加工鋁合金用的類金剛石(DLC)碳涂層
時間:2011-05-22 16:27:10 來源:未知
類金剛石碳(DLC)涂層的主要成分為碳，是一種兼有高硬度和優(yōu)異摩擦性能的非晶體硬質(zhì)薄膜。由于其優(yōu)異的摩擦性能，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。特別在無潤滑劑情況下，摩擦系數(shù)也很低(µ=0.005～0.2)，因此被廣泛應(yīng)用于冷熱水混合旋塞用單手柄等滑動部件。?
DLC涂層不僅摩擦系數(shù)小，而且抗粘附性好，硬度高，耐磨性優(yōu)良，對其在切削刀具中的應(yīng)用也進(jìn)行過不少試驗。但是，由于切削刀具的使用環(huán)境特殊，DLC涂層在切削初始階段便發(fā)生剝離，其性能不能得到充分發(fā)揮。?
日本住友電工公司最近在世界上率先開發(fā)出可用于干式加工鋁合金的DLC涂層硬質(zhì)合金刀具，各種性能均得到很大提高。
DLC涂層的性能
- DLC涂層的機(jī)械性能?
- 試驗所用基體為WC-Co硬質(zhì)合金，其表面粗糙度為Ra0.01µm以下。DLC涂層非常平滑，其表面粗糙度與涂覆前的基體表面粗糙度均為Ra0.01µm，最大高度Ry為0.27µm。為了與加工鋁合金用CVD金剛石涂層比較，對涂層表面進(jìn)行了SEM觀測。觀測結(jié)果表明：CVD金剛石涂層有金剛石結(jié)晶形態(tài)引進(jìn)的突起部分，表面粗糙度Ra為0.53µm，Ry為5.74µm,而DLC涂層則重非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)表面非常光滑。DLC涂層的克氏硬度為30GPa。
- DLC涂層的滑動特性?
- 為了評價DLC涂層對鋁合金的摩擦特性，在DLC涂層試片表面上，以鋁合金銷(JISA5052、直徑6mm)為對偶，在常溫、大氣中(20℃、相對濕度RH65%)進(jìn)行20分鐘銷片滑動試驗。為了比較，還準(zhǔn)備了鋁合金、硬質(zhì)合金、各種陶瓷等試片。
- 滑動試驗采用CSEM公司生產(chǎn)的TRIBOMETER(PIN ON DISK)。滑動試驗條件為：滑動半徑1mm,負(fù)荷1N，滑動速度52m/s(500rpm)，滑動次數(shù)10000次(滑動時間20分鐘)。?
- 由滑動試驗測定的摩擦系數(shù)(為試驗即將結(jié)束之前的數(shù)值)和試片側(cè)粘附鋁合金量(用表面粗糙度儀對滑動痕跡部分橫截面進(jìn)行測定)測定結(jié)果可以看出，非DLC涂層試片均出現(xiàn)了銷材質(zhì)鋁合金的粘附、咬合，摩擦系數(shù)達(dá)0.8以上，而DLC涂層試片摩擦系數(shù)卻只有0.1，其表面也未發(fā)現(xiàn)鋁合金粘附。由此可見，DLC涂層對鋁合金的摩擦系數(shù)非常小，具有優(yōu)異的抗粘附性。
- DLC涂層的潤滑效果
- 為了簡化切削現(xiàn)象，以二維切削過程為研究對象，表示出有限元模擬結(jié)果。試驗所用切削條件為：工件材料A5052，切削速度v=300m/min，切削深度d=0.15mm/r,切削寬度t=1mm，刀具前角a=35°，刀具后角q=5°。?
