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新一代刀片工艺层出不穷 刀具创新与时俱进

2013年10月23日 11:01中国机床商务网点击:5065

  【中国机床商务网】导读:刀具材料方面做的大量研发工作,已取得突破性创新成果。刀片、涂层等方面均有新的突破。制造业面临一次次技术改革,刀具作为不可或缺的因素,无论是材质还是性能都有了很大的进步与发展。
  
  过去七十年,制造业经历了一场史无前例的技术革命,金属零件的加工数量提高了成百上千倍,而加工时间大大缩短。通过提高金属去除率、延长刀具寿命、减少停机次数、改善刀具拆装的便捷性、提高运行性能,从而使加工成本大幅降低。
  
  金属切削是工业生产的重要组成部分,通过提高生产效率,该领域的技术创新对整个经济的发展起着十分积极的作用。它可以促进社会繁荣,改善生活质量。
  
  刀具材质,尤其是硬质合金,是金属切削中最主要的因素之一。这是因为金属加工时,切削刃的性能在提升整个制造业生产效率方面发挥着十分巨大的作用。
  
  作为行业先锋,山特维克可乐满从五十年代开始,不断加快材质研发步伐,相继推出大量创新技术。
  
  现代切削刀具问世
  
  十九世纪初,所有金属加工公司必须自制刀具或购买非标刀具。没有任何刀具和解决方案的标准程序。刀具材料主要是高速钢,焊接硬质合金刀具逐渐开始使用。以后,机床、设备、数控和刀具取得了突飞猛进的发展,生产效率和加工质量水平显著提高。
  
  山特维克可乐满自五十年代开始推出可转位刀具以来,加工产量已经成倍翻番。我们从现成标准化刀具的思路着手,一路引领高科技刀具和加工方法新潮流。在研发制造工艺时,同样需要刀具材料的创新,需要材料科学技术知识。通过充分利用刀具材料,我们在刀片的制作过程中设定并实现了材质目标。
  
  质量和创新
  
  众所周知,1942年山特维克开始涉足金属切削行业。山特维克可乐满是在开发硬质合金作为优质刀具材料的经营理念基础上成立的。这种合成刀具材料已经为人们所熟知几十年,但是能充分利用其特性的应用还十分有限,主要用于岩石钻孔。然而,硬质合金后来取得的成功,全都归功于接二连三的创新技术。进入1943年,山特维克可乐满新研制出了六种合金刀具材质,而十年后,它就研发出了多达十二种可应用于多种领域的可优化像焊接刀具之类的的金属切削材质。
  
  如何把控用于切削刀具的硬质合金的质量是山特维克可乐满最开始面临的技术难题,这也是与客户不断交流得到的反馈。1954年,山特维克可乐满建立了一座专门的硬质合金工厂,引进了大量的研发设施,为实现严格质量控制,迈出了最关键的一步。质量控制一直被视为全世界可乐满刀具的重要基石。
  
  1957年,山特维克可乐满推出了第一批可转位刀片刀具——T-Max车削刀具系列。尽管开始可转位刀片的市场很小,但是当一些制造业行业巨头们开始采用这种刀片时,刀片工具系统的应用迎来了希望的曙光,并在日后的使用中飞速发展。加工车间已经采用效率高、产量大的加工技术,不再需要重磨的焊接刀具。
  
  早期(1956年)非涂层材质的创新是一种被称为CoromantS1Premium的刀片材质——世界上第一个提高生产效率的“助推器”。S1P大幅提高切削参数并延长使用寿命,在车床行业首屈一指,超群绝伦,大幅缩短了精加工和轻粗加工的加工时间。同时,采用优质材质刀具车削各类钢件甚至合金铸铁时,无需任何冷却液。这种材质特别适合可转位刀片,确实使业界人员大开眼界,并期盼通过刀具材料创新,改善加工环境。
  
  六十年代,还研发了适合其他应用的刀片和材质,例如铣削、钻削和螺纹切削。1963年,可乐满已经有十八种(非涂层)刀片材质上市,覆盖加工业的多个领域。
  
  涂层理念实现质的飞跃
  
  可转位刀片理念是1970年以后的重大创新。这种理念完全不用考虑硬质合金的可焊接性和可磨性等特性,打开了研发硬质合金的新思路。研究结果表明,在刀片上涂上一层很薄的涂层,对提高切削速度和延长刀具使用寿命有显著效果。采用化学蒸汽沉积法(CVD),在刀片基材上可形成一层几微米厚的坚硬碳化钛。第一款涂层合金刀片由此诞生:GC125这种开创性创新技术,使改善加工性能向前迈出了一大步。
  
