王威，關(guān)英良，楊大勇，王銳

廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院

1 引言

石墨是碳元素的一種同素異形體[1]，在化學(xué)性能、機(jī)械性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和潤滑性[2，3]等方面表現(xiàn)良好，廣泛應(yīng)用于石油化工[4]、機(jī)械工業(yè)[5]、電子產(chǎn)業(yè)[6]、核工業(yè)[7]、國防[8]和粉末冶金[9-11]等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，石墨零件的應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷拓寬，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的作用。

在實(shí)際應(yīng)用中，部分石墨零件需要經(jīng)過機(jī)械加工才能滿足設(shè)計(jì)要求。然而，石墨零件加工過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重刀具磨損給加工帶來了巨大挑戰(zhàn)，如何減少刀具磨損，進(jìn)而提高已加工表面質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)石墨零件的高效和高質(zhì)量加工已成為被關(guān)注的熱點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了各種減少刀具磨損的方法以及目前國內(nèi)外關(guān)于刀具涂層的研究進(jìn)展，分析了石墨零件加工過程中的優(yōu)缺點(diǎn)，并對涂層刀具的未來研究發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 產(chǎn)生刀具磨損的原因

為降低石墨零件在高速銑削、車削、鉆削以及電火花加工等加工過程中的刀具磨損，提出了包括優(yōu)化刀具材料、刀具幾何形狀、切削條件、加工氛圍以及刀具涂層等方法[13]。由于刀具表面沉積涂層有較好的耐磨性和表面質(zhì)量、優(yōu)異的摩擦學(xué)性能以及較長的刀具壽命，現(xiàn)已成為目前主流的研究方法之一。

3 不同涂層工藝對刀具磨損的影響

為探究各類涂層在石墨零件加工過程中對刀具的減磨作用，使用多種涂層刀具對石墨進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，其中包括TiAlN和各種金剛石涂層刀具等。

3.1 涂層刀具的切削性能

為探究不同金剛石涂層的陶瓷刀具在車削石墨時(shí)的切削性能及刀具磨損機(jī)理，Almeida F.A.等[14]采用化學(xué)氣相沉積法在不同幾何形狀切削刃(圓形和三角形)的氮化硅陶瓷刀具上沉積微晶金剛石(MCD)涂層以及納米晶金剛石(NCD)涂層，并在不同切削速度下對石墨進(jìn)行切削深度為0.5mm的車削實(shí)驗(yàn)。

在200m/min和800m/min的切削速度下，刀具的磨損形貌如圖1所示，石墨顆粒在切削刃上產(chǎn)生磨蝕作用，導(dǎo)致刀具前刀面形成凹坑磨損，并且除凹坑磨損外，工件上的刀具入口處還存在缺口磨損。此外，NCD涂層的工件表面光潔度略優(yōu)于MCD涂層。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長時(shí)間石墨電極車削實(shí)驗(yàn)后的金剛石薄膜仍未剝離，Almeida F.A.等[14]研究表明，MCD和NCD涂層對氮化硅陶瓷都具有較高的黏附性，金剛石涂層對于氮化硅陶瓷刀具材料有優(yōu)越性，并且NCD涂層刀具的加工質(zhì)量略優(yōu)于MCD涂層，具有良好的應(yīng)用前景[15，16]。

圖1 刀具的凹坑和缺口磨損

為繼續(xù)深入比較四種不同類型金剛石涂層的特性和摩擦學(xué)性能，Wang H.等[17]采用熱絲化學(xué)氣相沉積的方法在WC-Co立銑刀上沉積微晶金剛石、亞微晶金剛石(SMCD)、納米晶金剛石和微/納米復(fù)合金剛石(MCD/NCD)涂層，再分別對各類金剛石涂層刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速10000r/min，進(jìn)給速度4000mm/min，切削深度0.05mm。周莉[18]的研究表明，在高速銑削石墨過程中，金剛石涂層刀具的磨損機(jī)制主要是由石墨的磨蝕性引起的磨粒磨損，并且在初始磨損后沒有明顯的穩(wěn)定磨損階段。

