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(huì)有利于微小尺寸加工。如果能合理應(yīng)用涂層，且涂層厚度足夠薄，不會(huì)鈍化微切削刃，可能某些研究人員會(huì)同意這種觀點(diǎn)。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(duì)微型刀具進(jìn)行涂層，一些大學(xué)正在開展相關(guān)研究。本文是大學(xué)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(duì)涂層刀具的反應(yīng)。

　　應(yīng)用日益增多的金剛石涂層

　　對(duì)金剛石涂層的挑戰(zhàn)之一是涂層與刀具表面的粘附性能。由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、賓夕法尼亞大學(xué)和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)在微型立銑刀上沉積了一層過渡層，以增強(qiáng)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(duì)300µm的雙槽微型立銑刀進(jìn)行了蝕刻試驗(yàn)。據(jù)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程系助理教授Flank E. Pfefferkorn介紹，該試驗(yàn)的目的之一是在硬質(zhì)合金基體與金剛石涂層之間創(chuàng)建一種機(jī)械連結(jié)。

　　Pfefferkorn和賓州大學(xué)機(jī)械工程和應(yīng)用力學(xué)系副教授Robert W. Carpick(他在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校時(shí)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(duì)鋁件進(jìn)行微尺寸于切削”的論文中指出鈷結(jié)合劑可以增強(qiáng)刀具的韌性，但會(huì)削弱金剛石涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)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(huì)妨礙金剛石生長。”

　　去鈷處理時(shí)，需要有選擇地蝕刻掉最適當(dāng)?shù)暮�鈷量，而不�?huì)過分削弱本身已很纖細(xì)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(duì)刀具完整性的影響降至最小。”

　　論文指出，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究團(tuán)隊(duì)在完成蝕刻后進(jìn)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(jié)塊會(huì)導(dǎo)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(jìn)行超聲波清洗的方法，以確保去除大的晶粒團(tuán)塊，從而實(shí)現(xiàn)均勻引晶。

　　然后，采用該研究團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)和制造的熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，在刀具上生長出了納米晶粒和細(xì)顆粒金剛石(Carpick確認(rèn)，納米晶粒金剛石的粒度為10～100µm，細(xì)顆粒金剛石的粒度大于100nm，小于300nm)。該沉積系統(tǒng)包括一個(gè)沉積室，其中，溫度至少保持在1800℃的鎢絲周圍充滿保護(hù)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(duì)于微型刀具而言太厚了，因?yàn)槲赐繉游⑿偷毒叩那邢魅邪霃匠３２坏?µm。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(rèn)為，事實(shí)上，微型刀具的幾何特征并不像所希望的那樣精確，“對(duì)于切削時(shí)所產(chǎn)生的切屑載荷而言，微型立銑刀的切削刃半徑已經(jīng)比我們所期望的更大”。

　　除了與具有熱絲CVD沉積經(jīng)驗(yàn)的研究人員合作以外，該團(tuán)隊(duì)之所以選擇這種沉積工藝，是因?yàn)橛闷渌麮VD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(gè)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(gè)理由是因?yàn)樗�不�?huì)產(chǎn)生這種‘狗骨效應(yīng)’。”

　　涂層不僅要�。�而且必須與基體有良好的粘附性，同時(shí)還應(yīng)連續(xù)和光滑，盡管后一種特性很難量化。Carpick說：“對(duì)于光滑性，我們正在努力消除對(duì)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(rèn)為，略有一點(diǎn)粗糙可能是有益的，因?yàn)樗�或許有助于防止工件材料粘結(jié)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(yīng)基體表面形貌，包括刀具磨削加工產(chǎn)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(jīng)相當(dāng)粗糙，我們不需要使它們更粗糙。”

　　鋁的立銑加工

　　據(jù)Carpick介紹，該團(tuán)隊(duì)的分院重點(diǎn)集中在用涂層微型立銑刀加工6061-T6鋁材料，因?yàn)闃I(yè)界希望增加該材料在各種零件(包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體)制造中的應(yīng)用。此外，鋁很容易粘結(jié)到硬質(zhì)合金刀具上，但不容易粘結(jié)到金剛石刀具上因?yàn)榻饎偸�的摩擦系�?shù)較小、粘結(jié)性較低。為了進(jìn)行切削試驗(yàn)．研究人員在哈斯TM-1數(shù)控銑床上安裝了一個(gè)電驅(qū)動(dòng)和帶陶瓷軸承的 高速電主軸。在全部試驗(yàn)中，該高速主軸的轉(zhuǎn)速為4000r/min，給定進(jìn)給率為500mm/min。Performance Micro Tool公司為試驗(yàn)提供了微型立銑刀。試驗(yàn)采用于切削，但有一套裝有兩個(gè)噴嘴的濕度控制系統(tǒng)吹出濕潤空氣通過刀尖。Carpick說，“濕潤的加工環(huán)境會(huì)顯著降低刀具的摩擦和磨損�！