氣體(特別是在氫氣中稀釋過的甲烷)。
沉積得到的涂層厚度約為60～200μm。普通刀具的金剛石涂層厚度為2μm或更厚，而這對于微型刀具而言太厚了，因為未涂層微型刀具的切削刃半徑常常不到1μm。Carpick說，“用于大尺度刀具的涂層厚度完全不適合用于微型刀具，它將使刀具鈍化，并因此大大降低其切削性能”。
Pfefferkorn認為，事實上，微型刀具的幾何特征并不像所希望的那樣精確，“對于切削時所產生的切屑載荷而言，微型立銑刀的切削刃半徑已經比我們所期望的更大”。
除了與具有熱絲CVD沉積經驗的研究人員合作以外，該團隊之所以選擇這種沉積工藝，是因為用其它CVD方法(如基于等離子體的沉積方法)沉積的涂層厚度變化較大，有較多材料被沉積在刀尖上，Pfefferkorn說，“在鋒利的切削刃上生長出個球形物，就像狗骨頭樣。我并不是說熱絲CVD是唯一可以使用的方法，選擇該方法的個理由是因為它不會產生這種‘狗骨效應’。”
涂層不僅要薄．而且必須與基體有良好的粘附性，同時還應連續和光滑，盡管后一種特性很難量化。Carpick說：“對于光滑性，我們正在努力消除對建立合適模型的局限，因此，我們還不能確切知道涂層需要有多光滑。我們也認為，略有一點粗糙可能是有益的，因為它或許有助于防止工件材料粘結到刀具上。”
由于納米晶粒金剛石涂層可以非常薄，因此可以適應基體表面形貌，包括刀具磨削加工產生的磨痕以及酸蝕處理造成的裂紋，微米晶粒涂層可以覆蓋這些表面缺陷。Pfefferkorn說，“微型刀具已經相當粗糙，我們不需要使它們更粗糙。”
二、鋁的立銑加工
據Carpick介紹，該團隊的分院重點集中在用涂層微型立銑刀加工6061-T6鋁材料，因為業界希望增加該材料在各種零件(包括發動機缸體)制造中的應用。此外，鋁很容易粘結到硬質合金刀具上，但不容易粘結到金剛石刀具上因為金剛石的摩擦系數較小、粘結性較低。為了進行切削試驗．研究人員在哈斯TM-1數控銑床上安裝了一個電驅動和帶陶瓷軸承的 高速電主軸。在全部試驗中，該高速主軸的轉速為4000r/min，給定進給率為500mm/min。Performance Micro Tool公司為試驗提供了微型立銑刀。試驗采用于切削，但有一套裝有兩個噴嘴的濕度控制系統吹出濕潤空氣通過刀尖。Carpick說，“濕潤的加工環境會顯著降低刀具的摩擦和磨損。”
“干切削時，施加于金剛石涂層刀具上的切削力要低于用未涂層硬質合金刀具在切削液噴霧冷卻條件下進行切削時的切削力。”
Pfefferkorn補允說．無論是否使用切削液噴霧冷卻，鋁屑都會粘附在未涂層刀具上。
在“金剛石涂層微型立銑刀性能分析”論文中對切削力和軸向推力數據的分析顯示，分別采用未涂層立銑刀、0.5～1μm厚的細晶粒金剛石涂層立銑刀和200nm厚的納米金剛石涂層立銑刀干銑削6061-T6鋁時，所需的切削力大小有明顯改善：主切削力和軸向推力分別從未涂層刀具的2.14N(±0.85N)和4.40N(±0.44N)降至細晶粒金剛石涂層刀具的0.49N(±0.09N)和0.34N(±0.04N)，而納米金剛石涂層刀具則進步將切削力和軸向推力減小至0.18N(±0.07N)和0.17N(±0.02N)。這些數據表明，涂層刀具的切削力和軸向推力更均衡，而未涂層刀具的軸向推力卻是切削力的兩倍。切削力的減小應歸功于金剛石涂層更小的摩擦和粘結。
因此，Pfefferkorn懷疑，鋁容易與硬質合金發生粘結是用未涂層刀具切削時軸向推力較大的原因。立銑是種斷續切削過程．由于切削刃只在180°旋轉范圍內切削工件，因而很少產生連續切屑。而在干切削時，未涂層立銑刀偶爾也會產生連續切屑，這是因為一個新產生的切屑粘結在排屑槽表面．在下一個新產生的切屑被推向它、基本上與它焊在一起后才被帶走。Pfefferkorn認為，“必須有足夠大的力才能使切屑相互推擠”。