幾種刀具的最終磨損形貌如圖2所示，由圖2a可以看到，未涂層的WC-Co銑刀在加工30min后出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。由于存在研磨磨損，MCD涂層刀具磨損區(qū)域的金剛石涂層已被摩擦平坦。而且，由于微米級金剛石微晶中存在著不可避免的間隙，從圖2b中可知，附著在MCD金剛石涂層上存在大量難以清理的脆性石墨碎屑。圖2c的SMCD涂層銑刀出現(xiàn)了大面積刀具磨損，并伴有不同程度的涂層破損。情況最嚴(yán)重的是圖2d中的NCD涂層銑刀涂層剝落，表明NCD涂層與刀具的結(jié)合強(qiáng)度很差。此外，刀具刃口受到連續(xù)沖擊是高速銑削過程中金剛石涂層剝落的主要原因。值得注意的是，與MCD和SMCD涂層相比，NCD涂層使得石墨顆粒在刀具表面的附著力較小，因?yàn)镹CD涂層具有更細(xì)的金剛石顆粒和更低的表面粗糙度。與其他銑刀相比，圖2e中的MCD/NCD涂層銑刀磨損最小，沒有太多附著的石墨顆粒和涂層剝落，較好地說明了MCD/NCD復(fù)合結(jié)構(gòu)能明顯提高刀具的切削性能。

(d)NCD

從實(shí)驗(yàn)切削長度來看，未涂層WC-Co刀具的切削長度為120m，而MCD，SMCD，NCD，MCD/NCD涂層刀具的切削長度分別為560m，720m，800m，960m。不僅如此，MCD/NCD復(fù)合涂層的銑削刀具還擁有更好的加工精度和表面光潔度，即使不進(jìn)行后續(xù)的研磨和拋光，也可以滿足生產(chǎn)要求。此外，復(fù)合涂層與刀具之間的黏附性也更好。在高速銑削石墨時(shí)，加工效率以及尺寸精度都明顯提高。因此，與其他類刀具相比，MCD/NCD復(fù)合涂層的銑削刀具擁有最優(yōu)的切削性能[19]。

2.門脈性肝硬變和壞死后肝硬變所形成的肥大性顆粒狀肝硬變，系吸蟲的幼蟲在組織內(nèi)穿通游走而產(chǎn)生不規(guī)則的出血及結(jié)締組織增生。肝呈土黃色，肝的表面形成粟粒大乃至黃豆大，紅色或灰白色小結(jié)節(jié)。

3.2 TiAlN涂層性能與金剛石涂層性能比較

為研究TiAlN涂層刀具的切削性能和磨損機(jī)理，Zhou L.等[20]在硬質(zhì)合金微立銑刀上沉積TiAlN涂層，并對石墨進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)切削速度為250m/min，每齒進(jìn)給量為0.08mm/z，切削深度和切削寬度均為1mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，刀具的磨損類型主要包括磨粒磨損和沖蝕磨損[21]。刀具磨損過程部分顯微形貌如圖3所示，初始階段的磨損主要發(fā)生在刀具前刀面，其主要原因是涂層過早分層，而穩(wěn)定磨損階段磨損主要發(fā)生在刀具后刀面。在穩(wěn)定磨損階段，磨損面積隨切削長度幾乎呈線性增長，主要磨損機(jī)制是“拋光”磨粒磨損，在穩(wěn)定磨損后期(切削長度約為50m)，前刀面上還存在“微切削”磨粒磨損[22]。在刀具失效階段(切削長度約為75m)，通常會(huì)因?yàn)闄C(jī)械沖擊或沖擊疲勞過大而在銑刀切削刃上形成嚴(yán)重的切屑，造成刀具失效。Zhou L.等[20]的實(shí)驗(yàn)研究表明，TiAlN涂層刀具產(chǎn)生磨損的主要原因是涂層破壞、邊緣碎裂和沖擊疲勞剝落等。

圖3 刀具磨損過程的部分顯微形貌

為比較幾種金剛石涂層和TiAlN涂層的特性和摩擦學(xué)性能，Lei X.等[13]在WC-Co微鉆上沉積微晶金剛石、納米晶金剛石、類金剛石(diamond-like carbon，DLC)和TiAlN涂層，并利用上述涂層刀具與未涂層的刀具分別對石墨材料進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)。

對MCD、NCD、DLC和TiAlN涂層硬質(zhì)合金試樣進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)涂層與刀具的結(jié)合強(qiáng)度。圖4為壓痕實(shí)驗(yàn)后MCD、NCD、DLC和TiAlN涂層的SEM形貌?？梢钥吹綆追N不同的失效模式，如塑性變形和徑向裂紋等。值得注意的是，MCD涂層出現(xiàn)了微裂紋和涂層脫落，但脫落面積比NCD涂層小得多，結(jié)果表明，MCD涂層與刀具之間的結(jié)合強(qiáng)度高于NCD涂層。DLC涂層在壓痕實(shí)驗(yàn)后的某些區(qū)域只有塑性變形，這種失效模式表明DLC涂層具有良好的結(jié)合性能；TiAlN涂層上出現(xiàn)了微裂紋，說明TiAlN涂層與刀具之間的結(jié)合性能不如DLC涂層，但優(yōu)于MCD和NCD涂層。

