在過去五年里，德國刀具工業(yè)的銷售狀況，除了正常的波動以外，總的趨勢是持續(xù)上升的，但是產(chǎn)品的供貨期延長了。隨著經(jīng)濟情況的進一步好轉(zhuǎn)，必須加快新產(chǎn)品開發(fā)并重視關系著刀具制造業(yè)前途的研究開發(fā)工作。使2000年以后制造業(yè)能應用更高效的刀具。
那么，當前哪些課題對刀具工業(yè)最重要呢?可以列出以下十個方面：
(1)如何加工新出現(xiàn)的工件材料；
(2)關于硬-干-高速加工；
(3)關于電泳沉積工藝，以及梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金；
(4)關于多層涂層、納米級涂層；
(5)關于潤滑性涂層和微量潤滑技術；
(6)一次性刀具；
(7)智能刀具；
(8)提供具有管理功能的切削技術；
(9)互聯(lián)網(wǎng)對刀具工業(yè)帶來的影響；
(10)專利技術與推廣普及的關系。
新的刀具要加工什么樣的工件材料
在未來十年里，新開發(fā)的刀具應能加工什么樣的工件材料呢?從與刀具工業(yè)關系最密切的兩個工業(yè)部門--汽車工業(yè)和航空工業(yè)可以得到明確的答復。
在汽車工業(yè)里，鋁合金占主導地位，圖1是瑞典Volvo汽車廠工件材料構(gòu)成的變化趨勢。鋁合金還是制造飛機機身的主要材料。在飛機發(fā)動機制造業(yè)，除了鋁合金外，主要材料還有鎳基合金和鈦基合金，圖2是瑞典Volvo飛機發(fā)動機廠工件材料構(gòu)成的變化趨勢。此外，上述材料構(gòu)成的格局還正在發(fā)生變化，預計蠕蟲狀石墨鑄鐵(GGV)和鎂合金在今后將起重要作用。
表1是這兩種材料與普通灰鑄鐵(GG)、鋁合金性能的比較，它們將影響切削加工的效率和刀具的壽命。
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a 灰鑄鐵 b 球墨鑄鐵 c 鍛鋼 d 鋁合金 e 其它 |
a 鋼 b 鋁合金 c 鈷基合金 d 鎳基合金 e 鈦合金 f 合成材料 |
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圖1 轎車工業(yè)工件材料發(fā)展趨勢 |
圖2 飛機發(fā)動機工業(yè)工件材料發(fā)展趨勢 |
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工件材料 |
灰鑄鐵GG25 |
GGV鑄鐵 (70%珠光體) |
GGV鑄鐵 (95%珠光體) |
鋁合金AlSi9Cu3 |
鎂合金AZ91HP |
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強度MPa |
230 |
440 |
480 |
255 |
225 |
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彈性模量Gpa |
130 |
145 |
145 |
74 |
45 |
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硬度HB |
190 |
200 |
250 |
100 |
72 |
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汽缸蓋毛重kg |
40.4 |
30 |
30 |
27.5 |
21.5 |
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汽缸蓋凈重kg |
35.2 |
24.5 |
24.5 |
22 |
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硬-干-高速切削：干切削的十個相關技術
硬加工，主要是指滲碳淬火鋼的加工，目前能達到的技術水平見表2。當前制造技術中最重要的趨勢肯定是干切削。下面列出經(jīng)濟地應用這項技術的十個最重要的相關技術：
(1)只有可通用的干式或準干式切削工藝才有價值，由于在孔加工(鉆、攻絲、鉸)的切削區(qū)有很高的切削溫度，因此孔加工是干式切削能否通用的關鍵。
