第一部份：金刚石铣刀

（1）对铣刀性能的要求 精密和超精密铣削加工的工件大多为铝合金、铜合金、金、银、光学玻璃、单晶硅、磷酸二氢钾（KDP）以及功能陶瓷等。零件尺寸精度、型面精度和平面的精度大多为0.01～0.1μm，表面粗糙度值为Ra0.01～0.1μm，因此要求刀具应具备以下性能：

1. 极高的硬度、耐磨性能和极高的弹性模量，以保证刀具有高的耐磨性和使用寿命，才能保证加工尺寸精度、型面精度和表面质量稳定。
2. 切削刃要能刃磨得非常锋利，刃口钝圆半径Rn＜0.1μm，才能实现超薄切削。
3. 前、后面切削刃应能刃磨得光整，表面粗糙度值应达到Ra0.01μm以下，否则切削刃上的任何缺陷都会复制到加工表面上。
4. 化学稳定性要好，与加工材料的亲合力小，摩擦系数要小，抗粘结性能好。天然金刚石硬度最高，达到9000～10000HV，耐磨性能极好，热导率最高达到2000W/（m·K），产生的切削热可以快速传递出去，减少工件的变形，与有色金属的摩擦因数为0.06～0.12，弹性模量高，达到（9～10）×105MPa，切削刃受力后变形小，可保持切削刃尺寸精度和形状精度稳定，对超精密铣削能获得稳定的尺寸精度和稳定的表面质量十分有利。金刚石刀具能刃磨和研磨出的，刃口钝圆半径Rn为0.01～0.05μm，超精密切削最小吃刀量只有0.001～0.01μm（1～10nm），因此，只有天然金刚石刀具才能胜任精密和超精密铣削。

（2）金刚石刀具的固定形式

1）镶嵌式。金刚石刀具采用1.5～2克拉[1]的颗粒，将1颗或多颗经过粗磨成形的单晶金刚石颗粒装到有金属烧结粉末的夹具中，加热700℃，加压15MPa烧结成形冷却后，经修磨装到刀杆槽中，再采用低温钎焊固定在刀槽中，如图4-1所示。

图4-1 金刚石烧结模与镶嵌式刀具

图4-2 机夹金刚石刀具

2）机夹式。机夹式是将金刚石烧结成形压在刀杆的刀槽中，如图4-2所示，夹紧牢固可靠，可承受较大的切削力，应用较为广泛。

（3）前角和后角的选择 由于金刚石抗弯强度较低，只有210～490MPa，因此脆性较大、不抗冲击。为增强切削刃的强度，应采用较大的楔角β，故前角较小。

1. 前角。精密铣削铝合金、黄铜、青铜、铍青铜、电解镍时，背前角γp=3°～5°。铣削有机玻璃、硬塑料类材料，背前角γp=10°～20°。铣削硫化锌、硒化锌时，背前角γp=-20°～-15°。铣削光学玻璃、锗、硅、砷、砷化镓时，背前角γp=-25°～-15°。铣削KDP（磷酸二氢钾）γp=-45°～-25°。
2. 刃倾角。由于前角较小，为了增加实际切削前角，而又不降低切削刃的强度，并可以提高切削刃的抗冲击性能，建议采用较大的负侧前角γf=-30°～40°（即刃倾角），使实际切削前角增加、切削刃锋利。
3. 后角。由于金刚石强度低，应采用较小的后角，增加切削刃的强度，防止切削刃产生崩刃破损，因此通常采用背后角αp=5°～6°。由于采用了较大的刃倾角，使实际切削后角减小，则应加大刃磨后角，刃倾角达到λs=-40°～-30°时，制造后角应达到αp=8°～10°，当装到刀体中有了刃倾角后，仍然可以保持后角αp为5°～6°。

金刚石刀具的后角比其他刀具材料后角普遍较小，其原因：金刚石材料本身抗弯强度低，不允许采用较大后角。金刚石硬度极高，耐磨性特好，与切削材料之间的摩擦系数小，尤其加工铝合金、铜合金及塑料之类硬度很低的材料，较小的后角对刀具寿命几乎没影响。同时，由于后面可以研磨出镜面般的超高光洁面，可以对已加工表面起到压光的作用，反而会减小加工表面粗糙度值，提高加工表面的质量。

（4）修光刃形状 精密铣削加工对工件表面粗糙度要求极高，大多数情况为Ra0.005～0.02μm，因此修光刃的形状是决定加工表面的粗糙度的重要因素之一。

1. 直线修光刃。直线修光刃长度为2～4mm，并配上较大的刃倾角，可以增加实际切削前角，使切削刃逐渐切入，防止产生振动。同时较宽的修光刃也便于对刀。两边采用圆弧R2mm和10°的主、副偏角过渡。修光刃的直线度应为0.1～0.2μm，修光刃应与进给方向严格平行一致，才能得到较低的表面粗糙度。直线修光刃并非是理想的直线，仍然存在直线度误差（0.1～0.2μm），实际上仍然是波浪形状，切削刃上的波浪形将会完全复制到已加工表面上。为了获得高质量的表面，应采用较小进给量，加工出的表面粗糙度可以达到Ra0.01～0.05μm。直线修光刃“对刀”可借助放大镜用“透光法对刀”。
2. 圆弧修光刃。修光刃的圆弧半径一般选择R=10～20mm。圆弧修光刃强度较直线修光刃高，刃磨和研磨比较容易，对刀方法简便。

