摘要：作为涂层前处理最重要的一道工序，超声清洗能将涂层产品表面油污、灰尘及氧化杂质清除，保证待镀产品表面清洁，提高膜基结合力。因此，本文研究超声波清洗机以及清洗液更换频次对 PVD 镀膜的 AlCrSiN 涂层铣刀的寿命的影响，通过两组对照实验，得出以下结论。第一，进口 2CRD200 全自动清洗设备比国产九槽清洗机清洗效果好，产品走刀寿命能提高 24.09%。第二，使用 2 周以上的超声波清洗液清洗的刀具测试走刀寿命为 2.91m，更换新超声波清洗液清洗的刀具测试走刀寿命为 2.73m，频繁更换清洗液(两周一次)对提高产品待镀件清洁度，延长刀具走刀寿命影响不大。
Abstract: As the most important process of coating pretreatment, ultrasonic cleaning can remove oil, dust and oxidized impurities on the surface of the coated product, ensuring the surface of the product to be coated is clean, and improving the adhesion of the film base. Therefore, this article studies the impact of ultrasonic cleaning machine and cleaning fluid replacement frequency on the life of PVD-coated AlCrSiN coated milling cutters. Through two sets of comparative experiments, the following conclusions are drawn. First, the imported 2CRD200 cleaning equipment has a better cleaning effect than the domestic nine-slot cleaning machine, and the tool life of the product can be increased by 24.09%. Second, the test tool life of tools cleaned with ultrasonic cleaning fluid for more than 2 weeks is 2.91m, and the test tool life of tools cleaned with new ultrasonic cleaning fluid is 2.73m. Frequent replacement of cleaning fluid (once every two weeks) improves the product. The cleanliness of the parts to be plated has little effect on extending the tool life.
关键词：超声波清洗液;PVD 镀膜;刀具寿命
Key words: ultrasonic cleaning fluid;PVD coating;tool life
0 引言
随着科学技术的高速发展，超 声技术已越来越多地应用于人们的 生产和生活的各个领域。从超声测 距到超声检验，超声治疗和超声灭 菌，广泛应用于工业、农牧业和医疗 等各个行业，它已为人们所熟悉。但超声设备在表面处理 行业的应用，人们还不够熟悉和了解。超声波可以对涂层 工件施加非常巨大的能量，尤其适用于清除牢固地附着在 基底上的污垢。然而在某些情况下，不合理使用超声波也 会损伤待镀产品性质脆弱的基底材料[1-4]。 物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)是现 代制造业中发展迅速的先进制造技术，其涂层薄膜可以 有效提高工模具的物理、机械性能和有效寿命。作为 PVD 涂层前处理中最重要的一道工序，超声清洗能将涂 层产品表面油污、灰尘及氧化杂质清除，保证待镀产品 表面清洁，提高膜基结合力，从而有效提升产品性能[5]。 同时，是否拥有一套专业的清洗线设备是衡量一家涂层 企业水平的重要标准[6]。因此，选择高质量的超声清洗设 备和研究清洗设备清洗液更换频次对涂层质量至关 重要。
1 实验
1.1 涂层制备
采用非平衡磁控溅射离子镀的镀膜技术在 YG6 硬质 合金铣刀，含 WC0.4%Co6%，尺寸为 D1×9.0mm，制备 AlCrSiN 涂层，又名二研 RRC 铣刀，用于加工 PCB 印制电 路板。铣刀用切削试验进行性能测试。所用设备为意大利 进口的物理气相沉积设备(型号 ICS-S800)，采用的靶材 为 Cr 靶(纯度 99.9%)，两个 Al0.6Cr0.4 靶(纯度 99.9%)以 及 Ti0.8Si0.2 靶(纯度 99.9%)。如表 1 所示，涂层制备前， 三组铣刀各 10 把，进行标记，互相为对照实验组。经过不 同的步骤经超声清洗机清洗，烘干，去除表面油渍、水渍和 灰尘并等待使用。 涂层制备过程：前处理完成的铣刀基体被装夹到转 炉架上一起送入涂层设备，转炉架在设备中转速 5Rpm， 预抽真空到 0.5Pa，将基体加热到 450℃，通入氩气(流量 200sccm)，氩气在辉光放电下电离形成 Ar+ ，Ar+ 在基体 负偏压 700V 的吸引下刻蚀基体 13min，去除基体表面 的氧化物，增加基体的粗糙度，目的是为了增加膜基结 合 力 。
