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刀片制造領域的跨越式發展

2016-04-14 15:15:23 作者：本網整理來源：

　　刀片制造領域的跨越式發展

　　硬質合金是一種硬度非常高的材料，在主要用于金屬切削加工的切削刀具中得到了廣泛的應用。在機械加工業，所提及的合金或鎢鋼通常指的就是此類硬質合金材料。采用硬質合金刀具可收獲諸多優點。相比于高速鋼刀具，在絕大多數案例中，使用硬質合金刀具加工工件不僅可收獲更佳的被加工表面質量，還可獲得更高的加工速度；硬質合金刀具能承受更高的切削熱，這也是其能實現更高金屬去除率的主要原因。當加工高合金鋼或不銹鋼這類不易加工的被加工材料時，或在大批量生產以及產能擴充的場合，諸如此類高速鋼刀具容易快速磨損的情況下，硬質合金刀具的采用通常能使得切削表現更佳。

　　硬質合金刀片的緣起

　　硬質合金刀具工業化應用于金屬切削始于二十世紀三十年代。從那以后，硬質合金就演變成了迄今為止最為常見的刀具材料。尺寸相對小的刀具往往由整體硬質合金制成；非整體硬質合金刀具僅在切削區域采用硬質合金。早期的非整體硬質合金刀具往往將硬質合金焊接至刀體上。到二十世紀四十年代，硬質合金刀具制造商們就已開始生產夾持可換式機夾刀片的刀具，并因此受益。相比于早前的焊接式刀具，這一腦洞大開的技術創新及對機械式夾緊結構的采用使得刀具強度更高；現在已被公認為里程碑式的發明，不止于工具制造業領域，還包括為整個金屬加工業帶來先進而高效的加工。

　　這一長足的進步為加工制造領域開啟了廣闊的提升空間，并立即提高了刀具的承載能力，使得刀具擁有快速去除金屬的能力。除卻為刀片因磨損失效或破損失效時更換刀片變得更簡便而經濟帶來成本降低做出保障外，還使得能分別制造切削模塊及刀體。刀片的更換往往需要考慮其形狀，快速更換失效的切削刃有幾種方式，除了沿刀片中心軸線轉位外，也有反轉刀片正反面的情況。如今最被業界認可的廣泛傳播的“可轉位刀片”這一稱謂，曾經也被稱作：可棄式刀尖、可更換式刀片、可替換式刀片。

　　硬質合金刀片的生產

　　可轉位刀片的生產技術基于粉末冶金技術，生產流程如下：硬質合金混合料制備；壓制；燒結；燒結后處理工序；涂層。盡管數十年來以上基本工序保持不變，但與此同時來自科學技術的進步卻對刀片的生產制造產生了顯著的影響。

　　在過去，刀片壓坯往往由人工進行壓制。因此，要對具有不同壓制密度的混合料壓坯統一進行燒結變得非常困難甚至難以操作。隨著越來越多具有前沿的自動化及計算機控制的先進工業設備走進硬質合金制造企業，硬質合金生產過程的技術控制越來越穩定、可控及可靠。其結果就是所生產刀片的機械加工性能變得越來越一致、加工結果具有可預見性且不因刀片批號不同導致加工結果不同；新技術還使得燒結刀片的尺寸公差帶更窄，精度更高，硬質合金刀片性能得到極大提升。

　　現如今，一臺典型的刀片壓機往往是由計算機控制的高度集結了工程學的設備。某些壓機的設計還可進行多軸向壓制。來自壓制技術的非凡進步使得生產具有復雜形狀的刀片成為可能，比如刀尖高度差異非常大的刀片（圖1）。先進的壓制技術確保能收獲更優化的刀片形狀，不僅能保證刀片表面的光滑與刀片生產過程的穩定，還提高了刀片表面的精度等級（圖2）。此外，現代計算機輔助設計與制造技術（CAD/CAM）的應用也為刀片的生產制造帶來了益處，使得提高刀片設計水平及獲得更佳的壓制模具部件形狀及精度成為可能。并且具有以最終燒結產品為導向來模擬壓制生產過程的能力，在設計的初始階段，就能從設計的角度對壓制燒結結果予以修正以促使成功研制出新刀片。

　　對刀片燒結先進技術的掌控也有助于在生產過程中提高刀片的品質。在燒結過程進行工藝控制以獲取非均勻結構的梯度硬質合金基體，確保合金表面帶有薄層的富鈷層。帶有梯度層的硬質合金基體能阻斷表面裂紋的發展，保障了硬質合金基體具有更佳的抗脆裂性及抗破損性。當今，梯度硬質合金基體往往應用于進行車削加工的刀具中。