第二部份：金刚石涂层铣刀介绍

采用不同涂层工艺的CVD刀具切削高硅铝合金，观察比较刀具的磨损过程、磨损与破损形貌及工件加工表面粗糙度，分析CVD金刚石刀具切削高硅铝合金的磨损机理和失效原因。其研究结果可为涂层工艺的改进提供理论依据。

1、CVD金刚石涂层刀具切削性能的研究

(1)基体表面脱钴处理时间对刀具磨损性能的影响

硬质合金基体中含有粘结相钴。在CVD金刚石涂层工艺条件下，钴会向基体表面扩散，钴在基体表面的存在，对金刚石成核和生长过程中起到抑制作用。而且碳在钴中有较大的固溶度和扩散系数，在金刚石沉积的长时间热处理过程中，钴粘结相熔解金刚石涂层。因此采用化学溶液对硬质合金基体表面进行脱钴处理，以消除粘结相钴的不利影响，提高金刚石涂层基体的结合强度。但脱钴时间对金刚石成核和生长过程有影响，从而对金刚石膜厚、晶粒度等有着显著影响。脱钴时间过长，金刚石涂层厚度明显增加，粘附强度变差，且因脱钴深度过大，脱钴层组织疏松导致基体强度和韧性显著降低。此外，金刚石晶粒粗大，涂层表面粗糙。因此，脱钴时间存在一最佳值。通过对CVD45、CVD48、CVD47刀具测试比较(脱钴时间分别为15min、10min、5min，其它条件相同)表明，对于硬质合金基体的金刚石涂层刀具，脱钴时间为5min时，对应的金刚石涂层粘附强度最强，其切削性能最佳。

(2)基体材料对刀具磨损的影响

相同涂层工艺条件下，基体为YG3硬质合金的CVD-63金刚石涂层刀具切削性能较基体为YG6硬质合金的CVD-47金刚石涂层刀具更佳。表现为：切削过程平稳，切削温度低，工件表面粗糙度小，刀具使用寿命长。

硬质合金基体表面进行脱钴处理后，有利于金刚石的成核，但同时基体强度明显降低，且表层与基体深层的钴浓度差，会使深层钴在金刚石涂层加热过程和切削热的作用下向表层扩散，与金刚石碳元素反应及促使金刚石向石墨转变，削弱刀刃强度，加速刀具磨损。

CVD-63因脱钴后表面与基体深层的浓度差小，金刚石涂层的质量较好。金刚石涂层均匀，金刚石颗粒晶形完整细小，金刚石膜在基体表面有钉扎结合。因此，金刚石涂层基体结合牢固。

(3) CVD金刚石涂层刀具的磨损失效机理分析

金刚石涂层厚度对膜基体的结合强度有着决定性的影响，随着金刚石膜的增厚，由于膜的内部应力增大，结合强度会下降。

金刚石膜表面粗糙度也是导致金刚石膜早期剥落，开裂的主要原因之一。金刚石涂层表面越粗糙，刀具工件接触区域摩擦阻力越大，切削温度越高，甚至产生粘刀现象，金刚石膜及膜基体间强度降低，而导致金刚石膜越早剥落。因此，控制金刚石颗粒尺寸及对金刚石膜进行抛光，以降低表面粗糙度，将有效改善刀具-工件间的摩擦状况，延长刀具寿命。

通过上述研究可得出如下结论：

(1)CVD金刚石刀具因涂层工艺条件不同，存在着金刚石粒度、膜厚度、膜纯度等的不同，磨损性能差异显著。

(2)对YG6、YG3硬质合金基体进行5min脱钴处理，膜厚为7—10μm的CVD47和CVD-63金刚石膜刀具具有良好的切削性能。

(3)CVD金刚石膜刀具切削高硅铝合金的主要磨损、破损失效形式有磨粒磨损，金刚石膜开裂、剥落，磨粒磨损主要是工件材料中硬质点硅颗粒的“微切削”作用所致。早期金刚石膜剥落主要是金刚石膜/基体间结合强度不足，脱钴层深度过大基体强度低所致;切削机力、切削热冲击作用是引起中、后期金刚石膜剥落主要原因。

2、金刚石涂层刀具切削SiC/Al的适应性及失效机理

CVD金刚石涂层一般厚度为10--25μm,其中不含任何金属或非金属添加剂，其多晶结构使其在各方面都具有几乎相同的极高硬度，并且没有解理面，因其物理机械综合性能兼具单晶金刚石和聚晶金刚石所拥有的优点，因而成为非金属硬脆材料、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工、数控加工等首选材料之一，在汽车工业、航空航天工业有着广泛的应用前景。

