做和刀具创新对提高金属切削效率的作用与影响

刀具创新对提高金属切削效率的作用与影响

摘要：世界范围内激烈的市场竞争迫使机械制造业降低成本以保持盈利。由于加工成本的主要部分是占用机床时间的费用，因此目前人们的注意力集中在通过提高加工生产率以缩短加工周期。机床的改进，性能更优异的零件材料的开发，新的加工方法的开发以及涉及切削液安全处理的环保法规的制订等，都给刀具行业带来了新的挑战。为了回应这些挑战，刀具行业对各种刀具材料进行了卓有成效的创新。本文重点讨论刀具技术的进步对提高金属切削生产率所起的作用。

1.引言

机械制造业在推动国家经济发展、创造社会财富方面所起的重要作用众所周知。为了在全球市场有效地竞争并保持盈利，机械制造业正不断努力降低加工成本。对组成加工成本的各种因素进行的分析表明：作为易耗品的刀具花费在产品制造总成本中仅占约4%，而主要的费用耗费在机床占用时间、企业管理和以下简称奇瑞公司)的奇瑞eQ1电动车辆上的利用人工的成本（75％）以及工件材料成本（21％）。很明显，只有通过缩短加工周期或提高加工效率才能获得对加工成本最有效的控制。这就是为提高生产率而开发高速和高进给量刀具的主要动力。生产率的提高不仅可以降低生产成本，而且为增加产量赢得了加工时间。在生产车间里增加的产量提高了效益，获得了用以增加新设备的资金，从而进一步改进与此同时加工技术。

刀具制造商正面对机床的不断改进、新的加工方法的开发、高性能材料零件的加工以及提倡干切削或微量润滑切削（MQL）以满足环保要求等各种挑战。为了回应这些挑战，刀具制造商不断推进对各种刀具材料的改进，新的表面处理技术已令人注目地扩展了刀具的应用范围，提高了制造业的生产率。先进的机床使用策略使用户能够利用已有的固定资产（设备）获取更大的收益。本文将分别对这几方面进行讨论。

2．刀具材料的分类

刀具材料通常被分为五大类：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷和超硬材料。高速钢是一种具有强韧性的刀具材料，但其较低的抗磨损性能使它只能在低速时使用。高速钢常用于制造需要高韧性、锋利的切削刃以及用其它材料不能制造的几何形状复杂的刀具，其典型的应用包括钻头、立铣刀、铰刀和齿轮加工刀具。而在刀具材料序列的另一端是超硬材料如聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）。聚晶立方氮化硼（PCBN）和聚晶金刚石（PCD）具有极高的耐磨损性能，可用于高速低进给加工。在这两极之间是硬质合金、金属陶瓷和陶瓷刀具材料，它们可以在一个较大的切削速度和进给量范围内广泛使用，以满足制造业的不同加工需求。

从各种刀具材料的热硬性曲线可以注意到，与硬质合金相比，Si3N4/Sialon陶瓷和陶瓷显示出更高的抗磨损性和高速性能。

3．刀具材料的创新与发展过程

3.1 涂层硬质合金

由于硬质合金兼具强韧性和抗磨损性，因此是一种主要的刀具材料。今天在美国使用的金属切削刀具中涂层硬质合金刀具几乎占了80%。通过延缓各种磨损过程（前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等），超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面精度，通过高速、高进给加工显著提高了金属切削生产率。CVD（化学涂层）已占涂层硬质合金刀具的60%～65%，其余的为PVD（物理涂层）。

（1）CVD涂层

现代CVD涂层具有以下特征：包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层涂层，具有可控的晶体结构（alpha-alumina或kappa-alumina）和优化的颗粒尺寸以满足各种加工应用。通过对CVD工艺过程控制的改进，刀具制造商目前可以在一个较大的厚度范围内（4～25μm）提供具有良好一致性和复现性的涂层。各单层厚度仅为0.2μm的多层涂层可适合于加工具有强韧性的工件材料。CVD涂层可以在高温（1000℃）、中温（MT-CVD，850℃左右）下沉积，或者通过等离子体辅助工艺（PA-CVD，约600℃）获得。中温化学涂层较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化，同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸（thermallyinducedten-sile）裂纹。目前MT-CVDTiCN涂层已成为在硬质合金基体上进行多层CVD涂层的一个主要成分。CVD涂层刀具被广泛应用于各类机械加工包括车削、钻削、螺纹加工、切槽加工、切断加工以及铣削加工，可适应不同的切削速度和进给量。

（2）PVD涂层

上世纪80年代中期，低温下（50HRC的理想工具。PCBN分为CBN含量低（75%）两类，并采用陶瓷或金属结合剂。随着CBN含量的增加，材料的热传导率、断裂韧性和抗磨损性都随之增加。CBN含量较少的刀具通常被用于连续切削，而CBN含量高的刀具在断续切削中表现出色。尽管PCBN刀具具有很高的抗磨损能力，但N和B元素在钢中的易溶性使这种刀具缺少抗化学磨损的能力。因此，先进的PCBN刀具采用CVD Al2O3或者PVD TiAlN进行涂层。尽管PCBN刀具成本昂贵（比硬质合金涂层刀具高出5～30倍），但由于PCBN刀具具有高的金属切除率，因此能够提供最低的单件成本。此外，PCBN刀具较长的使用寿命也可明显减少替换刀具的时间。