　　涂層技術的發展

　　直到二十世紀八十年代尚未出現涂層的硬質合金牌號。那時，為使得硬質合金能通用于不同工程材料的加工，刀具制造商們通過添加不同的添加劑（如硬質相或金屬添加劑）來制取不同硬質合金牌號。涂層技術的采用極大地促進了全球機械加工業的發展；現今絕大多數硬質合金牌號都是涂層的。這一新技術還帶來額外好處，使得某些牌號可專用于某類特定的被加工材料的加工。不需要往硬質合金基體添加品類繁多的添加劑；這減少了硬質合金基體牌號，生產過程控制更穩定。

　　涂層硬質合金的引入及該領域的持續發展顯著提高了刀具的切削速度。從加工實例來看，三十年前，采用伊斯卡非涂層硬質合金牌號IC20車削灰鑄鐵的切削速度大約為100 m/min；現在，采用伊斯卡涂層硬質合金牌號IC5005的切削速度達600 m/min。在另一案例中，相同時期，采用伊斯卡非涂層牌號IC50M銑削馬氏體不銹鋼的切削速度為80 m/min；現在采用涂層牌號IC5500的切削速度達300 m/min。這些令人印象深刻的數據充分解讀了涂層硬質合金為刀具切削速度的提升帶來的跨越式發展。

　　涂層技術主要沿兩個基本方向持續發展：化學氣相沉積涂層（CVD）及物理氣相沉積涂層（PVD）。CVD涂層的重大發展來自于對氧化鋁陶瓷涂層的引入。氧化鋁陶瓷涂層在高溫下具有出色的隔熱性能、耐磨性及化學穩定性，這使得刀具能以更高的切削速度加工。

　　PVD涂層于二十世紀八十年代末期被引入到硬質合金生產中。PVD涂層因在納米級涂層領域克服了生產制造中的諸多難題實現了突破性的發展。PVD涂層因此能提供全新等級的耐磨性更高的納米涂層。相比于常規PVD涂層方式，(圖3)所示的涂層由最大值為50 nm（納米）的涂層復合而成，已被證明大大提高了涂層的結合強度。

　　現代技術的發展使得操作人員能對刀片涂覆CVD及PVD兩種涂層，復合涂層方式對涂層性能的控制更佳。例如，伊斯卡硬質合金牌號DT7150就是在韌性的基體上進行中溫化學涂層（MT CVD）及TiAlN （PVD）涂層。而最初研發此涂層的目的是提高具有特殊用途的硬鑄鐵的生產率。

　　刀片技術的另一主要先進生產制造方式就是涂層后處理技術。例如，伊斯卡推出的束魔技術（SUMOTEC）就采用了對已完成表面涂層的刀片進行后序處理的方法。前沿的束魔涂層后處理技術提高了硬質合金牌號的強度及耐磨性，使得生產率更高。對于CVD涂層而言，因硬質合金基體與涂層熱膨脹系數的不同會導致內應力的產生。而PVD涂層則有表面液滴殘留的問題。以上因素給涂層帶來了負面影響并因此縮短了刀片壽命。采用束魔涂層后處理技術則顯著降低甚至免除了這些不利因素的影響，除了收獲更高的刀具壽命，還能大幅提高生產率（圖4及圖5）。

　　鉻鎳鐵合金（Inconel 718）歸屬于鎳基超級合金，廣泛應用于對零部件材料有耐高溫、耐腐蝕性能要求的場合。該材料在航空航天工業領域得到了普遍的應用，如制作為飛機發動機熱端部件，也被制作為各種石油工業領域部件。

　　鉻鎳鐵合金（Inconel 718）的金相組織顯示其具有高抗拉強度及抗屈服強度的奧氏體結構。加工Inconel 718所遭遇的主要問題是刀片切削刃的溫度非常高。這是由于材料中所含的50-55%高鎳和17-21%高鉻，在加工中作為磨料磨損刀片，導致刀片因高磨損率、崩刃、溝槽磨損及破損而失效。即便是在低切削速度下，這些因素也會使得刀具壽命降低，切削刃產生嚴重的塑性變形。

　　Inconel 718加工的另一復雜影響因素是其性能具有發生改變的趨勢，這源于加工過程中因冶金敏感性導致殘余應力以及自硬性效應。伊斯卡以高效加工這一特定材料為目標，成功研制出IC806牌號。該牌號在超細晶粒基體上進行TiAlN（PVD）涂層并進行束魔涂層后處理（SUMO TEC），具有更加出色的耐磨性，顯著提高了刀具壽命，并且更可靠。

　　結語

　　硬質合金刀片生產技術的不斷進步來自于多個領域的發展。更前沿的壓制技術、燒結技術、涂層技術及涂層后處理技術，更多樣的表面處理方式，能對刀片切削刃進行更優化的處理共同使得生產制造的可轉位刀片能為現代化金屬加工業提供更適合的滿足其高效加工需求的解決方案。

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責任編輯：班英飛

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