圖4 各類涂層的典型失效模式

切削實(shí)驗(yàn)所用的進(jìn)給量為0.06mm/r，鉆孔深度為1.3mm，主軸轉(zhuǎn)速為15000r/min。與未涂層的鉆削刀具相比，實(shí)驗(yàn)測得的MCD、NCD、DLC、TiAlN涂層WC-Co微鉆具有更小的磨損量。若以磨損值12μm作為刀具壽命的判斷依據(jù)，MCD涂層微鉆的刀具壽命分別是NCD、DLC、TiAlN涂層和未涂層微鉆的1.5倍、2倍、6倍和9倍。與TiAlN涂層刀具相比，金剛石涂層刀具有更好的耐磨性，而TiAlN涂層相較于金剛石涂層而言成本較低且韌性優(yōu)異[23]。這些刀具的主要磨損形式是后刀面磨損、切屑和涂層剝落。其中，MCD涂層微鉆的后刀面磨損較小，鉆后不會(huì)出現(xiàn)切屑和涂層剝落的現(xiàn)象。綜合比較幾種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，MCD涂層比其他三種涂層更適合在微鉆上沉積，在石墨加工中的切削性能最好。

為進(jìn)一步研究兩大類涂層(TiAlN涂層和金剛石涂層)刀具的磨損機(jī)理、刀具壽命、切削力變化以及石墨加工后的粗糙度，Xu Y.等[24]分別采用物理氣相沉積法和熱絲化學(xué)氣相沉積法在WC-Co硬質(zhì)合金刀具上沉積TiAlN涂層和金剛石涂層，并對石墨進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用順銑的切削方式，切削速度為300m/min，每齒進(jìn)給量為0.05mm/z，進(jìn)給速度為3181mm/min，切削深度為2mm，切削寬度為0.5mm。研究發(fā)現(xiàn)，在相同負(fù)載的情況下，金剛石涂層比TiAlN涂層更容易分層且附著力較低。但是，在高速銑削石墨時(shí)，金剛石涂層刀具壽命比TiAlN涂層高近10倍。石墨高速銑削后的刀具磨損形態(tài)如圖5所示，刀具側(cè)面的主要磨損形式是切削刃的凹形磨損和不規(guī)則的鋸齒形磨損。TiAlN涂層刀具在后刀面表現(xiàn)出均勻的磨粒磨損，在前刀面表現(xiàn)出凹坑磨損。不同的磨損模式會(huì)導(dǎo)致TiAlN和金剛石涂層刀具的切削力呈現(xiàn)不同的變化趨勢。金剛石涂層的分層和破裂是金剛石涂層刀具快速磨損的主要原因[25]，這將導(dǎo)致進(jìn)給力和徑向力以及加工表面粗糙度急劇增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用未涂層的WC-Co刀具加工時(shí)，加工后的石墨表面粗糙度與銑削長度成正比；而TiAlN涂層刀具加工后的石墨表面粗糙度保持不變；對于金剛石涂層刀具，隨著銑削長度的增加，表面粗糙度先減小后增大且在450m和600m時(shí)急劇增加。

圖5 石墨銑削150m后TiAlN涂層刀具的磨損形貌

3.3 中間層薄膜的引入

Lei X.等[26]在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，雖然使用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)可以方便地在具有復(fù)雜幾何形狀的刀具上直接沉積金剛石薄膜，但是黏合劑中的Co會(huì)在熱絲化學(xué)氣相沉積過程中引起石墨化，導(dǎo)致WC-Co刀具與金剛石涂層之間的黏合強(qiáng)度變差，從而限制金剛石涂層在切削刀具中的應(yīng)用。為解決該技術(shù)難點(diǎn)，在刀具和金剛石涂層之間引入中間層薄膜，從而進(jìn)一步提高金剛石涂層與刀具之間的附著力，并提出三種薄對比方案，即微晶金剛石薄膜、摻硼金剛石(Boron Doped Diamond，BDD)薄膜以及摻硼金剛石和微晶金剛石的復(fù)合膜。