- 分別假定硬質(zhì)合金刀具前面摩擦系數(shù)µ=0.8和DLC涂層刀具µ=0.1時，在上述條件加工0.67ms后的切屑形狀與溫度分布情況表明：前刀面摩擦系數(shù)小時，其排屑速度增大，因此，剪切角變大，切屑厚度減小，同時卷曲半徑也隨之縮小。摩擦系數(shù)大時，切屑不易發(fā)生卷曲。最高切削溫度出現(xiàn)在µ=0.8時，該時段刀具與切屑的接觸區(qū)溫度達(dá)到610K；在µ=0.1時，則為470K。摩擦系數(shù)小，摩擦熱的產(chǎn)生受到抑制，最高溫度也下降140K，摩擦距離(刀具與切屑接觸長度)也減少。經(jīng)模擬求出的軸向力在µ=0.8時為60N；在µ=0.1時為18N。摩擦系數(shù)從0.8下降到0.1，切削力大約減少2/3。由此可見，采用前刀面摩擦系數(shù)小的刀具，可收到良好的潤滑效果，切削溫度和切削力均大幅度下降。
4µm×4µm硅膠上DLC薄層的掃描(此圖片由本站經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)搜索所得)
DLC涂層刀片的切削性能
利用普通硬質(zhì)合金刀片HL(住友公司產(chǎn)品)和HI的DLC涂層刀片DL1000(住友公司產(chǎn)品)進(jìn)行切削對比。刀片型號采用呈波形的APET160508PDFR-S。該刀片通過波形束緩解切削沖擊，提高鋒利度和刀刃強度。另外，涂層厚度為100mm，刀尖鍍膜具有優(yōu)異的抗剝離性。#p#分頁標(biāo)題#e#
住友DLC涂層刀片
切削試驗在立式加工中心上進(jìn)行，刀柄直徑為32mm，切削速度v=300m/min,軸向切深A(yù)d=5mm，徑向切深Rd=5mm，進(jìn)給量f=0.15mm/r,順銑加工凸肩，切削長度36m。
在濕式加工條件下，兩試樣均未發(fā)生鋁合金粘附；但在干式加工條件下，未涂層刀片前刀面有鋁合金牢固粘附，而DLC涂層刀片的刃尖和前刀面則根本未發(fā)生粘附。?
由工件底面平均表面粗糙度(Ra)的測量結(jié)果可知，在干式加工條件下，兩工件的Ra均因DLC涂層而減小了1/2，加工面的啃削和擦傷等現(xiàn)象減少，表面光潔度有明顯的改善。?
由單刃進(jìn)給時的切削力測量結(jié)果可知，從軸向分力、進(jìn)給分力和徑向分力來看，DLC涂層刀片均小于未涂層刀片，尤其軸向分力約降低2/3，從742N減小到242N。另外，隨著加工的進(jìn)行，DLC涂層刀片切削力值的變化在全部切削力分量中也很小。?
刀片表面涂覆低摩擦系數(shù)的DLC涂層，即使進(jìn)行干式加工，鋁合金的粘附也可以得到控制，因此切削力減小。而且，積屑瘤的形成受到抑制，可保持刀刃的鋒利性，因此切削輕快，工件加工面的質(zhì)量得到提高。另外，排屑性能得到較大改善，加工表面不會因切屑摩擦或再次粘附而出現(xiàn)質(zhì)量下降。?
由干式加工時的切屑形態(tài)可知，當(dāng)采用摩擦系數(shù)小的DLC涂層刀片時，A5052的切屑富有金屬光澤，卷曲成小螺旋狀；而采用摩擦系數(shù)大的未涂層刀片，則切屑呈現(xiàn)乳白色，卷曲直徑也較大。另外，采用未涂層刀片時，即使進(jìn)行濕式加工，切屑也不能形成DLC涂層刀片所生成的那種螺旋狀卷曲。?
使用DLC涂層刀片生成的切屑長度大約是末涂層刀片的1.5倍，而且切屑厚度變小。尤其用末涂層刀片加工ADC12時，其切屑呈灰色，無金屬光澤，且形狀不固定，外周呈鋸齒狀，或從中間被截斷。切屑呈乳白色或灰色是由于切削時溫度上升的結(jié)果。這里所出現(xiàn)的切屑形態(tài)和色調(diào)與上述模擬結(jié)果極為吻合。?
如上所述，用DLC刀片進(jìn)行切削時，即使是干式加工，切削和刀尖的粘附也能大大減少，最主要的原因是DLC涂層對鋁合金的摩擦系數(shù)小。一般說來，切削液在切削過程中直接起作用的部位是刀具與切屑接觸的前刀面部分，實際上切削液并不能充分浸入刀尖，只是在切屑脫離前刀面的部位起潤滑作用。但是，DLC涂層沉積在包括刀尖在內(nèi)的整個前刀面，其潤滑作用超過了切削液，因此可對末涂層刀具難以加工的鋁合金進(jìn)行干式加工。