數(shù)控加工刀具技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢
2010/5/6 14:52:18
近年來，在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息工程和材料工程等高新技術(shù)的推動(dòng)下，傳統(tǒng)的制造技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，迅速發(fā)展成為一門新興的制造技術(shù)——數(shù)字化制造技術(shù)。對比傳統(tǒng)制造技術(shù)，其重要的特征就是數(shù)控加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，這一發(fā)展的原動(dòng)力來自于制造業(yè)對產(chǎn)品制造效率的強(qiáng)烈追求。在這一背景下，以制造業(yè)為主要服務(wù)對象的刀具制造及應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速。大量高速、高效、柔性、復(fù)合、環(huán)保的數(shù)控加工刀具及應(yīng)用新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)發(fā)生了根本的變化。如今，硬切削、干式切削、高速高效加工已成為現(xiàn)代切削技術(shù)的重要標(biāo)志，并帶動(dòng)著切削加工技術(shù)水平的全面提高，已成為數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)。刀具產(chǎn)品已發(fā)展成為高附加值、高科技含量的產(chǎn)品，包含著當(dāng)代材料、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)、微電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中的最新成果。
一、刀具材料的進(jìn)展
當(dāng)前，刀具材料進(jìn)展的主要特點(diǎn)是：一方面硬質(zhì)合金取代高速鋼成為主要的刀具材料；另一方面超硬刀具材料使用比重大幅增加。
硬質(zhì)合金基體方面
硬質(zhì)合金新牌號的開發(fā)越來越具有很強(qiáng)的針對性,如美國Kennametal公司僅針對不同被加工材料的車削加工牌號就有：加工鋼材的KC9110、加工不銹鋼的KC9225、加工鑄鐵的KY1310、加工耐熱合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非鐵材料的KY1615，新牌號比原牌號平均可提高切削效率15%～20%。山高公司推出的加工鑄鐵的TK1000、TK2000新牌號，可提高切削速度20%～30%，而該公司為加工鋼件開發(fā)的TP3000在重切削、斷續(xù)切削、大進(jìn)給的應(yīng)用中則有很好的可靠性。
鑄鐵和不銹鋼是目前兩種應(yīng)用較多的工件材料，然而兩者的可加工性有很大的差異，很多公司都開發(fā)出了加工這兩種材料的專用牌號。如株洲鉆石切削刀具股份有限公司開發(fā)的黑金剛刀片系列，是專門加工鑄鐵的硬質(zhì)合金刀片，包括可干式高速加工灰鑄鐵的YBD052、可高速加工球墨鑄鐵的YBD102、可用于中高速或銑削的YBD152及適用中低速濕式銑削或斷續(xù)條件下車削的YBD252等牌號。這些新牌號比原有的牌號可提高切削速度30%～40%，使用壽命可提高將近40%～50%。在加工不銹鋼方面，瑞典Sandvik公司車削奧氏體不銹鋼的GC2015是具有梯度區(qū)的抗塑性變形和改進(jìn)熱硬性的基體，加上專為此牌號而設(shè)計(jì)的TiN-TiN/Al2O3(多層)-TiCN涂層，并對涂層表面進(jìn)行平滑處理，提高了抗磨料磨損、抗剝落、抗積屑瘤的能力。而韓國KORLOY公司的PC9530為銑削不銹鋼的牌號，采用超細(xì)顆粒的基體和PVD涂層。
在新牌號的開發(fā)中重視基體和涂層的優(yōu)化組合
對于適合高速加工的牌號，其基體應(yīng)有較高抗塑性變形的能力和富鈷的表層及抗月牙磨損的涂層；對于適合斷續(xù)切削的牌號，基體和涂層都要有較好的韌性。Sandvik公司車削鑄鐵的專用牌號GC3205、GC3210、GC3215為CVD涂層硬質(zhì)合金，分別用于灰鑄鐵的高速加工、球墨鑄鐵的高速加工、各種鑄鐵的中低速的斷續(xù)切削加工，這三種牌號分別采用不同的硬質(zhì)合金基體和不同厚度的Al2O3、MT-TiCN涂層。日本三菱綜合材料公司開發(fā)的車削鑄鐵用的UC5105、UC5115硬質(zhì)合金CVD涂層牌號，前者用于灰鑄鐵或球墨鑄鐵的高速連續(xù)切削，采用高硬度的基體，后者用于球墨鑄鐵的不穩(wěn)定條件加工，采用強(qiáng)韌的基體；兩者均涂覆微粒Al2O3和微粒且纖維狀的TiCN厚膜。藍(lán)幟集團(tuán)的BOEHLERIT公司的車削鑄鐵牌號CasttecLC620H采用強(qiáng)韌基體，可用于斷續(xù)切削，而Al2O3的表面涂層可減小月牙洼磨損，下面還有一層互鎖的中間層提高結(jié)合強(qiáng)度，能以400m/min高速加工灰鑄鐵。
超硬刀具材料方面