  采用涂层刀片材质,通过加快切削速度和延长刀具使用寿命,大大缩短了加工时间。七十年代初,又开发了两种涂层材质(GC135和GC315),与GC125分别用于不同应用领域。最初的这三种涂层材质,是使用标准材质的基体,后来被认为是这三种材质的局限所在。之后,又研发了专用刀片基体,用于涂覆专用涂层,从而改善了涂层刀片的性能。第一种材质是1973年推出的GC1025,这种材质采用涂层专用基体,是第二代涂层材质的代表。
  
  其他刀具制造厂对这些创新技术的第一反应是持不信任态度,但是很快又不得不接受现实——因为性能确实得到明显改善,这些创新为行业制定了新标杆。
  
  创新层出不穷
  
  七十年代是极不平凡的十年,切削刀具技术的新工艺、新方法大量涌现,加工性能日益提高。1969年,一般混合式走刀车削零件的切削时间是5.5分钟。十年后,加工同样的零件仅需要1.5分钟。为什么在提高生产效率方面能取得如此惊人的进步?主要是因为持续研发涂层材质取得了显著进步。同时,山特维克可乐满七十年代研发出的多种创新型刀具解决方案也发挥了举足轻重的作用。例如:山特维克可乐满最早推出可转位刀片切断刀具,首创双涂层刀片材质和减振镗杆,率先设计出正前角车削刀片和开式波浪形断屑槽,是可转位刀片钻头的鼻祖等等。
  
  七十年代中期,首次使用含氧化铝涂层的刀片时,涂层材质向前迈出重大步伐——含氧化铝的涂层是一种化学稳定性很高的陶瓷材料,高温耐磨性高、导热系数小,可防止刀片基体受热。因此,山特维克可乐满研发并推出了用于车削领域的GC015,这款产品的主要特点是耐磨——通常用于高速车削精加工。这种材质首次使用可乐满的专利技术——双涂层解决方案,其中内层采用碳化钛涂层。
  
  此阶段的局限之一是只能涂覆一层很薄的氧化铝涂层。此前,研发刀具材料制造工艺一直是山特维克可乐满科技创新的重要课题。1980年,催化化学蒸汽沉积法已经投入应用,催生了又一代新涂层材质:GC415,用精加工。同时,研发了结实耐用的用于粗加工工序的材质GC435以及应用十分广泛的GC425材质——此时,已经完成了整个材质系列的研发,覆盖了钢件车削的全部应用范围,并加以优化。八十年代,又研发出一种工艺,使碳化钛和不同厚度的氧化铝之间结合的更加牢固,采用这种工艺,生产出了性能更高的多层涂层刀片。
  
  新一代刀片和新工艺
  

  九十年代,研发出了二十多种新材质,其中大部分是涂层材质,并且大多数用于车削,工件材质不同,工序要求也不同。我们还研制了新一代涂层车削材质(GC4000系列),其中可使用更厚碳化铝涂层的晶粒结构,强度大大改善,特别是GC4015材质,实现了更高切削速度的目标。
  
  在研发涂层工艺的同时,我们的另一条思路是同时生产不同的材质。因为陶瓷材料固有的脆性,CVD涂层不能用于带有锋利切削刃的刀具。物理气相沉积(PVD)工艺涂层采用新研发的材质((GC1025和GC1125),圆满解决了这个问题。采用PVD涂层的切削刃韧度特别高,尽管这些涂层不能达到厚CVD涂层的耐磨水平,但是其耐磨性还是比非涂层刀具好很多。
  
  从那时起,研发CVD和PVD工艺意味着两类涂层材质的应用越来越相近,从而刀片材质的程序优势互补。随着时间的推移,制造业应用场合、工况、工序、加工率、工件材料和零件质量的变化对研发这些新材质有着十分深远的影响。
  
  我们在刀具材料方面做了大量研发工作,已取得突破性创新成果。金刚石涂层刀片便是其中之一,这种材质通过采用合理的断屑槽形,可以代替金刚石镶尖刀片,用于车削铝合金材料。此外还有用于精加工的金属陶瓷刀片,用于超硬零件精加工的立方氮化硼刀片,用于耐热合金加工的陶瓷刀片。以及一系列重要的刀片材质,用于铣削、钻削、切断和切槽、螺纹车削的可转位刀片和整体硬质合金刀具。
  
  工艺开发
  
  九十年代中期,中温(MT)CVD涂层工艺问世,这种工艺改善了需要涂覆的碳氮化钛内层涂层晶体取向。我们还推出了细晶粒涂层,这种涂层对刀片性能发挥至关重要的作用。这些技术可以使多层涂层刀片材质强度更大,与刀片基体附着力更好,使用寿命更长,更安全,切削速度更快。
  
