新型數(shù)控刀具材料的創(chuàng)新設(shè)計對提高企業(yè)效益的影響

[摘 要] 刀具材料的進(jìn)步極大的推動著人類社會文化和物質(zhì)文明的發(fā)展。就世界范圍來看，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越廣，數(shù)控加工技術(shù)代表了現(xiàn)代切削加工技術(shù)的發(fā)展方向，而切削加工技術(shù)的進(jìn)步與數(shù)控機(jī)床刀具材料的發(fā)展和應(yīng)用密不可分，只有把數(shù)控機(jī)床和數(shù)控刀具材料結(jié)合起來，才能充分發(fā)揮數(shù)控加工技術(shù)的潛力，也是推動企業(yè)技術(shù)進(jìn)步及提高市場競爭實力的有效手段。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)控機(jī)床 刀具 材料 創(chuàng)新設(shè)計 效益

數(shù)控刀具是指與先進(jìn)高效的數(shù)控機(jī)床相配套使用的各種刀具的總稱，是數(shù)控機(jī)床不可缺少的關(guān)鍵配套產(chǎn)品。數(shù)控加工刀具以其高效、高速、耐磨、長壽命和良好的綜合切削性能取代了傳統(tǒng)的刀具，已逐步標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。近年來，快速發(fā)展的數(shù)控加工促進(jìn)了數(shù)控刀具的發(fā)展。每當(dāng)一種新型數(shù)控刀具產(chǎn)品問世，都會使數(shù)控加工技術(shù)躍上一個新臺階，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。世界各國都十分重視數(shù)控刀具的研究開發(fā)。

一、數(shù)控刀具材料的新發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著制造技術(shù)的全球化趨勢，制造業(yè)的競爭更加激烈，對制造技術(shù)必然帶來巨大的挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖的是切削刀具的變化，為了適應(yīng)高精化、高速化、自動化、多功能化、高生產(chǎn)率化，縮短交貨期等要求，要求切削刀具材料的強(qiáng)度和韌性要高，具有壽命長、高可靠、耐高溫、耐破損、抗氧化和抗沖擊等特點(diǎn)。特別為了適應(yīng)當(dāng)前對環(huán)境保護(hù)的要求，提出了條件苛刻的干式切削。切削刀具的設(shè)計和制造等方面日新月異，不斷推陳出新。數(shù)控刀具材料的發(fā)展主要體現(xiàn)在刀具的切削性能大幅度提高以適應(yīng)各項切削技術(shù)要求。數(shù)控刀具的分類有多種方法，按刀具材料分類有金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、粉末冶金高速鋼刀具等。

1.超硬刀具

超硬材料是指人造金剛石和立方氮化硼(簡稱CBN)，以及用這些粉末與結(jié)合劑燒結(jié)而成的聚晶金剛石(簡稱PCD)和聚晶立方氮化硼(簡稱PCBN)等。超硬材料的出現(xiàn)，不僅在高速切削上起到了突破性的作用，更重要的是能夠適應(yīng)了較難加工材料的切削需要。

(1)聚晶金剛石(PCD)刀具

聚晶金剛石(PCD)刀具是通過金屬結(jié)合劑等金剛石微粉末聚合而成的多晶體材料，在燒結(jié)過程中由于結(jié)合劑的加入，使PCD晶體間形成以Co、Mo、W、WC和Ni等為主要成分的結(jié)合橋，其作用是牢固的把持金剛石，并且使PCD硬度和韌性大幅度提高，增加耐性、提高切削效率。由于天然金剛石價格昂貴、在很多場合下天然金剛石刀具已經(jīng)被人造聚晶金剛石刀具所代替。PCD刀具是精密加工有色金屬及其合金、陶瓷、玻璃材料、石墨等非金屬材料的最佳刀具。目前鋁合金等產(chǎn)品零件已經(jīng)無法離開這類刀具。

(2)CVD金剛石渡膜涂層刀具

CVD金剛石是指用化學(xué)氣相沉積法在異質(zhì)基體上合成金剛石膜，基體材料可以是硬質(zhì)合金或陶瓷等。CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結(jié)構(gòu)和特性。具有超硬耐磨性和良好的韌性。目前，CVD金剛石渡膜涂層數(shù)控刀具多用于航空、航天、汽車及電子信息技術(shù)行業(yè)。對于高強(qiáng)度鋁合金、纖維金屬層板、鎂合金、石墨、陶瓷等零部件進(jìn)行加工，達(dá)到了高速、高壽命、干式加工技術(shù)要求。

(3)立方氮化硼(CBN)刀具與聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物質(zhì)，有單晶體和多晶體之分，既CBN單晶和聚晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素異構(gòu)體之一，由于CBN與金剛石在晶體結(jié)構(gòu)上的相似性，決定了它與金剛石相近的硬度，又具有高于金剛石的熱穩(wěn)定性和對鐵元素的高化學(xué)穩(wěn)定性。PCBN是在高溫下將微細(xì)的CBN材料通過TiC、TiN、AL、Ti等結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶體材料，是目前利用人工合成的硬度僅次于金剛石刀具材料，它與金剛石統(tǒng)稱為超硬刀具材料。不同CBN含量的PCBN數(shù)控刀具，可用于車、鏜、銑、鉸、復(fù)合孔等加工過程以及某些較難加工材料，被加工材料的硬度越高越能體現(xiàn)PCBN刀具的優(yōu)越性。

