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(yīng)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zui后確定微型刀具涂層是否有利于加工，以及涂層的*方式。
　　
　　為了了解如何更有效地對微型刀具進(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、確定的涂層方法，以及研究不同工件材料對涂層刀具的反應(yīng)。
　　
　　應(yīng)用日益增多的金剛石涂層
　　
　　對金剛石涂層的挑戰(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)和阿貢國家實驗室的研究人員組成的研究團(tuán)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(jìn)行了蝕刻試驗。據(jù)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機械工程系助理教授FlankE.Pfefferkorn介紹，該試驗的目的之一是在硬質(zhì)合金基體與金剛石涂層之間創(chuàng)建一種機械連結(jié)。
　　
　　Pfefferkorn和賓州大學(xué)機械工程和應(yīng)用力學(xué)系副教授RobertW.Carpick（他在威斯康星大學(xué)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(jìn)行微尺寸于切削”的論文中指出鈷結(jié)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(jié)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zui適當(dāng)?shù)暮捔浚粫^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，使其對刀具完整性的影響降至zui小。”
　　
　　該論文指出，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究團(tuán)隊在完成蝕刻后進(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，從而實現(xiàn)均勻引晶。
　　
　　然后，采用該研究團(tuán)隊自行設(shè)計和制造的熱絲化學(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*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，事實上，微型刀具的幾何特征并不像所希望的那樣，“對于切削時所產(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)驗的研究人員合作以外，該團(tuán)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*可以使用的方法，選擇該方法的個理由是因為它不會產(chǎn)生這種‘狗骨效應(yīng)’。”
　　
　　涂層不僅要薄．而且必須與基體有良好的粘附性，同時還應(yīng)連續(xù)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(rèn)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(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(yè)界希望增加該材料在各種零件（包括發(fā)動機缸體）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)到金剛石刀具上因為金剛石的摩擦系數(shù)較小、粘結(jié)性較低。為了進(jìn)行切削試驗．研究人員在哈斯TM-1數(shù)控銑床上安裝了一個電驅(qū)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(zhuǎn)速為4000r/min，給定進(jìn)給率為500mm/min。PerformanceMicroTool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(tǒng)吹出濕潤空氣通過刀尖。Carpick說，“濕潤的加工環(huán)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(zhì)合金刀具在切削液噴霧冷卻條件下進(jìn)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(shù)據(jù)的分析顯示，分別采用未涂層立銑刀、0.5～1µm厚的細(xì)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(xì)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(jìn)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(shù)據(jù)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(yīng)歸功于金剛石涂層更小的摩擦和粘結(jié)。
　　
　　因此，Pfefferkorn懷疑，鋁容易與硬質(zhì)合金發(fā)生粘結(jié)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(xù)切削過程．由于切削刃只在180°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)切削工件，因而很少產(chǎn)生連續(xù)切屑。而在干切削時，未涂層立銑刀偶爾也會產(chǎn)生連續(xù)切屑，這是因為一個新產(chǎn)生的切屑粘結(jié)在排屑槽表面．在下一個新產(chǎn)生的切屑被推向它、基本上與它焊在一起后才被帶走。Pfefferkorn認(rèn)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(fā)現(xiàn)．金剛石涂層立銑刀加工表面的刀痕更規(guī)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(chǎn)生了大量切削熱。Carpick說．“切削中產(chǎn)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(xì)晶粒金剛石涂層刀具和40%的納米金剛石涂層刀具出現(xiàn)了涂層剝落現(xiàn)象，而這種情況通常發(fā)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(xiàn)出與未涂層刀具類似的性能，或者突然發(fā)生*失效。因此．下步需要研究如何改善涂層的粘附性能。
　　
　　減少切削熱
　　
