旋转刀具的发展趋势(上)

2018-03-28 82

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在过去五年里，德国刀具工业的销售状况，除了正常的波动以外，总的趋势是持续上升的，但是产品的供货期延长了。随着经济情况的进一步好转，必须加快新产品开发并重视关系着刀具制造业前途的研究开发工作。使2000年以后制造业能应用更高效的刀具。
a 灰铸铁 b 球墨铸铁 c 锻钢
d 铝合金 e 其它
图1 轿车工业工件材料发展趋势
a 钢 b 铝合金 c 钴基合金
d 镍基合金 e 钛合金 f 合成材料
图2 飞机发动机工业工件材料发展趋势

那么，当前哪些课题对刀具工业最重要呢?可以列出以下十个方面：

如何加工新出现的工件材料；
关于硬-干-高速加工；
关于电泳沉积工艺，以及梯度结构的硬质合金；
关于多层涂层、纳米级涂层；
关于润滑性涂层和微量润滑技术；
一次性刀具；
智能刀具；
提供具有管理功能的切削技术；
互联网对刀具工业带来的影响；
专利技术与推广普及的关系。

新的刀具要加工什么样的工件材料

在未来十年里，新开发的刀具应能加工什么样的工件材料呢?从与刀具工业关系最密切的两个工业部门--汽车工业和航空工业可以得到明确的答复。

在汽车工业里，铝合金占主导地位，图1是瑞典Volvo汽车厂工件材料构成的变化趋势。铝合金还是制造飞机机身的主要材料。在飞机发动机制造业，除了铝合金外，主要材料还有镍基合金和钛基合金，图2是瑞典Volvo飞机发动机厂工件材料构成的变化趋势。此外，上述材料构成的格局还正在发生变化，预计蠕虫状石墨铸铁(GGV)和镁合金在今后将起重要作用。

表1是这两种材料与普通灰铸铁(GG)、铝合金性能的比较，它们将影响切削加工的效率和刀具的寿命。表1 材料性能比较工件材料灰铸铁
GG25GGV铸铁
70%珠光体GGV铸铁
95%珠光体铝合金
AlSi9Cu3镁合金
AZ91HP强度Mpa230440480255225弹性模量Gpa1301451457445硬度HB19020025010072汽缸盖毛重kg40.4303027.521.5汽缸盖净重kg35.224.524.52217

硬-干-高速切削：干切削的十个相关技术

硬加工，主要是指渗碳淬火钢的加工，目前能达到的技术水平见表2。当前制造技术中最重要的趋势肯定是干切削。下面列出经济地应用这项技术的十个最重要的相关技术：

只有可通用的干式或准干式切削工艺才有价值，由于在孔加工(钻、攻丝、铰)的切削区有很高的切削温度，因此孔加工是干式切削能否通用的关键。
必须采用新的特殊的刀具几何角度，以减少刀具与工件之间的摩擦，有利于切屑的流动。
刀具材料应适合磨出锋利的刃口，以降低切削温度。
采用含TiAlN的多层涂层，阻止热量传入刀具。
用减摩涂层降低切屑流动的摩擦。
外部的微量润滑方法只对不经常更换刀具的加工是简单且有效的。
对于频繁更换刀具的加工中心机床，需要采用经主轴-刀具的内部微量润滑供给方式。
要有抽吸切屑和油雾的装置。
适用于干切切削的机床应有利于切屑的落下，并能很快将切屑从加工区清除。工作台的移动有高的加(减)速度，以提供最佳的进给速度。
必须采用高的切削速度，使热量由切屑带走。

表2 硬切削的技术状况(由汉诺威工业大学提供) 用陶瓷、CBN硬车削用超细颗粒硬质合金+TiN涂层硬铣削用超细颗粒硬质合金+TiAlN涂层硬铣削切削速度Vc(m/min)120～250200～35040～60进给量f(mm/Z)0.05～0.150.1～0.20.02～0.1 粗糙度Ra(µm)1～42～52～4 精度IT5～7IT7～10
图3 干式切削在德国机械制造行业发展前景

上述十条中有几条还要进一步说明，其中最重要的是第10条，因为只有当干式切削在不降低生产率的前提下，它的优点才有现实意义，并得到广泛应用。实践证明，采用干式切削必须提高切削速度，使热量由切屑带走。实际情况比预期的还好，生产率不但没降低，甚至还提高了。关于该项技术推广的速度会有多快，专家们的看法不完全相同，图3为德国机械制造行业干式切削所占的比例：目前为6%，到2003年最佳的估计可达40%，而现实的估计为20%。