實(shí)驗(yàn)采用主軸轉(zhuǎn)速為15000r/min，進(jìn)給速度為200mm/min，鉆孔深度為1.3mm。鉆孔后三種刀具的主切削刃圖像如圖6所示，當(dāng)鉆孔量達(dá)1800時(shí)，可以看到MCD涂層微鉆頭的后刀面磨損與BDD涂層微鉆頭相當(dāng)。但是在MCD涂層微鉆頭的磨損區(qū)出現(xiàn)了涂層剝落現(xiàn)象[27]，而BDD涂層微鉆的后刀面沒有明顯的涂層剝離現(xiàn)象。表明在金剛石涂層中摻入硼可以有效地提高金剛石涂層與刀具的結(jié)合強(qiáng)度。值得注意的是，在鉆孔量達(dá)1800時(shí)，BDD+MCD涂層微鉆的后刀面磨損要比MCD或BDD涂層微鉆小得多。隨后，僅使用BDD+MCD涂層微鉆加工石墨，當(dāng)鉆孔量達(dá)3600時(shí)，刀具的后刀面磨損量開始上升，并在某些位置發(fā)現(xiàn)金剛石膜剝落。此時(shí)，BDD+MCD涂層微鉆的后刀面磨損量與MCD或BDD涂層微鉆相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)證明，與MCD或BDD單層膜相比，這種新型的BDD+MCD復(fù)合膜能有效地提高微鉆頭的切削性能和使用壽命，具有良好的應(yīng)用前景[28，29]。

圖6 微鉆鉆孔后的主切削刃

Cabral G.等[30]對金剛石涂層刀具的中間層薄膜等問題進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)使用熱絲化學(xué)氣相沉積工藝在硬質(zhì)合金刀具上制備碳化硅中間層[31]，并附著金剛石涂層，利用多層膜的刀具進(jìn)行車削石墨的實(shí)驗(yàn)。在相同條件下用聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，PCD)刀具和無中間層的WC-Co金剛石涂層刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定刀具的磨損機(jī)理及刀具的使用壽命。其中，實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)給量為0.06mm/r，切削深度為1.2mm，切削速度為1500m/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過熱絲化學(xué)氣相沉積制作的碳化硅中間層可以有效提升刀具上金剛石膜的附著力。石墨的車削測試表明，使用碳化硅中間層的刀具的磨損率明顯低于其他測試刀具。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，具有碳化硅中間層的金剛石涂層刀具擁有更長的刀具壽命。

3.4 新的涂層制備工藝

Cabral G.等[32]早年還曾開發(fā)過一種新的涂層制備工藝，稱為時(shí)間調(diào)制化學(xué)氣相沉積。為了測試這種工藝的實(shí)際效果，采用時(shí)間調(diào)制化學(xué)氣相沉積法和傳統(tǒng)的熱絲化學(xué)氣相沉積法分別將金剛石涂層沉積在刀具上，將其進(jìn)行對比車削實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的進(jìn)給量為0.05mm/z，切削深度為0.3mm，切削速度分別為100m/min，200m/min，400m/min。

結(jié)果表明，刀具的后刀面磨損量隨著車削長度的增加而增加，使用時(shí)間調(diào)制化學(xué)氣相沉積工藝的金剛石涂層刀具比其他類型的刀具具有更小的磨損量。此外，這種新工藝在控制金剛石涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能方面也具有很大的潛力[33]。與傳統(tǒng)工藝相比，時(shí)間調(diào)制化學(xué)氣相沉積的金剛石涂層刀具具有更細(xì)的金剛石晶粒尺寸、更低的表面粗糙度和更低的殘余應(yīng)力，使時(shí)間調(diào)制化學(xué)氣相沉積涂層的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石涂層。

4 其他降低刀具磨損的方法

不僅各類涂層工藝對刀具磨損的影響很大，不同的切削環(huán)境和切削參數(shù)的影響也舉足輕重。

4.1 選擇合適的切削條件

為研究不同切削環(huán)境對石墨加工產(chǎn)生的影響，Hashimoto M.等[34]使用金剛石涂層硬質(zhì)合金刀片對石墨圓棒以多種切削速度在空氣(干切削)和吹氮的環(huán)境下分別進(jìn)行車削測試。實(shí)驗(yàn)在進(jìn)給量為0.148mm/z，切削深度為0.5mm，石墨圓棒切削長度為150mm的條件下，采用不同的切削速度進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)表明，在空氣中加工石墨時(shí)，氧化是金剛石涂層刀片磨損的主要原因[35]。干切削和吹氮車削實(shí)驗(yàn)后金剛石涂層刀具前刀面的顯微形貌如圖7所示，在兩種環(huán)境下切削后的磨痕都很明顯并且相似。