切削加工实验研究是刀具研制及应用中重要的一环，不仅可以直接评价出刀具的切削性能，客观评价金刚石涂层与刀具基体附着力的大小，给涂层工艺改进提供必要的实验依据，而且有利于金刚石涂层刀具在生产实际中的推广应用。出于此目的全燕鸣等人，对金刚石涂层可转位刀片SiC颗粒增强铝基复合材料进行了切削加工实验研究。研究结果揭示了金刚石涂层刀具的磨损破损机理和切削复合材料适应性，同时还表明涂层工艺对磨损涂层质量有重要影响。其结论如下：

(1)金刚石涂层刀具切削加工诸如颗粒增强铝基复合材料一类耐磨材料时，金刚石涂层过早剥落是刀具磨损失效的主要原因。

(2)金刚石涂层刀具在切削加工中的切削力变化，刀具磨损量和涂层形貌情况等可作为反映刀具涂层质量的依据。

(3)合理的涂层工艺参数是保证金刚石涂层质量的关键，适当参数下沉积金刚石涂层刀具对精加工类似颗粒增强铝基复合材料的难加工材料有较好的适应性。

3、涂层工艺对硬质合金铣刀铣削CFRP性能的影响

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、抗疲劳、耐腐蚀和可设计性强等优异性能，被广泛应用于航天、航空、汽车、能源等领域。它是典型的难加工材料。传统的硬质合金铣刀已不能满足其加工要求，需增加耐磨涂层。

金刚石薄膜因硬度高、导热率高及摩擦系数低等优点，成为制作CFR刀具耐磨涂层的理想材料。于是，杨小潘等人在国内外专家研究CFRP的切削加工特点的基础上，有针对性开展了3种硬质合金基体相同、涂层工艺和薄膜结构不同的金刚石涂层诚铣刀研究，刀具涂层工艺参数如表所列。

表1 刀具涂层工艺参数

在相同的硬质合金立铣刀基体上，分别制备了粗晶、细晶、复合晶3种不同涂层工艺的CVD金刚石薄膜。

(1)通过扫描电观察，粗晶金刚石涂层表面晶粒呈块状结构;细晶粒金刚石涂层表面晶粒结构呈球形结构;复合晶金刚石涂层表面晶粒呈锥体结构。

(2)粗晶金刚石涂层硬度高，耐冲击，但晶界明显,易产生涂层微崩;细晶金刚石涂层结构致密，但硬度较低;质复合晶金刚石涂层结合了粗晶和细晶工艺的优点，耐磨性最佳。

(3)在相同的切削条件下对碳纤维复合材料进行铣削加工试验，复合晶工艺的金刚石涂层铣刀使用寿命最长，约为粗晶金刚石涂层铣刀的1.35倍、细晶金刚石涂层铣刀的1.59倍，更适合于碳纤维复合材料的铣削加工。

4、微/纳米复合金刚石涂层的切削性能

超硬刀具最重要的就是其切削性能，不仅要有高的耐磨性，同时还有高的加工精度。邓福铭等通过热丝CVD法在硬质合金YG6基体上沉积纳米、微米、微/纳米复合金刚石涂层，并进行了切削对比试验，研究CVD金刚石涂层刀具的切削性能、失效形式及磨损机理。

表2 不同晶粒金刚石涂层的制备工艺参数

邓福铭等通过制备微米、纳米、微纳米金刚石复合涂层刀具，对其进行了切削对比试验，可得出如下结论：

(1)对铝合金材料进行切削加工得出，纳米涂层金刚石刀具切削加工后的表面粗糙度值最小，Ra为0.942m，微米金刚石涂层刀具切削加工后表面粗糙度最大，Ra为1.631m。

(2)金刚石涂层刀具后刀面磨损量进行对比分析显示，纳米涂层金刚石刀具的后刀面磨损最大，约为微米涂层的2倍，复合涂层的5倍。从磨损形貌来看，单层微米金刚石刀具和纳米涂层金刚石刀具的后刀面金刚石涂层结合力较弱，在切削过程中容易发生脱落。而微/纳米复合金刚石涂层刀具膜/基结合力高，后刀面的金刚石涂层没有出现脱落，且刀具的磨损较少。

(3)金刚石涂层刀具前刀面磨损对比分析中，微米金刚石涂层刀具前刀面的磨损要比微/纳米金刚石复合涂层刀具的磨损严重，且微米金刚石涂层刀具表面存在很多积屑瘤。

(4)金刚石涂层刀具的主要失效形式是涂层的过早脱落造成刀具的失效，其刀具的失效机理，主要有金刚石涂层脸沉积过程中产生的残余应力、涂层化学纯度低、内部微裂纹多，切削时表面粗糙度值大和切削力大以及刀具积屑瘤等原因。