2.新型陶瓷刀具材料

陶瓷刀具是最具有發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)控刀具之一。

(1)梯度功能陶瓷刀具。

梯度功能陶瓷刀具是指組分、結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能呈合理梯度變化的陶瓷刀具，其主要目的是緩解陶瓷刀具在切削過程中刀具內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力，提高抗震性和可靠性。梯度功能陶瓷刀具的物理力學(xué)性能和可靠性比普通均質(zhì)陶瓷刀具有大幅度的提高，而且速度越高提高越顯著。山東大學(xué)采用濕法工藝分散混料、粉末疊層填充、軸向熱壓燒結(jié)工藝，研究開發(fā)成功兩種梯度功能陶瓷刀具材料FG-1和FG-2。切削試驗結(jié)果表明:FG-1抗磨損和破損能力比組分相同的均質(zhì)陶瓷刀具提高30%～50%。FG-2在切削淬硬工具鋼T10A時刀具壽命比組分相同的均勻陶瓷刀具提高50%～100%。

(2)陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片

陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片是指將陶瓷和硬質(zhì)合金通過燒結(jié)的方法結(jié)合在一起而得到的新型刀具材料，復(fù)合刀片的表層為陶瓷材料，下層或中層為硬質(zhì)合金。它將陶瓷和硬質(zhì)合金的優(yōu)良性能結(jié)合起來，陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片能承受更大的彎曲載荷。利用底層硬質(zhì)合金與刀桿焊接，可以解決陶瓷刀具難焊接的問題。研究表明:復(fù)合刀片接口結(jié)合類型為化合物型和擴(kuò)散型的混合，界面附近硬質(zhì)合金中Co和W向陶瓷材料中擴(kuò)散，陶瓷中的Ti向硬質(zhì)合金中擴(kuò)散，界面附近形成了Co3W3C、Al18B4O3和TiC幾種新相，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。陶瓷—硬質(zhì)合金復(fù)合刀片的抗彎強(qiáng)度可達(dá)800～1000Mpa，其抗破損能力比普通陶瓷刀具提高30%以上。

(3)粉末表面涂層陶瓷刀具

粉末表面涂層陶瓷刀具是指在硬質(zhì)合金粉末表面涂層陶瓷制成復(fù)合粉末，然后將復(fù)合粉末熱壓制備成新型刀具。粉末表面涂層陶瓷刀具突破在刀具表面進(jìn)行涂層的傳統(tǒng)方法，變宏觀涂層為微觀涂層，解決了宏觀涂層存在的易剝落崩碎等缺陷。這種涂層刀具既發(fā)揮了傳統(tǒng)涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)又克服了其缺點(diǎn)，成為“新生代”涂層陶瓷刀具，其切削可靠性大大優(yōu)于陶瓷刀具和刀片表面涂層刀具。

3.涂層刀具

涂層技術(shù)是將傳統(tǒng)刀具涂覆一層或多層薄模，使刀具性能發(fā)生很大改變。涂層材料主要有:TiC、TiN、TiAlN、AlTiN、Al2O3、CrN、CrC、MoS2、WS2等。目前常用的刀具涂層方法有化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)、等離子噴涂及化學(xué)涂覆法等。涂層方式有:單涂層、多涂層、梯度涂層、軟/硬復(fù)合涂層、納米涂層、超硬薄膜涂層等。其中CVD和PVD被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。刀具表面涂層技術(shù)極大地改善了數(shù)控刀具的切削性能，提高了切削效率，具有成本低見效快的特點(diǎn)。根據(jù)涂層刀具基本材料的不同，涂層刀具分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。

目前各廠商在不斷提高涂層工藝技術(shù)，各種新的涂層方法和涂層材料在不斷出現(xiàn)，如納米級超薄、超多層涂層等涂層材料，目的在于不斷提高涂層結(jié)合牢度、耐磨性、耐熱性和抗沖擊韌性等。涂層將成為改善刀具性能的重要途徑。

4.硬質(zhì)合金刀具

硬質(zhì)合金刀具是由硬度和熔點(diǎn)很高的碳化物:WC、TiC、TaC或NbC等和金屬結(jié)構(gòu)劑(Co、Mo、Ni等)經(jīng)粉末冶金方法而制成的，其硬度遠(yuǎn)高于高速鋼。金屬結(jié)合劑含量越高，則抗彎強(qiáng)度越高。其中TiC(N)基硬質(zhì)合金，其硬度接近陶瓷刀具的硬度水平，硬度一般達(dá)91-94HRA，抗彎強(qiáng)度比陶瓷刀具材料高得多，故將其稱為金屬陶瓷。硬質(zhì)合金是脆性材料，常溫下其沖擊韌性僅為高速鋼的1/30～1/8。晶粒細(xì)化后，細(xì)和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具，不但可以提高其硬度、耐磨性、抗彎強(qiáng)度和抗崩刃性，其高溫硬度也將提高。我國一些硬質(zhì)合金企業(yè)對超細(xì)硬質(zhì)合金已實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，可以大幅度提高切削速度，用于難加工材料的加工。

