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纳米金刚石涂层刀具在复合材加工过程中的剥层磨损摘要纳米结构的金刚石（纳米金刚石）涂层刀具很有潜能替代昂贵的多晶金刚石刀具。然而涂层分层依旧是造成严重刀具故障的主要磨损形式。研究刀具磨损将有助于理解机械加工参数对涂层分层的影响。更重要的是，监控涂层分层详情可以预防生产损失，协助规划工艺。在该研究中，纳米金刚石涂层刀具在铝基复合材料的机械加工工程中被研究。大范围切削条件内外径车削结果得到分析。光学显微镜周期性测量刀具侧面磨损带，扫描电子显微镜不间断监测磨损刀具。一个测力计和一台声发射传感器也被用来监控机械加工过程中的刀具状态。研究结果可概括为如下几点：（1）由于涂层分层，刀具磨损阶段中，侧面磨损突然增加之后，紧跟着是较低的磨损率，这个现象在所有机械加工条件的测试中是一致的；（2）一旦涂层分层，切削力随着高数值动态力的切削急剧增加，在径向和轴向分量中尤为明显；（3）在涂层分层发生前后，包括原始数据、均方根和频率响应在内的声频信号均显示出明显不同的特征。从该研究中得到的重要结论包括以下几点：（1）由于增加的机械负载，在涂层分层之前的时间内，反馈对切削有更加显著的影响；（2）与传统的微晶金刚石涂层刀具相比，纳米金刚石涂层刀具对涂层分层磨损有更好的抵抗力；（3）声频发射信号可以被用来确认涂层分层是否发生，该动作通过识别声发射信号的均方根数值的显著弱化来实现。1.前言由于自身特殊的摩擦学性能，人造多晶金刚石（PCD）一般被用在有色金属材料的机械加工工业中，然而PCD的加工和处理成本很高。另一方面，利用化学气相沉积法（CVD）制造金刚石涂层刀具的过程已经在各种各样的机械加工应用中得到发展和评估。针对化学气相沉积法制造的金刚石涂层刀具性能显示它们具有化学气相沉积法制造的金刚石刀具性能的复合性能。大多数报告显示化学气相沉积法制造的金刚石刀具的耐磨性与人造多晶金刚石的耐磨性相比还有很大差距。一些研究更进一步在机械加工之后的涂层和基质之间观测到涂层剥落和缺口。一些新的沉积技术已经得到革新来提升金刚石涂层刀具的性能。例如，一项高能量的微波等离子体辅助化学气相沉积法技术也得到发展，用来提高有纳米结构金刚石薄膜（纳米金刚石）的金刚石涂层刀具的质量，它可以提供高硬度和光滑的表面，同时可以改善附着力。涂层分层是主要磨损机制，并且经常造成灾难性的刀具故障，可以影响部分加工质量和终端加工操作。因此，侧重于涂层分层的刀具磨损监控机制可以预防生产损失，协助规划工艺。此外，研究机械加工参数如何影响分层磨损可以帮助理解引发涂层分层的因素。因为声发射信号对刀具磨损的高灵敏度,声频信号声发射传感器被作为加工过程中刀具磨损监控的一种可行性手段被加以利用. Moriwaki and Tobito报告称随着刀具磨损的进行，持续的声频信号振幅到脉冲声频信号振幅有一个过渡。Cho and Komvopoulos 演示了用涂层刀具机械加工美国钢铁协会（AISI）标准下的4340号钢时，对收集到的声发射信号进行的频谱分析。他们的结果表明塑性变形产生低频连续信号，但是涂层分层和碳化物的去除产生高频信号。在本研究中，铝基复合材料的加工过程得到分析用来研究纳米金刚石涂层切削刀具。大范围的切削加工条件得到测试。伴随刀具磨损模型特征也被扫描电子显微镜加以描述，侧面磨损带的变化也被分析。另外，机械加工过程中的声发射信号也被监控。目的在于描述出纳米金刚石涂层刀具磨损的特征，研究切削参数对分层磨损的影响，监控机械加工过程中的涂层分层现象。2.实验步骤 2.1.材料和几何 对纳米金刚石涂层刀具的制造来讲，基质为含钴质量百分比为6%的细晶钨合金（钴碳化钨硬质合金）。基质为边长为12.7mm，厚度为3.2mm和0.8mm圆角半径的正方形嵌入件（比重422）。金刚石薄膜利用一种高能量微波等离子辅助化学气相沉积法进行沉积得到。氢气中的甲烷混合物被当做原料气体利用。被维持在一个对甲烷固定比例的氮气被通入混合气体中，通过阻止晶粒生长来得到纳米结构。压力大约为90托，基质温度约为800，基质沉积速度大致为1微米/小时，倾斜表面的涂料厚度估计为25-30微米。我们同样估计了具有可比较的涂层厚度的同种外形和尺寸的传统的细晶金刚石涂层刀具（MCD）。图1与显微结构相比，在切削边缘，纳米金刚石刀具和传统的细晶金刚石涂层刀具。一项独立研究表明，传统的细晶金刚石涂层刀具的晶粒尺寸平均为3-5微米，另一方面，用来比较的纳米金刚石涂层刀具有更加细化的晶粒。 2.2测试仪器和方法 一台美国哈挺眼镜蛇42型号的计算机数控机床来演示机械加工实验，外径切削，来估计纳米金刚石涂层刀具的磨损效应。纳米金刚石涂层切削刀具安装在刀具架（CSRNL-164D）上之后包括0前角，11后角和75导程角,工件为A359/SiC-20p复合材料组成的圆棒。用到的机械加工参数包括两个切削速度（4m/s和8m/s）和两个进给速度（0.15mm/r和0.3mm/r），切削深度保持1mm不变。机械加工在没有使用冷却剂的室温条件下进行，对每一种加工条件，测试重复两次。在机械加工测试期间，光学显微镜周期性检查切削刀具来测量侧面磨损带。测试结束之后磨损刀具也被扫描电子显微镜检测。另外，机械加工期间切削力也被基斯特勒测力计（9257B型）监控，一台声发射传感器也被用来获得整个机械加工操作过程中声频信号原始数据和声频信号的均方根数值。使用的传感器是基斯特勒生产的8152B型压电电子传感器。声频信号原始数据和声频信号的均方根数值通过500kHz的采样频率获得。图2展示了机械加工实验装置的设置。3.实验结果与讨论 3.1刀具磨损与切削条件 图3显示了不同机械加工条件下刀具磨损生长，侧面磨损带宽度随着切削时间的变化。同时展示了两个重复试验的结果。在单一条件下，磨损带的突然增加之后刀具呈现出一个缓慢增长的刀具磨损。据此我们认为，在某种特定条件下，涂层分层发生并导致外露基质材料，比如碳化的快速磨损。刀具磨损和涂层分层（突然磨损增加）很大程度上取决于机械加工条件。与切削速度相比，进给量对机械超载导致的涂层分层的影响更为显著。对于大进给和低切削速度的切削条件（0.3mm/r，4m/s），刀具突然磨损增加之前的时间不到1min；然而，对于小进给和高切削速度的切削条件（0.15mm/r，8m/s），刀具在使用差不多两分钟之后才出现涂层分层。另一方面，在4m/s的切削速度和0.3mm/r的进给量情况下，细晶金刚石涂层刀具在切削开始12s之后发生了涂层分层。进一步的，作为一个比较基准，一个与涂层刀具具有相同基质的普通硬质合金刀具在温和的