隨著干切削、硬切削的發(fā)展，近年來，國外各公司都推出了陶瓷及超硬刀具材料的新牌號，如Kennametal公司的KY4400陶瓷刀片，是一種適合于硬車削的混合陶瓷材料，在1?m晶粒度的Al2O3基體中加入了TiCN硬材料，以提高刀片的硬度和韌性，適合于精車或半精車硬度達(dá)40～67HRC的淬火鋼或鑄鐵。Sandvik公司的CT5005無鎳金屬陶瓷車刀片，是用于超精加工的新牌號，適用于高效干切削或濕切削。Iscar公司推出了兩種超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金基體加PVDTiAlN涂層的908、907牌號，前者有高的抗塑性變形的能力，適用于鉆孔刀片和車螺紋刀片；后者適用耐熱合金、奧氏體不銹鋼和淬硬鋼的低中速加工。
二、刀具涂層技術(shù)取得重大進(jìn)展
先進(jìn)的涂層設(shè)備為涂層技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了重要條件，尤其是PVD涂層工藝技術(shù)，一方面，在改進(jìn)控制技術(shù)，提高等離子體密度、提高磁場強(qiáng)度、改進(jìn)陰極靶的形狀、實(shí)現(xiàn)過程的計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得了全面的進(jìn)展，從而使涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂層的性能有顯著的提高。如PLATIT和PVT公司采用的多弧涂層工藝及設(shè)備可對電弧產(chǎn)生的“液滴”進(jìn)行有效控制，使刀具涂層表面的光潔度得到很大改善。CemeCon公司開發(fā)的CC800/9涂層設(shè)備采用磁控濺射技術(shù)，從根本上避免多弧工藝的“液滴”問題，為解決磁控濺射沉積速率低、結(jié)合力低的缺陷，開發(fā)了HIS(高電離化濺射)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了H.I.P(高電離化脈沖)技術(shù)，推出了能同時(shí)具有氧化物涂層的化學(xué)穩(wěn)定性及硬質(zhì)涂層的物理特性的Supernitrides系列涂層。另一方面，涂層的品種也從常規(guī)的TiN、TiCN、TiAlN迅速擴(kuò)展到特殊TiAlN、AlTiN、TiAlCN、CrN、CBC(DLC)等涂層以及各種復(fù)合涂層和納米涂層，并能對涂層的組分、百分比、結(jié)構(gòu)在更大范圍內(nèi)加以控制和改變，以適應(yīng)不同的被加工材料和不同的切削條件，從而顯著地提高了刀具的切削性能。如Balzers的CrAlN涂層，以Cr元素代替Ti元素，具有3200Hv硬度和1100℃的氧化溫度的高性能，與TiAlN相比韌性更好，更適合于斷續(xù)切削如銑削、滾削。日立公司開發(fā)的9種涂層自成體系，除了常規(guī)的TiN、TiCN、TiAlN以外，還開發(fā)了以Si元素代替Al元素的涂層，有適用于硬切削的TiSiN涂層；有潤滑性的CrSiN涂層，在Cr中添加Si使涂層細(xì)微化進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，更適用于鋁、不銹鋼等粘附性強(qiáng)的材料的加工；有超強(qiáng)耐氧化能力的AlCrSiN涂層和在高溫下具有低摩擦系數(shù)的TiBON涂層。Balzers公司開發(fā)的并已被一些刀具制造商應(yīng)用的FUTUNANANO和FUTUNATOP是兩種TiAlN納米結(jié)構(gòu)涂層，涂層硬度均為3300Hv，開始氧化溫度900℃。納米涂層的開發(fā)和推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步提高切削加工的效率。
與此同時(shí)，為了提高加工鋁合金等非鐵金屬和非金屬材料的效率，金剛石涂層得到進(jìn)一步的應(yīng)用，產(chǎn)品覆蓋了可轉(zhuǎn)位刀具和整體硬質(zhì)合金刀具。廈門金鷺特種材料有限公司利用引進(jìn)的Balzers設(shè)備開發(fā)出了金剛石涂層整體硬質(zhì)合金球頭立銑刀。OSG公司開發(fā)出了超微粒結(jié)晶的金剛石涂層銑刀，結(jié)晶粒度為1µm，使刀具的刃口更加鋒利，減少切削中的粘結(jié)，降低了工件表面的粗糙度。
此外，提高涂層表面光潔度也是涂層技術(shù)發(fā)展的一個(gè)動(dòng)向，以提高涂層刀具抗摩擦、抗粘結(jié)的能力。在CVD涂層中，通過晶粒細(xì)化技術(shù)，使涂層表面光滑，如株洲鉆石公司用于鑄鐵精加工的YBD052黑金剛刀片，表層是細(xì)晶的Al2O3，刀片外觀光亮平滑。三菱公司的UE系列加工鋼材的CVD涂層硬質(zhì)合金刀片，采用平滑氧化鋁和平滑涂層技術(shù)，對微粒氧化鋁進(jìn)行平滑涂層處理，即在上層涂覆特殊鈦化物沉積層，表面組織平滑且化學(xué)穩(wěn)定性好，減少了刀具粘結(jié)磨損。日本不二越公司為GS立銑刀開發(fā)的GS涂層，采用平滑化技術(shù)，涂層表面的粗糙度Ra=0.08µm，Rz=1.1µm，顯著改善了涂層表面的特性。
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