再 把 温 度 加 热 到 480℃ ， 通 入 氮 气 (流 量 250sccm)，工作气体达到 0.1Pa，在基体偏压为-100V，Cr靶以 120A 电流工作 10min 在基体表面形成 300nm 厚的Cr 打底层，为了过渡 AlCrSiN 膜层和基体的结合，缓和 AlCrSiN 膜层和基体热膨胀系数差及硬度值差异较大的 作用。随后 Cr 靶和 Al0.6Cr0.4 靶同时以 120A 的电流采 用基体偏压逐渐降低(100V-60V)的模式在 CrN 打底层 表面沉积形成多层梯度 AlCr 薄膜，第一层 AlCr 的沉积 时间为 30min，每层沉积时间减量为 5min，共 6 层;在相 同工作模式下，最后使用 Al0.6Cr0.4 靶和 Ti0.8Si0.2 靶 在 CrN 打底层表面沉积多层梯度 AlCrSiN 薄膜，涂层膜 厚为 2.0～3.0μm。
1.2 铣削实验
涂层铣刀铣削实验在金鹭的恩德 PR-2228/S4 上进 行，被加工工件的材料为 PCB 覆铜板 iT158 材料，叠板层 数为 6 层，高度为 6mm，加工线路是 Q-0.1。实验中，切削 方式为槽铣，铣刀表面的涂层分别为无洗 AlCrSiN 涂层、 脏水洗 AlCrSiN 涂层和清水洗 AlCrSiN 涂层，主轴转速为 42KRPM，下刀速度 0.3m/min，退刀速度 10m/min，行刀速 度 4m/min 对应主轴两组 1 和 2。当铣削过程中发出尖锐 的噪声且伴随较多火花时，停止铣削，进行检验，根据 ISO 标准，若铣刀后刀面磨损 VB=1/2ap≥25%μm 或者崩刃， 则认定该铣刀已达刀具使用寿命，将其从刀柄上卸下，采 用基恩士 VHX-5000 超景深三维视频显微镜测量并分析 后刀面的磨损情况。
2 结果与分析
在铣削实验中，被加工件为 PCB 印制电路版的覆铜 板 iT158 材料，AlCrSiN 涂层铣刀进行铣削实验。当走刀距 离在 1.53m 之后，未洗的铣刀后刀面涂层出现轻微磨损脱 落，但是涂层未被磨穿，铣刀基体未暴露。涂层铣刀达到自 身寿命后断裂。
随着走刀距离的增加，在 1.98m 左右时(图 1(a))，涂 层铣刀四周出现较多火花，铣刀后刀面磨损宽度为 18.02μm，达到磨钝标准，涂层被磨穿，铣刀基体显露。脏 水超声清洗涂层铣刀在进行铣削时，当走刀距离在 2.58m，铣刀后刀面磨损为轻微的磨粒磨损;走刀距离进一 步增加至 3.11m 左右时，铣刀后刀面磨损宽度为 15.35μm (图 1(b))，达到磨钝标准。清水超声清洗涂层铣刀在进行 铣削时，当走刀距离在 2.14m，铣刀涂层开始磨损脱落;走 刀 距 离 至 2.63m 左右时，铣刀后刀面磨损宽度为 20.19μm，达到磨钝标准(图 1(c))。
可见，清水超声清洗和脏水超声清洗再次经过 2CRD200 清洗机超声清洗可减轻铣刀上 AlCrSiN 涂层的 磨粒磨损，提高铣刀的使用寿命。但是频繁更换清洗液，也 就是清水相对于脏水，并没有提高铣刀的使用寿命。
通过分析比较不同超声波清洗处理步骤铣刀的使用 寿命情况。结果发现，脏水超声波清洗处理涂层铣刀走刀 距离最长寿命最高可达 3.11m(平均 2.91m 左右)，平均 寿命是无洗处理涂层的 1.32 倍，寿命提高了 32.27%;清 水处理涂层铣刀走刀距离平均为 2.73m 左右，相对与无 洗涂层寿命提高了 24.09%。可见，进口 2CRD200 清洗设 备比国产九槽清洗机清洗效果好，无论是脏水还是清水 再一次经过 2CRD200 清洗设备超声清洗产品走刀寿命 都能显著提高。
3 结论
第一，进口 2CRD200 清洗设备比国产九槽清洗机清 洗效果更优，无论是脏水还是清水再一次经过 2CRD200 清洗设备超声清洗产品走刀寿命都能显著提高，分别提高 32.27%和 24.09%。
第二，使用 2 周以上的超声波清洗液清洗的刀具测试 走刀寿命为 2.91m，更换新超声波清洗液清洗的刀具测试 走刀寿命为 2.73m，频繁更换清洗液(两周一次)对提高产 品待镀件清洁度，延长刀具走刀寿命影响不大。
参考文献：
[1]李雅莉.超声波清洗的原理和实际应用[J].清洗世界，2006 (07)：31-35.
[2]M.D. Tyona. A comprehensive study of spin coating as a thin film deposition technique and spin coating equipment [J]. Advances in Materials Research,2013,2(4).
[3]吴强，孔瑜.自适应超声波清洗机[J].金属制品，2013，39 (05)：48-50.
[4]张逢瑞.超声波清洗设备控制系统的设计与实现[D].华中 科技大学，2013.
[5]张而耕，朱州，周琼.PVD 涂层高速钢微钻用于铝合金钻削 性能研究[J].南京理工大学学报，2016，40(03)：348-353.
[6]柳琪，王进，王小连，周鹏，孙树峰.PVD 涂层工业化应用及 发展现状[J].铸造技术，2018，39(02)：440-444.
作者：郭子铭 GUO Zi-ming;林荣川 LIN Rong-chuan