5.高速鋼刀具

高速鋼是一種加入了較多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。其刀具在強(qiáng)度、韌性及工藝性等方面具有優(yōu)良的綜合性能，在復(fù)雜刀具，尤其是制造孔加工刀具、銑刀，螺紋刀具等一些刃形復(fù)雜刀具，高速鋼仍占據(jù)主要地位。由于高速鋼刀具中W、Co等主要元素資源緊缺，在世界范圍內(nèi)日益枯竭，所以在所有刀具材料中的比重逐漸下降。那么高速鋼刀具的發(fā)展方向是:發(fā)展各種少W的通用型高速鋼，擴(kuò)大使用各種元素?zé)oCo、少Co的高性能高速鋼。擴(kuò)大使用各種粉末冶金高速鋼和涂層高速鋼刀具。

盡管高速鋼刀具在全世界的銷售量以每年約5%的數(shù)量在減少，但是高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用在不斷增加。由于表面涂層技術(shù)的發(fā)展，在高速鋼刀具表面PVD涂層TiN、TiCN、TiAIN后，切削速度可以進(jìn)一步提高。隨著人們對切削加工效率的追求和觀念的轉(zhuǎn)變，涂層高速鋼刀具大量應(yīng)用于轎車、摩托車、航空發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)等制造行業(yè)。在復(fù)雜數(shù)控刀具領(lǐng)域?qū)M(jìn)一步發(fā)展而占有重要地位。

二、數(shù)控刀具材料的發(fā)展前景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工程材料提出了越來越高的要求，各種新型航空航天材料、核能材料、復(fù)合材料、生物材料、功能材料、納米材料、稀土材料、先進(jìn)金屬或非金屬材料的應(yīng)用日益廣泛，工件材料的品種成倍增長。如此種類繁多，工件材料和刀具材料雙方交替進(jìn)展，相互促進(jìn)。

涂層刀具材料在數(shù)控加工領(lǐng)域有著巨大的潛力，預(yù)計今后涂層刀具的應(yīng)用將會進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)前涂層發(fā)展的另一個特點(diǎn)是，各廠商都根據(jù)產(chǎn)品功能的需要，綜合各種涂層的特點(diǎn)開發(fā)專用涂層牌號，涂層已成為刀具新產(chǎn)品開發(fā)的重要內(nèi)容;從資源、價格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大優(yōu)勢，尤其是其資源優(yōu)勢。陶瓷刀具材料的主要成分在自然界是用之不竭的，因此，新型陶瓷刀具材料將會得到更大的發(fā)展;PCD刀具將繼續(xù)在有色金屬及其合金、非金屬材料加工中占有主要地位;PCBN刀具將在黑色金屬及其合金加工中占有主要地位，其應(yīng)用會越來越廣泛;超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金和粉末高速鋼在小尺寸整體復(fù)雜加工領(lǐng)域還將占主導(dǎo)地位;超強(qiáng)、超硬納米刀具材料是最誘人的數(shù)控加工刀具材料、加速研究發(fā)展，很快有可能成為現(xiàn)實。同時針對工件材料品種成倍增長的趨勢開發(fā)通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在多種條件下均能正常工作的刀具也是刀具業(yè)的發(fā)展方向。

環(huán)境污染已成為全世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)，保護(hù)環(huán)境節(jié)約資源是人類發(fā)展的必然趨勢。歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已清醒地認(rèn)識到切削液對環(huán)境的危害，相繼制定出嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步限制了切削液的使用。因此，開發(fā)具有高溫自潤滑功能的刀具材料進(jìn)行高速干切削是一種環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益俱全的工藝選擇。研發(fā)適應(yīng)硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

三、結(jié)語

1.具有高速、高精度和高可靠性“三高”刀具的研究開發(fā)將是今后數(shù)控刀具材料研究開發(fā)的重點(diǎn)。

2.納米復(fù)合材料與涂層、梯度功能和多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制協(xié)同作用的刀具材料的設(shè)計與開發(fā)是數(shù)控刀具材料的研究發(fā)展的方向

3.加快新型數(shù)控刀具關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，對推動制造業(yè)的快速發(fā)展具有相當(dāng)重要的作用。開發(fā)通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)、能夠在多種條件下均能正常工作的刀具是刀具業(yè)的一個發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn):

[1]艾 興 蕭 虹:陶瓷刀具切削加工.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988

[2]鄧建新 趙 軍:數(shù)控刀具材料選用手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2005

[3]王愛玲:現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京:國防工業(yè)出版社，2003

[4]楊繼昌 李金伴:數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004