用PCBN刀具加工所获得的优异的表面精度以及良好的零件尺寸公差，推进了它们在硬车削中的使用并表现出明显的生产率优势（与磨削相比较）。

分别对采用磨削和PCBN刀具车削一个传动装置零件所耗费的时间进行的对比表明，采用PCBN刀具进行车削加工时加工时间减少了83%，辅助时间减少了71%。

（2）金刚石工具

聚晶体金刚石（PCD）刀具广泛用于加工铝合金、非铁材料及复合材料，主要应用于自动化（如制动器转子、驱动轴加工等）以及航空工业（如降落装置组件加工）。由于金刚石在钢铁中的易溶性以及铁对金刚石石墨化的催化效应，金刚石材料不能用于钢材加工。

在20世纪90年代初期开发的一种低压CVD工艺，可用来在硬质合金基体上沉积纯金刚石薄膜（350μm）。硬质合金基体需要经过特别的预处理以保证与金刚石薄膜的良好粘附。在高精加工应用中，金刚石厚膜刀具能提供最好的表面光洁度和最优的刀具寿命。而金刚石薄膜涂层刀具由于其多面体的表面形貌，加工表面较粗糙，但可应用于断续切削。CVD金刚石涂层刀具具有很多优势，包括用于多刃刀具的涂层、不受切削深度的限制以及可对带排屑槽的刀片进行涂层。

4．刀片几何形状的革新

针对特定的加工对刀片切削刃的几何参数进行优化设计已经取得了显著的进步。这些先进的、具有精确公差的刀片几何形状设计能确保高效排屑，降低切削阻力，并提高工件表面的质量。例如：当需要考虑尺寸控制、光洁度和零件变形最小化时，一种磨了周边的大前角的FS风冷水冷使用条件装备安装简便刀片可作为理想的精加工刀具；一种精密压制的MS刀片，其刃口经最佳的处理，可适用于不要求锋利切削刃的中等切削负荷的应用场合。另一个刀片几何形状实例专门设计用于仿形车削加工（轮廓加工或向外走刀加工端面）。通常用向外走刀加工零件端面时，由于普通刀片糟糕的切屑控制能力而无法缩短加工时间。与普通的DNMG刀片相比，特殊设计的（DNMG-CT）刀片大的切屑断裂区可用于在仿形车削中提供优良的切屑控制。

4.1 Wiper刀片

Wiper刀片是又一个提高加工生产率的刀片创新设计的实例。与传统的刀片相比，这种刀片设计了一个经过改进的刀尖圆弧半径，能获得极高的表面加工质量，可应用于半精加工和精加工。允许用户成倍提高进给率的同时可获得与传统刀片加工相媲美的表面质量；而在标准刀片通常采用的切削条件下，Wiper刀片则能获得极高的表面光洁度。

5．提高机床利用率的措施与方法

据估计，在加工过程中，只有20%的机床主轴运转时间用在实实在在的切削加工中，而其余的时间都花在了调整和空转上。旨在提高设备利用率的尝试，已经引起了大量的产品、技术、生产工艺的开发，其中包括快速换刀系统、刀具的预调、配套刀具小车以及工具管理系统：快换刀具系统显著减少了换刀和零件调整时间；通过更换预调好的切削刀具整体而不是更换某一单独的刀片，可明显减少机床的非工作时间；将一个生产过程所需要的所有刀具都配成套并放在靠近机床的工具车上，换刀过程快速而高效，可获得更多的机床运行时间。放置在刀具车中的成套刀具都经过预测和调整，并储存每把刀具的数据，以便在换刀后进行刀具偏置值调整时使用；刀具管理系统为生产中所需的刀具提供了一个方便的找刀途径，并且减少了调集刀具所需要的时间。该系统还能精确地记录刀具的利用率，并能自动发出指令更改原定的库存数量。

通过提升基地的配套实力应用上述策略和方法，就有可能将有效切削时间从机床主轴运行时间的20%增加到60%。

6.对提高生产率的作用

综上所述，对各类切削刀具材料的改进和创新都使金属去除率得以显著提高。测试数据说明，生产率的提高可显著降低加工费用。

然而通过采用更高的速度和（或）进给获得金属去除率（MRR）不断提高的同时，也降低了刀具的使用寿命，加工单个零件需要耗用更多的刀片，刀具费用开始增加。需要通过最优化的MRR使单个工件的总加工成本达到最小值，而进一步降低加工成本的唯一方法是选择一种更先进的刀具材料。

7．结语

各种切削刀具材料的创新及涂层技术的进展，有利于采用更高的切削速度和进给率，从而显著提高金属切削生产率；在用某种给定的刀具材料加工时，加工成本的最小化取决于对金属去除率的优化，而要进一步节约成本，只能选择采用了更新技术的切削刀具；提高机床的利用率能减少无价值的辅助时间并增加机床有效切削时间；从先进切削刀具设计与开发的快速发展来看，刀具使用者有必要不断重新评估制造过程并且应用最新的切削刀具技术。

原载《工具技术》

作者为美国肯纳公司材料总监，nthanam(end)