(2)必須采用新的特殊的刀具幾何角度，以減少刀具與工件之間的摩擦，有利于切屑的流動。
(3)刀具材料應適合磨出鋒利的刃口，以降低切削溫度。
(4)采用含TiAlN的多層涂層，阻止熱量傳入刀具。
(5)用減摩涂層降低切屑流動的摩擦。
(6)外部的微量潤滑方法只對不經(jīng)常更換刀具的加工是簡單且有效的。
(7)對于頻繁更換刀具的加工中心機床，需要采用經(jīng)主軸-刀具的內(nèi)部微量潤滑供給方式。
(8)要有抽吸切屑和油霧的裝置。
(9)適用于干切切削的機床應有利于切屑的落下，并能很快將切屑從加工區(qū)清除。工作臺的移動有高的加(減)速度，以提供最佳的進給速度。
(10)必須采用高的切削速度，使熱量由切屑帶走。
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表2 硬切削的技術狀況(由漢諾威工業(yè)大學提供) |
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用陶瓷、CBN硬車削 |
用超細顆粒硬質(zhì)合金+TiN涂層硬銑削 |
用超細顆粒硬質(zhì)合金+TiAlN涂層硬銑削 |
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切削速度Vc(m/min) |
120～250 |
200～350 |
40～60 |
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進給量f mm |
0.05～0.15 |
0.1～0.2 |
0.02～0.1 |
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粗糙度Ra μm |
1～4 |
2～5 |
2～4 |
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精度 |
IT5～7 |
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IT7～10 |
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圖3 干式切削在德國機械制造行業(yè)發(fā)展前景 |
上述十條中有幾條還要進一步說明，其中最重要的是第10條，因為只有當干式切削在不降低生產(chǎn)率的前提下，它的優(yōu)點才有現(xiàn)實意義，并得到廣泛應用。實踐證明，采用干式切削必須提高切削速度，使熱量由切屑帶走。實際情況比預期的還好，生產(chǎn)率不但沒降低，甚至還提高了。關于該項技術推廣的速度會有多快，專家們的看法不完全相同，圖3為德國機械制造行業(yè)干式切削所占的比例：目前為6%，到2003年最佳的估計可達40%，而現(xiàn)實的估計為20%。
為了加快干式切削的推廣工作，德國第二大汽車制造廠的做法可供借鑒，其項目實施安排的原則是：
凡是可采用干式切削的工序，必須投入適合干式切削的機床，否則可按以下原則進行加工：
①首先采用微量潤滑，看加工是否可行。
②如果必須采用冷卻，則應優(yōu)先考慮乳化液。
③只有在迫不得已情況下才使用油冷卻。
關于干式切削機床的開發(fā)，目前至少已有12家機床廠能提供新開發(fā)的可適用干式切削的加工中心或近期將推出樣機。
可替代高速鋼和焊接式PCD的硬質(zhì)合金
目前在市場上占主導地位的刀具材料還是傳統(tǒng)的格局：P類用于加工鋼，K類用于加工鑄鐵和鋁合金。這樣的格局即將過時，P類硬質(zhì)合金的優(yōu)點僅僅在于，在加工鋼材時重磨后可不重涂。實際上，這個優(yōu)點已顯得無關緊要，如果采用涂層的超細顆粒硬質(zhì)合金，與P類硬質(zhì)合金相比，在重磨前壽命的增加遠遠超過重磨后的壽命損失，因此總壽命有很大提高，見圖4。
為提高硬質(zhì)合金的韌性，通常是增加鈷的含量，由此帶來的硬度降低現(xiàn)在可通過細化粒度得到補償(見圖5)，從而使超細顆粒硬質(zhì)合金受到青睞。尤其在機床剛性較差或加工條件不穩(wěn)定的場合，如果用普通硬質(zhì)合金刀具遲早會打刀。圖6是用超細顆粒硬質(zhì)合金制造的曲軸油孔鉆，孔深為25d，代表了此類刀具當前的最高水平。