微銑削試驗還發現．金剛石涂層立銑刀加工表面的刀痕更規則、更均勻，而米涂層刀具的加工表面光潔度不均勻，這表明在切削過程中產生了大量切削熱。Carpick說．“切削中產生的熱量對微型刀具有很大影響，尤其是在高速加工中”
該研究論文指出，這些性能提升只有在金剛石涂層的耐用度足夠長時才能獲得。約有80%的細晶粒金剛石涂層刀具和40%的納米金剛石涂層刀具出現了涂層剝落現象，而這種情況通常發生在切削開始幾分鐘以后。涂層剝落后原來的涂層刀具或者表現出與未涂層刀具類似的性能，或者突然發生完全失效。因此．下步需要研究如何改善涂層的粘附性能。
三、減少切削熱
關于在微切削時所產生的切削熱，其他些大學的研究者得出了不同的結論。普渡大學的研究認為，微型切削刀具不會產生大量切削熱。普渡大學機械工程技術系副教授Mark Jackson表示，這是因為微型刀具需要高速旋轉，產生的任何熱量都立即被切屑一起帶走．這些切屑雖然很細小．但具有很大的表面積脈積比。
Jackson說，“涂層的作用并不是帶走熱量，因為所產生的熱量非常小”。他指出．加工時，主軸速度范圍為250,000～750,000r/min (取決于工件材料和載荷情況)，刀尖溫度為27～33 ℃。
曾與Jackson一起從事涂層研究的前普渡大學博士Grant Robinson同意這一觀點，“在宏觀尺度下為減少和帶走熱量而設計的涂層在微觀尺度下完全沒有必要，因為在微觀尺度下，切削熱并不是導致刀具磨損的原因。主要原因是由機械力(而并非熱力)引起的機械磨損”。因此，他指出，用于微型刀具的涂層只需要用于改善刀具的耐磨性。
為了確定微加工時的溫升，普渡大學的研究人員進行了有限元計算．研究了被加工材料中些熔點相對較低的元素(如硫、鈣、鉀等)。Robinson解釋說，“如果在加工一種熔點為50℃的元素時，看到了熔化跡象(如小的熔化液滴)，就可以說切削溫度約為50℃。但我們沒有看到任何熔化的跡象，因此我們斷定，微尺度切削不會產生大量切削熱。”
由于切削溫度較低，因此加工時不需要使用冷卻液，但普渡大學的研究人員將壓縮空氣引向切削區．以幫助排屑和使工件材料加速氧化。Jackson解釋說，“如果金屬沒有快速氧化，摩擦系數就會增大(甚至包括涂層刀具也是如此)，從而導致溫度升高．因為這樣會產生金屬與金屬的粘結，而不是金屬與氧化物的粘結”。
試驗加工的金屬包括1020 低碳鋼、D-2工具鋼、銅、黃銅以及各種會迅速應變硬化的軟材料．如妮、鉭、鎢等。
研究人員主要試驗了可供商業性應用的、直徑250～750μm的硬質合金立銑刀，這些刀具被送到一家主要的刀具涂層商那里進行PVD涂層。涂層種類包括TiN 、TiAlN、AlTiN、TiAlCrYN、CrN和TiAlCrZrN。Jackson說，“我們試驗了20～30種涂層。”為了避免鈍化切削刃．涂層厚度范圍控制在300nm～2μm，并將其與厚度范圍3～5μm的常規刀具涂層進行了對比。
四、涂層以外的其他問題
與那些認為在微加工中．刀具涂層能夠提高生產率和延長刀具壽命的觀點相反，Robinson認為，為了有效形成切屑和正確進行微加工，微型刀具必須從根本上重新進行設計。這是因為，用常規設計的刀具進行微觀尺度加工時，需要克服刃口半徑與切屑厚度的比例問題。他解釋說，對于某一特定的切削刃圓弧半徑，也有一個特定的未切削最小切屑厚度。“換言之．對于某刃口半徑，必須有一個特定的材料切削深度，才能形成切屑。”
他繼續解釋說事實上微型刀具旋轉得如此之快，以至于每轉可能只前進1nm，而對于未切削切屑厚度而言，要達到形成切屑所需的臨界水平，這一距離是遠遠不夠的。當刀具一邊旋轉一邊前進時，只是在磨擦(而不是切削)工件材料。在達到形成切屑的臨界值之前，可能需要旋轉數百轉——也許無需那么多。Robinson說．“我不認為有人已經找出了刃口半徑與切屑厚度比的臨界值。”而沒有這一信息，對按常規方法設計的微型刀具進行涂層，將會進一步妨礙它正確切削。
