摘要 第一,開創了高速切削等新工藝,全面提高了加工效率。高速切削作為一種新的切削工藝顯示出獨特的優越性。首先,切削效率有顯著的提高,以轎車發動機的5大件加工為例,在近10年左右的時間里,...
第一,開創了高速切削等新工藝,全面提高了加工效率。 高速切削作為一種新的切削工藝顯示出獨特的優越性。首先,切削效率有顯著的提高,以轎車發動機的5大件加工為例,在近10年左右的時間里,生產效率提高了約1~2倍,如加工鋁合金缸蓋的PCD面銑刀,銑削速度已達4021m/min,進給速度5670mm/min,比我國90年代初引進的生產線又提高了一倍;又如精加工灰鑄鐵缸體的CBN面銑刀,銑削速度已達2000m/min,比傳統的硬質合金面銑刀提高了10倍。其次,高速切削還有利于提高產品質量、降低制造成本、縮短交貨周期。此外,在高速切削技術的基礎上,開發了干切削(準干切削、微量潤滑切削)、硬切削(以車代磨、以銑代磨)等新工藝,不僅提高了加工效率,改變了傳統不同切削加工的界限,而且開創了切削加工“綠色制造”的新時代。硬切削技術已成為汽車齒輪內孔精加工、淬硬模具加工實用的高效新工藝,圖1所示為加工65HRC的模具。
與此同時,根據不同的加工要求還出現了高進給速度的高效加工工藝或高生產率加工工藝(HPM、HSM),反映出高速切削技術的巨大發展潛力。
第二,以硬質合金材料為主的各種刀具材料性能全面提高。
硬質合金的性能不斷改進,應用面擴大,成為切削加工主要的刀具材料,對推動切削效率的提高起到了重要作用。首先是細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的開發,顯著地提高了硬質合金材料的強度和韌性,用它制造的整體硬合金刀具,尤其是通用的量大面廣的中小規格的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具,用來代替傳統的高速鋼刀具,使切削速度和加工效率提高了數倍,把量大面廣的通用刀具帶入了高速切削的范圍,為切削加工全面進入高速切削階段打下了半壁江山。目前整體硬質合金刀具已成為國內外工具公司的常規產品,并將隨著整個切削加工水平的提高得到越來越廣泛的應用。目前,國內湖南鉆石硬質合金工具有限公司、上海工具廠有限公司、四平興工刃具有限公司等企業也都能生產整體硬質合金立銑刀、絲錐、鉆頭等系列產品,圖2所示是湖南鉆石硬質合金股份有限公司生產的整體硬質合金刀具。不僅如此,整體硬質合金還在一些復雜成形刀具中得到應用。其次,硬質合金加壓燒結等新工藝的開發和使用,提高了硬質合金的內在質量;以及針對不同加工的需求開發專用牌號的做法,又進一步提高了硬質合金的使用性能。在作為化學涂層硬質合金刀片牌號的基體材料時,開發了具有良好抗塑性變形能力和韌性表層的梯度硬質合金,提高了涂層硬質合金刀片的切削性能和應用范圍。
陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多,強度和韌性提高,擴大了應用領域和加工范圍,在鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工中代替硬質合金,提高了加工效率和產品質量。目前,這類刀具材料不僅可用在單件、小批生產,而且已用于流水線的批量生產中,并且因為價格較低,可作為干切削、硬切削的首選刀具。
PCD、CBN超硬刀具材料韌性和制造工藝的改進,使應用領域不斷擴大。用CBN制造的缸孔鏜刀已可用在自動生產線上以及鑄鐵和淬硬件的加工中,并從精加工領域擴大到半精加工領域,使切削加工的效率大幅提高。鋁合金是航空工業和汽車工業的重要材料,高效加工鋁合金是這兩個工業部門的一項關鍵技術,目前由于用PCD制造的各種高性能刀具的廣泛應用,切削效率顯著提高,最高的切削速度已達7000m/min。
產品已從原來車刀、面銑刀擴大到立銑刀、鉆頭、鉸刀、成形刀具等;PCD還是加工石墨、合成材料等非金屬材料唯一的高效刀具。可以預見,隨著CBN、PCD刀具的推廣,刀具品種將進一步增多,應用領域進一步擴大,在切削加工朝著高速、高效加工方向發展中起到領先的作用。
在刀具材料發展中仍要提到高速鋼材料的發展,盡管高速鋼刀具與硬質合金刀具相比在全世界的銷售額以每年約5%的數量在減少,但是高性能的鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用量在不斷增加。這兩種高性能高速鋼已有很長的歷史,它們比普通的高速鋼有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性,尤其是粉末冶金高速鋼的性能更好,但由于價格高,過去主要用在航空航天工業加工難加工材料。隨著人們對切削加工效率的追求和觀念的轉變,這些高性能高速鋼的刀具首先在自動線上大量采用,如鉆頭、立銑刀、絲錐等通用刀具和齒輪刀具、拉刀等精密復雜刀具,收到了提高切削速度和加工質量、使用可靠和延長刀具壽命的效果。近幾年,用高性能高速鋼制造的上述刀具已擴大應用到一般的加工中,成為國外高速鋼刀具的常規產品。
綜上所述,在各種刀具材料的發展中,硬質合金起著主導的作用,但其他刀具材料的性能也得到了顯著的改善,擴大了各自的應用領域,形成了各種刀具材料既有獨特優勢和使用范圍又相互取代補充的整體格局。可以說正是刀具材料的全面的迅速的發展為當今高速、高效率的金屬切削加工奠定了基礎。
第三,涂層成為提高刀具性能的關鍵技術。
刀具的涂層技術在現代切削加工和刀具的發展中起著十分重要的作用,自從問世以來發展非常迅速,尤其是近幾年取得了重大的進展。化學涂層(CVD)仍然是可轉位刀片的主要涂層工藝,開發了中溫CVD、厚膜三氧化二鋁、過渡層等新工藝,在基體材料改善的基礎上,使CVD涂層的耐磨性和韌性都得到提高;CVD金剛石涂層也取得了進展,提高了涂層表面光潔度,進入了實用的階段。目前,國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例已達70%以上。在此期間,物理涂層(PVD)的進展尤為引人注目,在爐子結構、工藝過程、自動控制等方面都取得了重大進展,不僅開發了適應高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層,如超級TiAlN,及綜合性能更好的TiAlCN通用涂層和DLC、W/C減摩涂層,而且通過對涂層結構的創新,開發了納米、多層結構,大幅度提高了涂層硬度和韌性。表2為瑞士PLATIT公司推出的最新涂層。
PVD涂層技術的新進展,向我們展示了涂層技術對提高刀具性能的巨大潛力和獨特的優勢:可以通過對涂層工藝參數控制和靶材、反應氣體的調整不斷開發出新的涂層,以滿足加工多樣性的需要,是提高和改善刀具性能一項又快又好的技術,有著十分廣闊的應用前景。