  新MT-CVD涂层工艺的另一大优势是基体不掉碳,在设计刀片基体时,选择范围更广。新刀片基体对切削刃变形和热裂不敏感——这两种现象都具有破坏性,因此需要避免。采用这种技术生产的第一种材质是用于铣削的涂层材质:GC3020,然后是用于车削的材质LC25。但是,这也是GC4000系列车削材质成功背后的秘密。
  
  梯度烧结技术成为山特维克可乐满研发的重要源泉。这是形成功能梯度材料之处,例如富钴表面层,可满足基体性质的平衡要求。涂层刀片基体表面带的组成成分是实现不同涂层刀片材质的重要考虑因素。这些先进技术主要用于改善切削刃的抗塑性变形能力。Gamma相主要分布在切削刃上,从而改善了硬性。切削刃以外,在碳化物中加入丰富的结合剂,可抑制开裂倾向,并提高了抗切屑冲击性。
  
  CVD涂层相对较厚,能与多种物质同时使用,达到不同效果。例如:碳氮化钛硬度大、耐磨性好,加上氧化铝的卓越性能,氮化钛形成金黄色面涂层,增加耐磨性,方便检查磨损情况。使用更薄、坚硬的PVD涂层的主要目的是通过连续或层状涂层,增加耐磨性,增加涂层层数,粒径可达纳米级。
  
  PVD涂层系列(例如综合性能较好的氮化钛)对碳氮化钛进行了改进,具有较高的耐磨性;加入钛——铝氮化物,硬度和抗氧化性大大增加;采用氧化PVD,改善化学惰性和抗月牙洼磨损性。因此,CVD和PVD涂层刀片系列构成优势互补的应用系列,其中绝大多数性质可用于对加工工序进行全面优化——切削刃的锋利度是一个重要因素。
  
  刀片材质研发的另一重要思路是后处理工艺的研发,主要包括涂层切削刃的喷砂和涂刷。这些工艺融入与涂层效果互补的不同刀片制造工艺中,对刀片表面具有显著积极作用。
  
  例如:采用喷砂作为后处理,涂层形成抗压力,刀片韧度得到改善。
  
  新世纪——新创新
  
  始于本世纪初的硬质合金材质的研发表明涂层刀片仍然具有巨大潜力,我们还将继续大规模研发。我们通过与加工车间保持密切联系、从其加工需求中认识到这种巨大潜力。通过对材质要求的韧度和耐磨性以及抗变形能力、涂层附着力、厚度和切削刃纹路可靠性进行更加仔细的研究,加强了优化应用和推荐应用范围的准确定位。
  
  二十一世纪,研发出了新一代刀片,继续加大GC4000系列产品的研发步伐。
  
  2005年,GC4225的问世标志着钢件车削这种主导中间应用领域的材质改善跃上新台阶。明显减小或完全消除磨损的研发取得重大进展。这种新材质的磨损机理截然不同,因此,刀具的使用寿命更长、更安全可靠。研发这种新材质的主要目标是在运用较高的切削速度时磨损进程慢、可预测、自然的后刀面磨损,并且这些目标已基本实现。新研发的材质如此圆满成功并得到广泛应用,以至于取代了ISOP15和P35刀片材质。已研发出的全新涂层和后处理涂层工艺,可提高性能,增加生产安全性。
  
  继续发掘涂层硬质合金的巨大潜力
  
  为了实现刀片材质技术的下一步目标,山特维克可乐满正在着力研发新的涂层技术、粉层技术、可转位刀片压制技术、切削刃处理技术、后处理技术和检测新技术。下一代切削刀具将采用可转位刀片和硬质合金刀具材料。
  
  目的还是延长刀具使用寿命,使寿命更加可预测,同时寻求增加产量的机会。这些刀具材料还为全自动化无人加工工序和有限技术监督提供解决方案,最根本的目的是降低用户金属切削加工的单件成本。
  
  涂层硬质合金自1970年上市以来,尽管基本原理还是一样,但是涂层刀片不断改进,昔日的科幻故事最终变成现实。涉及的基础研究以及工艺和研发方式方法都经历了一段漫长发展过程,因为我们掌握了实际刀片材质研发的全部知识。当今可转位刀片多层涂层以及专用的非涂层材质比先进的单涂层GC刀片的切削速度都要快很多,以前的材质根本无法相提并论。另外,提高这种刀具材料的通用性也还有巨大潜力。
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