为了加快干式切削的推广工作，德国第二大汽车制造厂的做法可供借鉴，其项目实施安排的原则是：

凡是可采用干式切削的工序，必须投入适合干式切削的机床，否则可按以下原则进行加工：

首先采用微量润滑，看加工是否可行。
如果必须采用冷却，则应优先考虑乳化液。
只有在迫不得已情况下才使用油冷却。

关于干式切削机床的开发，目前至少已有12家机床厂能提供新开发的可适用干式切削的加工中心或近期将推出样机。

可替代高速钢和焊接式PCD的硬质合金

目前在市场上占主导地位的刀具材料还是传统的格局：P类用于加工钢，K类用于加工铸铁和铝合金。这样的格局即将过时，P类硬质合金的优点仅仅在于，在加工钢材时重磨后可不重涂。实际上，这个优点已显得无关紧要，如果采用涂层的超细颗粒硬质合金，与P类硬质合金相比，在重磨前寿命的增加远远超过重磨后的寿命损失，因此总寿命有很大提高，见图4。

为提高硬质合金的韧性，通常是增加钴的含量，由此带来的硬度降低现在可通过细化粒度得到补偿(见图5)，从而使超细颗粒硬质合金受到青睐。尤其在机床刚性较差或加工条件不稳定的场合，如果用普通硬质合金刀具迟早会打刀。图6是用超细颗粒硬质合金制造的曲轴油孔钻，孔深为25d，代表了此类刀具当前的最高水平。
a TiN涂层 b 重磨后
图4 K40UF与P40刀具耐用度比较
图5 K类硬质合金的硬度和强度
图6 用超细颗粒硬质合金制造的曲轴油孔钻
图7 梯度硬质合金K40UF金相结构

细颗粒硬质合金的另一个优点是刀具的刃口锋利，适合加工那些很粘的工件材料。高的强度和锋利的刃口，即使在加工条件恶劣的场合也可取代高速钢刀具，从而使硬质合金刀具的应用范围更加广泛。

尽管用纳米级细颗粒制造的硬质金硬度和强度都达到了最高值，但价格太贵。于是开发了一种芯部韧、表面硬的梯度性能硬质合金材料(图7)。目前这种材料还只能用粗颗粒硬质合金制造。这样连续的(无级的)梯度结构材料很适合制造刃口圆弧不变的刀具(如立铣刀、铰刀)。

对于有端刃的刀具，如钻头、锥铣刀等，其横刃磨损很快，对此，电脉沉积能够带来突破。该项技术能够以很小的变化率改变涂层的韧性和硬度的比例，它可将梯度性能的颗粒沉积到刀具任意形状的表面上。当能沉积致密的金刚石涂层时，焊接式的金刚石刀具，由于其价格昂贵、不利环保、以及在复杂外形上焊接质量不稳定等弊端，将会被淘汰。

多层涂层和纳米级涂层能取代TiN吗?

在各种涂层中，TiN涂层占主导地位，而最新的涂层研究探索将刀具涂层的三个最重要的优点合在一起。

以TiN为底层构筑多层涂层，可保证涂层的最佳性能。这种涂层的生产效率也不低，因为刻蚀和涂层工序可部分地同时进行。在TiN底层上沉积的TiAlN和TiN多层结构对裂缝的吸收有最好的效果。在多层结构中，层与层之间的变化越大则使裂缝改变走向的效果越好，因而增加了裂缝向基体扩展的路程。

目前，多涂层的表层一般都是TiAlN，因为TiAlN的导热率最低。此外，由于TiAlN表层生成的氧化物为刚玉，它比由TiN表层生成的氧化物强度高。

多层涂层必须采用曾被否定的多弧工艺，多弧工艺的生产率不成问题，问题是涂层中所存在的大颗粒，这些大颗粒会阻碍切屑的流动，因此不适于涂复深孔加工刀具。

为了定量地评价这种颗粒的影响，引入了涂层滑动系数的概念，以反映涂层中颗粒的影响程度。方法是对钻削时所测得的进给力进行分析，用相应的钻削深度来表示。通过对刻蚀工艺的改进和利用较小颗粒的多层结构，可极大地改善多弧涂层的滑动性能。同时，还可通过自抛光效应提高涂层的滑动性能。在解决了多弧涂层存在的颗粒问题以后，多层涂层比通常的TiN涂层可大大提高加工效率。

纳米级涂层使刀具的硬度和耐磨性进一步提高，因此，有可能在将来放弃使用焊接式CBN、PCD刀具。纳米级涂层的技术已经掌握，即控制放电的时间与被涂刀具的旋转速度，使两者精确同步。但纳米级涂层的实用性还局限于批量涂复相同几何形状的刀具。

那些独立运行的涂层公司，通常要同时处理不同的工件，因此还不能涂纳米级。对这些公司来讲，当前最重要的是开发有实用价值的退涂技术。目前很多涂层公司还不掌握退涂和细化颗粒的技术。因此，在今后相当长的一段时间内，其主要业务还是简单的重涂。

一种更有发展前途的涂层工艺是离子注入(PII)，其原理是通过金属离子的轰击强化晶格，使硬度提高而不改变刀具的尺寸，这对精加工刀具很有利。把现有工艺与离子注入相结合能够产生新型涂层，那就是首先应用离子注入在基体上生成作为后面常规涂层的“根”，这样可达到最佳的涂层性能。

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