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a TiN涂層 b 重磨后 |
圖5 K類硬質(zhì)合金的硬度和強度 |
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圖4 K40UF與P40刀具耐用度比較 |
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圖6 用超細顆粒硬質(zhì)合金制造的曲軸油孔鉆 |
圖7 梯度硬質(zhì)合金K40UF金相結(jié)構(gòu) |
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細顆粒硬質(zhì)合金的另一個優(yōu)點是刀具的刃口鋒利，適合加工那些很粘的工件材料。高的強度和鋒利的刃口，即使在加工條件惡劣的場合也可取代高速鋼刀具，從而使硬質(zhì)合金刀具的應用范圍更加廣泛。
盡管用納米級細顆粒制造的硬質(zhì)金硬度和強度都達到了最高值，但價格太貴。于是開發(fā)了一種芯部韌、表面硬的梯度性能硬質(zhì)合金材料(圖7)。目前這種材料還只能用粗顆粒硬質(zhì)合金制造。這樣連續(xù)的(無級的)梯度結(jié)構(gòu)材料很適合制造刃口圓弧不變的刀具(如立銑刀、鉸刀)。
對于有端刃的刀具，如鉆頭、錐銑刀等，其橫刃磨損很快，對此，電脈沉積能夠帶來突破。該項技術能夠以很小的變化率改變涂層的韌性和硬度的比例，它可將梯度性能的顆粒沉積到刀具任意形狀的表面上。當能沉積致密的金剛石涂層時，焊接式的金剛石刀具，由于其價格昂貴、不利環(huán)保、以及在復雜外形上焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端，將會被淘汰。
多層涂層和納米級涂層能取代TiN嗎?
在各種涂層中，TiN涂層占主導地位，而最新的涂層研究探索將刀具涂層的三個最重要的優(yōu)點合在一起。
以TiN為底層構(gòu)筑多層涂層，可保證涂層的最佳性能。這種涂層的生產(chǎn)效率也不低，因為刻蝕和涂層工序可部分地同時進行。在TiN底層上沉積的TiAlN和TiN多層結(jié)構(gòu)對裂縫的吸收有最好的效果。在多層結(jié)構(gòu)中，層與層之間的變化越大則使裂縫改變走向的效果越好，因而增加了裂縫向基體擴展的路程。
目前，多涂層的表層一般都是TiAlN，因為TiAlN的導熱率最低。此外，由于TiAlN表層生成的氧化物為剛玉，它比由TiN表層生成的氧化物強度高。
多層涂層必須采用曾被否定的多弧工藝，多弧工藝的生產(chǎn)率不成問題，問題是涂層中所存在的大顆粒，這些大顆粒會阻礙切屑的流動，因此不適于涂復深孔加工刀具。
為了定量地評價這種顆粒的影響，引入了涂層滑動系數(shù)的概念，以反映涂層中顆粒的影響程度。方法是對鉆削時所測得的進給力進行分析，用相應的鉆削深度來表示。通過對刻蝕工藝的改進和利用較小顆粒的多層結(jié)構(gòu)，可極大地改善多弧涂層的滑動性能。同時，還可通過自拋光效應提高涂層的滑動性能。在解決了多弧涂層存在的顆粒問題以后，多層涂層比通常的TiN涂層可大大提高加工效率。
納米級涂層使刀具的硬度和耐磨性進一步提高，因此，有可能在將來放棄使用焊接式CBN、PCD刀具。納米級涂層的技術已經(jīng)掌握，即控制放電的時間與被涂刀具的旋轉(zhuǎn)速度，使兩者精確同步。但納米級涂層的實用性還局限于批量涂復相同幾何形狀的刀具。
那些獨立運行的涂層公司，通常要同時處理不同的工件，因此還不能涂納米級。對這些公司來講，當前最重要的是開發(fā)有實用價值的退涂技術。目前很多涂層公司還不掌握退涂和細化顆粒的技術。因此，在今后相當長的一段時間內(nèi)，其主要業(yè)務還是簡單的重涂。
一種更有發(fā)展前途的涂層工藝是離子注入(PII)，其原理是通過金屬離子的轟擊強化晶格，使硬度提高而不改變刀具的尺寸，這對精加工刀具很有利。把現(xiàn)有工藝與離子注入相結(jié)合能夠產(chǎn)生新型涂層，那就是首先應用離子注入在基體上生成作為后面常規(guī)涂層的"根"，這樣可達到最佳的涂層性能。