　　關(guān)于在微切削時所產(chǎn)生的切削熱，其他些大學(xué)的研究者得出了不同的結(jié)論。普渡大學(xué)的研究認(rèn)為，微型切削刀具不會產(chǎn)生大量切削熱。普渡大學(xué)機械工程技術(shù)系副教授MarkJackson表示，這是因為微型刀具需要高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的任何熱量都立即被切屑一起帶走．這些切屑雖然很細(xì)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(chǎn)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(xué)博士GrantRobinson同意這一觀點，“在宏觀尺度下為減少和帶走熱量而設(shè)計的涂層在微觀尺度下*沒有必要，因為在微觀尺度下，切削熱并不是導(dǎo)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(xué)的研究人員進(jìn)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(chǎn)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(xué)的研究人員將壓縮空氣引向切削區(qū)．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(shù)就會增大（甚至包括涂層刀具也是如此），從而導(dǎo)致溫度升高．因為這樣會產(chǎn)生金屬與金屬的粘結(jié)，而不是金屬與氧化物的粘結(jié)”。
　　
　　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(yīng)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(yè)性應(yīng)用的、直徑250～750µm的硬質(zhì)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(jìn)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(guī)刀具涂層進(jìn)行了對比。
　　
　　涂層以外的其他問題
　　
　　與那些認(rèn)為在微加工中．刀具涂層能夠提高生產(chǎn)率和延長刀具壽命的觀點相反，Robinson認(rèn)為，為了有效形成切屑和正確進(jìn)行微加工，微型刀具必須從根本上重新進(jìn)行設(shè)計。這是因為，用常規(guī)設(shè)計的刀具進(jìn)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zui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(xù)解釋說事實上微型刀具旋轉(zhuǎn)得如此之快，以至于每轉(zhuǎn)可能只前進(jìn)1nm，而對于未切削切屑厚度而言，要達(dá)到形成切屑所需的臨界水平，這一距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。當(dāng)?shù)毒咭贿呅D(zhuǎn)一邊前進(jìn)時，只是在磨擦（而不是切削）工件材料。在達(dá)到形成切屑的臨界值之前，可能需要旋轉(zhuǎn)數(shù)百轉(zhuǎn)——也許無需那么多。Robinson說．“我不認(rèn)為有人已經(jīng)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(guī)方法設(shè)計的微型刀具進(jìn)行涂層，將會進(jìn)一步妨礙它正確切削。
　　
　　“在微切削領(lǐng)域．還有大量有關(guān)切削機理的問題沒有獲得解答，或許我還需要繼續(xù)為此忙碌30年。”Jackson如是說。
　　
　　合理選用微型刀具涂層
　　
　　Harvey刀具公司技術(shù)副總裁JeffDavis認(rèn)為，刀具涂層特別有益于難加工材料的微細(xì)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(chǎn)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(tǒng)及服務(wù)供應(yīng)商CemeCon公司總裁GaryLake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(dāng)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(fā)生粘結(jié)和轉(zhuǎn)移。因此，當(dāng)硅含量高于10%時，鑒于工件材料的磨蝕性，應(yīng)該采用CVD金剛石涂層刀具。
　　
　　Davis說，大多數(shù)涂層公司將陰極電弧沉積技術(shù)應(yīng)用于各種涂層，因為該方法可將90%以上的靶材蒸發(fā)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(guān)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(chǎn)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(dāng)?shù)毒叱叽缭絹碓叫r，其負(fù)面作用就變得越來越明顯，此時，刀具涂層商需要調(diào)整工藝．使液滴尺寸zui小化或避免出現(xiàn)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*無法接受的。采用陰極電弧工藝沉積涂層時，zui終會出現(xiàn)金屬相的粗大顆粒粘在涂層表面，由于微型刀具很纖細(xì)，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1～2µm之間。
　　
　　Lake補充說．對硬質(zhì)合金微型立銑刀進(jìn)行涂層主要是為了提高生產(chǎn)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(zhì)合金微型刀具涂層將會提高其性能，對于任何其它硬質(zhì)合金刀具也同樣如此。”
　　
　　姑且不論對微型刀具進(jìn)行涂層的技術(shù)難度，許多商業(yè)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(xì)脆弱的刀則尺容易被損壞。據(jù)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(zhuǎn)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(shè)備，這就不會成為問題．但大多數(shù)制造商都沒有這種設(shè)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(shù)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。”