“在微切削領域．還有大量有關切削機理的問題沒有獲得解答，或許我還需要繼續為此忙碌30年。”Jackson如是說。
五、合理選用微型刀具涂層
Harvey刀具公司技術副總裁Jeff Davis認為，刀具涂層特別有益于難加工材料的微細加工，“那些難加工材料含有大量鎳和鈷，通常需要用涂層刀具加工。”不過，對于其它材料則不能這么說。
Davis指出，“切削鋁或塑料時，肯定沒有必要或不必強制使用涂層，用未涂層刀具切削鋁已成為慣例。”但也有例外，就是希望盡量減少換刀的生產車間。在這種情況下，采用PVD沉積的ZrN或TiB2涂層比較合適。
涂層系統及服務供應商CemeCon公司總裁Gary Lake也同意TiB2涂層適合用于切削鋁合金，但只限于硅含量低于10%的工件材料。他說，當鋁合金中的硅含量高于10%時，TiB2涂層就難以有效防止工件材料與刀具材料發生粘結和轉移。因此，當硅含量高于10%時，鑒于工件材料的磨蝕性，應該采用CVD金剛石涂層刀具。
Davis說，大多數涂層公司將陰極電弧沉積技術應用于各種涂層，因為該方法可將90%以上的靶材蒸發和沉積到刀具上，與其它方法相比．材料浪費很少。“此外，與該工藝有關的動能使涂層具有很好的粘附力。”
陰極電弧沉積工藝的缺點是會在沉積光滑涂層時產生粗大顆粒。Davis將這種粗大顆粒描述為“熔融液滴”，它是種常用的涂層元素——鈦。它幾乎像一點點飛濺的液滴。這種液滴可能不會妨礙較大刀具的切屑控制，但當刀具尺寸越來越小時，其負面作用就變得越來越明顯，此時，刀具涂層商需要調整工藝．使液滴尺寸最小化或避免出現液滴。Davis補充說，還有一種選擇，就是涂層后在保持涂層完整性的前提下去除這種液滴。
Davis說，如果這些粗大顆粒保持相同的基本尺寸，刀具的表面紋理就會變得不光滑，有可能會掛住切屑并使切屑擠壓在一起。
Lake表示，“涂層中的粗大顆粒對于微尺寸加工是完全無法接受的。采用陰極電弧工藝沉積涂層時，最終會出現金屬相的粗大顆粒粘在涂層表面，由于微型刀具很纖細，不能通過拋光去除粗大顆粒，就像通常對較大尺寸刀具所做的那樣。”
Lake建議，可以用CemeCon公司提供的離子濺射工藝來替代陰極電弧工藝。離子濺般更適合沉積微型刀具涂層，因為它可以沉積出沒有粗大顆粒的光滑薄涂層，涂層厚度可保持在大約1～2 μm之間。
Lake補充說．對硬質合金微型立銑刀進行涂層主要是為了提高生產率．尤其是對那些用于切削難加工材料的刀具。“如果正確地對硬質合金微型刀具涂層將會提高其性能，對于任何其它硬質合金刀具也同樣如此。”
姑且不論對微型刀具進行涂層的技術難度，許多商業性涂層公司之所以對此類刀具的涂層猶豫不決，還因為在操作過程中，這些纖細脆弱的刀則尺容易被損壞。據Lake介紹，在涂層工藝中，至少要對刀具實施三個操作步驟，一是把刀具從包裝中逐個取出，并移送至清洗架上；二是將刀具轉移到涂層裝置的夾具上；三是把刀具放回包裝中，以便運回制造商那里。“如果送來涂層的刀具完好無損，而你在涂層過程中將其損壞．你就需要賠償。”
假如微型刀具制造商自己有涂層設備，這就不會成為問題．但大多數制造商都沒有這種設備．因此只能依靠可能會或多或少損壞一些刀具的外部資源。Lake估計，由于在涂層操作和涂層技術上存在難度．約有95%的微型刀具都沒有涂層。
Harvey刀具公司將其微型刀具的涂層外包給其他公司，而Davis表示，很難找到一個可以妥善處理脆弱的微型刀具并愿意對其涂層的公司，“刀具尺寸越小，涂層公司就越有可能將其損壞。
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