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微型刀具進行涂層，一些大學正在開展相關(guān)研究。本文是大學的一些研究成果，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涂層刀具的反應。

　　應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。由威斯康星大學麥迪遜分校、賓夕法尼亞大學和阿貢國家實驗室的研究人員組成的研究團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行了蝕刻試驗。據(jù)威斯康星大學麥迪遜分校機械工程系助理教授Flank E. 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和賓州大學機械工程和應用力學系副教授Robert W. Carpick(他在威斯康星大學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最適當?shù)暮�鈷量，而不會過分削弱本身已很纖細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最小。”

　　論文指出，威斯康星大學麥迪遜分校的研究團隊在完成蝕刻后進行了引晶操作：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行超聲波清洗的方法，以確保去除大的晶粒團塊，從而實現(xiàn)均勻引晶。

　　然后，采用該研究團隊自行設(shè)計和制造的熱絲化學氣相沉積系統(tǒng)，在刀具上生長出了納米晶粒和細顆粒金剛石(Carpick確認，納米晶粒金剛石的粒度為10～100µm，細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認為，事實上，微型刀具的幾何特征并不像所希望的那樣精確，“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是唯一可以使用的方法，選擇該方法的個理由是因為它不會產(chǎn)生這種‘狗骨效應’。”

　　涂層不僅要薄．而且必須與基體有良好的粘附性，同時還應連續(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，給定進給率為500mm/min。Performance Micro Tool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。”