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(dòng)以外，總的趨勢(shì)是持續(xù)上升的，但是產(chǎn)品的供貨期延長(zhǎng)了。隨著經(jīng)濟(jì)情況的進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，必須加快新產(chǎn)品開發(fā)并重視關(guān)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(yīng)用更高效的刀具。
那么，當(dāng)前哪些課題對(duì)刀具工業(yè)最重要呢?可以列出以下十個(gè)方面：
(1)如何加工新出現(xiàn)的工件材料；
(2)關(guān)于硬-干-高速加工；
(3)關(guān)于電泳沉積工藝，以及梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金；
(4)關(guān)于多層涂層、納米級(jí)涂層；
(5)關(guān)于潤(rùn)滑性涂層和微量潤(rùn)滑技術(shù)；
(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(shù)；
(9)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)刀具工業(yè)帶來的影響；
(10)專利技術(shù)與推廣普及的關(guān)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(yīng)能加工什么樣的工件材料呢?從與刀具工業(yè)關(guān)系最密切的兩個(gè)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(fù)。
在汽車工業(yè)里，鋁合金占主導(dǎo)地位，圖1是瑞典Volvo汽車廠工件材料構(gòu)成的變化趨勢(shì)。鋁合金還是制造飛機(jī)機(jī)身的主要材料。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)廠工件材料構(gòu)成的變化趨勢(shì)。此外，上述材料構(gòu)成的格局還正在發(fā)生變化，預(yù)計(jì)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(shì) |
圖2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)工件材料發(fā)展趨勢(shì) |
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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(qiáng)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(gè)相關(guān)技術(shù)
硬加工，主要是指滲碳淬火鋼的加工，目前能達(dá)到的技術(shù)水平見表2。當(dāng)前制造技術(shù)中最重要的趨勢(shì)肯定是干切削。下面列出經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的十個(gè)最重要的相關(guān)技術(shù)：
(1)只有可通用的干式或準(zhǔn)干式切削工藝才有價(jià)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(guān)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(dòng)。
(3)刀具材料應(yīng)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(dòng)的摩擦。
(6)外部的微量潤(rùn)滑方法只對(duì)不經(jīng)常更換刀具的加工是簡(jiǎn)單且有效的。
(7)對(duì)于頻繁更換刀具的加工中心機(jī)床，需要采用經(jīng)主軸-刀具的內(nèi)部微量潤(rùn)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(jī)床應(yīng)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(tái)的移動(dòng)有高的加(減)速度，以提供最佳的進(jìn)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(shù)狀況(由漢諾威工業(yè)大學(xué)提供) |
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用陶瓷、CBN硬車削 |
用超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金+TiN涂層硬銑削 |
用超細(xì)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(jìn)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(jī)械制造行業(yè)發(fā)展前景 |
上述十條中有幾條還要進(jìn)一步說明，其中最重要的是第10條，因?yàn)橹挥挟?dāng)干式切削在不降低生產(chǎn)率的前提下，它的優(yōu)點(diǎn)才有現(xiàn)實(shí)意義，并得到廣泛應(yīng)用。實(shí)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(shí)際情況比預(yù)期的還好，生產(chǎn)率不但沒降低，甚至還提高了。關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)推廣的速度會(huì)有多快，專家們的看法不完全相同，圖3為德國機(jī)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(jì)可達(dá)40%，而現(xiàn)實(shí)的估計(jì)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(xiàng)目實(shí)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(jī)床，否則可按以下原則進(jìn)行加工：
①首先采用微量潤(rùn)滑，看加工是否可行。
②如果必須采用冷卻，則應(yīng)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(guān)于干式切削機(jī)床的開發(fā)，目前至少已有12家機(jī)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(jī)。
可替代高速鋼和焊接式PCD的硬質(zhì)合金
目前在市場(chǎng)上占主導(dǎo)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(shí)，P類硬質(zhì)合金的優(yōu)點(diǎn)僅僅在于，在加工鋼材時(shí)重磨后可不重涂。實(shí)際上，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)已顯得無關(guān)緊要，如果采用涂層的超細(xì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)化粒度得到補(bǔ)償(見圖5)，從而使超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金受到青睞。尤其在機(jī)床剛性較差或加工條件不穩(wěn)定的場(chǎng)合，如果用普通硬質(zhì)合金刀具遲早會(huì)打刀。圖6是用超細(xì)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(dāng)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(qiáng)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(xì)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(xì)顆粒硬質(zhì)合金的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是刀具的刃口鋒利，適合加工那些很粘的工件材料。高的強(qiáng)度和鋒利的刃口，即使在加工條件惡劣的場(chǎng)合也可取代高速鋼刀具，從而使硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用范圍更加廣泛。
盡管用納米級(jí)細(xì)顆粒制造的硬質(zhì)金硬度和強(qiáng)度都達(dá)到了最高值，但價(jià)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(jí)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(duì)于有端刃的刀具，如鉆頭、錐銑刀等，其橫刃磨損很快，對(duì)此，電脈沉積能夠帶來突破。該項(xiàng)技術(shù)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(dāng)能沉積致密的金剛石涂層時(shí)，焊接式的金剛石刀具，由于其價(jià)格昂貴、不利環(huán)保、以及在復(fù)雜外形上焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端，將會(huì)被淘汰。
多層涂層和納米級(jí)涂層能取代TiN嗎?
在各種涂層中，TiN涂層占主導(dǎo)地位，而最新的涂層研究探索將刀具涂層的三個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)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?yàn)榭涛g和涂層工序可部分地同時(shí)進(jìn)行。在TiN底層上沉積的TiAlN和TiN多層結(jié)構(gòu)對(duì)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(kuò)展的路程。
目前，多涂層的表層一般都是TiAlN，因?yàn)門iAlN的導(dǎo)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(qiáng)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(huì)阻礙切屑的流動(dòng)，因此不適于涂復(fù)深孔加工刀具。
為了定量地評(píng)價(jià)這種顆粒的影響，引入了涂層滑動(dòng)系數(shù)的概念，以反映涂層中顆粒的影響程度。方法是對(duì)鉆削時(shí)所測(cè)得的進(jìn)給力進(jìn)行分析，用相應(yīng)的鉆削深度來表示。通過對(duì)刻蝕工藝的改進(jìn)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(dòng)性能。同時(shí)，還可通過自拋光效應(yīng)提高涂層的滑動(dòng)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(jí)涂層使刀具的硬度和耐磨性進(jìn)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(jí)涂層的技術(shù)已經(jīng)掌握，即控制放電的時(shí)間與被涂刀具的旋轉(zhuǎn)速度，使兩者精確同步。但納米級(jí)涂層的實(shí)用性還局限于批量涂復(fù)相同幾何形狀的刀具。
那些獨(dú)立運(yùn)行的涂層公司，通常要同時(shí)處理不同的工件，因此還不能涂納米級(jí)。對(duì)這些公司來講，當(dāng)前最重要的是開發(fā)有實(shí)用價(jià)值的退涂技術(shù)。目前很多涂層公司還不掌握退涂和細(xì)化顆粒的技術(shù)。因此，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，其主要業(yè)務(wù)還是簡(jiǎn)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(qiáng)化晶格，使硬度提高而不改變刀具的尺寸，這對(duì)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(yīng)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(dá)到最佳的涂層性能。