(a)干切削

圖8為采用相干掃描干涉儀測量的部分磨痕深度分布?？梢悦黠@看出，磨損深度分布隨切削速度和環(huán)境的改變而改變。通過對磨損深度分布進(jìn)行積分得到每個(gè)試驗(yàn)的磨損量。分析結(jié)果表明，當(dāng)切削速度大于328m/min或小于36m/min時(shí)，金剛石涂層刀具的磨損要低得多，并且在吹氮的環(huán)境下進(jìn)行切削時(shí)，金剛石涂層刀片的磨損要明顯減少。即選擇合適的切削環(huán)境能有效地降低刀具磨損并延長刀具的使用壽命。

圖8 試驗(yàn)后金剛石涂層刀具前刀面的掃描圖像

4.2 優(yōu)化切削條件

為研究不同切削參數(shù)對刀具磨損產(chǎn)生的影響，Zeilmann R.P.等[36]在高速銑削加工石墨時(shí)，通過改變加工的切削速度、每齒進(jìn)給量和涂層等變量進(jìn)行觀察比較。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每齒進(jìn)給量為0.07mm/z和切削速度為700m/min時(shí)，所獲得的粗糙度最低，刀具磨損量也最小。即在石墨加工中，使用較高切削速度具有較大優(yōu)勢。

除以上提到的各種因素外，Zeilmann R.P.等[12]研究發(fā)現(xiàn)，對涂層刀具的切削刃進(jìn)行拋光處理也可以在石墨加工過程中減少刀具的磨損。為評估切削刃處理對刀具磨損的影響情況，對PCD涂層刀具的切削刃分別使用磨刷拋光(Polishing with Abrasive Brushes，PAB)和拖曳式拋光[37-40](Finishing by Drag Media，F(xiàn)D)，再與未經(jīng)過拋光處理的PCD刀具在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行石墨的銑削實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為切削速度700m/min，每齒進(jìn)給量0.2mm/z，切削深度0.7mm，切削寬度4mm。

如圖9所示，無論是經(jīng)過PAB處理的刀具還是經(jīng)過FD處理的刀具，其表面的晶體寬度都明顯減小，而經(jīng)過FD處理的刀具，其晶體的邊緣也明顯變圓。刀具的粗糙度測量表明，經(jīng)過拋光處理后的刀具的粗糙度值大致相同，其刀具光潔度都提高了近23%。實(shí)驗(yàn)測得，未經(jīng)拋光處理的刀具的平均加工長度1126m，經(jīng)過PAB處理的刀具的平均加工長度為1663m，經(jīng)過FD處理的刀具的平均加工長度為1840m，分別提高了47%和63%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有實(shí)驗(yàn)刀具的磨損機(jī)制和類型相同，主要磨損機(jī)制是磨粒磨損[41]，磨損類型為后刀面磨損、凹坑磨損和缺口磨損。總體而言，這兩種切削刃的處理方法都取得了良好的成果，在生產(chǎn)刀具中都有很大的應(yīng)用潛力。

(a)原始狀態(tài)

5 結(jié)語

隨著行業(yè)的快速發(fā)展，對石墨加工質(zhì)量的要求越來越高。但由于石墨類材料具有極強(qiáng)的磨蝕性，在加工過程中往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的刀具磨損，進(jìn)而縮短刀具的使用壽命。因此，探索減少刀具磨損的方法對促進(jìn)石墨高精密加工的發(fā)展具有重要意義。

目前刀具磨損仍有很多問題值得探究，今后可在以下幾個(gè)方面取得突破：

(1)隨著多層次涂層制備與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，多層涂層開始代替簡單的單層涂層。目前，日本研發(fā)生產(chǎn)出一種沉積在鉆頭上的1000層的 TiN-AlN的超薄涂層，這種多層次的相互交替結(jié)構(gòu)形成了層次間位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，這些位錯(cuò)可有效地提升刀具涂層的硬度和強(qiáng)度，因此，多層涂層也是一個(gè)重要的研究方向。

(2)近年來，國內(nèi)外研究人員還開發(fā)出了立方氮化硼涂層和氮化碳涂層等新型涂層。立方氮化硼具有較高的硬度以及與金剛石類似的優(yōu)點(diǎn)，如超高的硬度、高耐磨性和較低的摩擦系數(shù)。雖然新型涂層的效果較好，但由于合成工藝難度比較大，而且制備成本較高，一般還處在于實(shí)驗(yàn)室研究階段。因此，這些新的涂層工藝值得進(jìn)一步研究。

(3)靈活化的硬質(zhì)合金刀具涂層處理工藝也是涂層發(fā)展的主要趨勢，其中包括涂層刀具的拋光處理、深冷處理、涂層刀具的磁化處理和涂層刀具熱處理等，這些處理都能取得一定的效果，也是一個(gè)研究方向。