21世紀加工概念

21世紀加工概念

New machining concepts

刀具制造商看當今的競爭環(huán)境

現(xiàn)在的刀具公司必須同全球化制造趨勢保持一致，通過提高效率、同客戶合作來降低成本。在這個全球競爭的后WTO時代，全世界的公司正對相同感覺作出更快、更輕、更便宜的反應(yīng)，即所制造的產(chǎn)品和零件必須能在高速下運轉(zhuǎn)，由于成本的壓力最好更輕、更便宜。取得這些目標的最佳途徑是通過發(fā)展和應(yīng)用新材料，但這些新的材料通常都難以加工。這種商業(yè)上的動力和技術(shù)上的困難的組合在汽車和航空工業(yè)尤其突出，并已成為有見識的刀具公司研發(fā)部門的首要驅(qū)動力。

球墨鑄鐵已成為發(fā)動機零件和其它汽車、農(nóng)用設(shè)備和機床工業(yè)上的零件的常見的材料。這種合金提供較低的生產(chǎn)成本和良好的機械性能的組合。他們比鋼材便宜，而比鑄鐵有更高的強度和韌性。

但同時球墨鑄鐵非常耐磨，有快速磨壞刀具材料的傾向。這種耐磨性很大程度上受珠光體含量影響。某一已知球墨鑄鐵的珠光體含量越高，它的耐磨性越好，而且它的可加工性越差。另外，球墨鑄鐵的多孔性導致斷續(xù)切削，這更加降低刀具的使用壽命。

可以預計，高硬度和高耐磨的切削材質(zhì)需考慮球墨鑄鐵的高耐磨性。并且事實上材質(zhì)包含極硬的TiC（碳化鈦）或TiCN（碳氮化鈦）的厚涂層在切削速度300m/min時加工球墨鑄鐵被證明通常是有效的。但是隨著切削速度的增加，切屑/刀具結(jié)合面的溫度也在增加。當發(fā)生這樣的情況時，TiC涂層傾向于和鐵發(fā)生化學反應(yīng)并軟化，更多的壓力作用在抗月牙洼磨損的涂層上。在這些條件下，希望有一種化學穩(wěn)定性更好的涂層，如Al2O3（雖然在較低的速度下不如TiC硬或耐磨）。

化學穩(wěn)定性比耐磨性更成為一個重要的表現(xiàn)性能分界的確切速度和溫度取決于被加工球墨鑄鐵的晶粒結(jié)構(gòu)和性能。但是通常厚涂層的TiC或TiCN和僅有氧化物的較薄涂層是針對球墨鑄鐵應(yīng)用的，因為今天大部分這類被加工材料的切削速度在150m/min~335m/min之間。對于速度高于300m/min的應(yīng)用，人們對這種材料是滿意的。

為了使這個范圍性能最優(yōu)，各刀具制造公司分別推出各自的材質(zhì)，如山高研發(fā)和推出了針對球墨鑄鐵加工的材質(zhì)TX150。這種材質(zhì)有一個硬且抗變形的基體，對于加工球墨鑄鐵很理想。它的涂層由一層較厚的很耐磨的碳氮化鈦和一層較薄的抗月牙洼磨損的氧化物涂層，頂面是一薄層TiN。這種涂層運用目前工藝水平的產(chǎn)生耐磨性和抗月牙洼磨損需要的CVD涂層的全部硬度而且韌性平滑性增加的中溫化學氣相沉積 （MTCVD）工藝。基體/涂層的組合性能給予很高的抗塑性變形和刃口微崩能力，使之成為正常速度下加工球墨鑄鐵的理想材質(zhì)。

涂層陶瓷也能有效加工球墨鑄鐵。在過去，未涂層的韌性較好的諸如氮化硅和碳化硅纖維強化的氧化鋁陶瓷應(yīng)用受工件材料化學親和性的限制。但是今天通過使用能抵抗切屑變形過程產(chǎn)生高熱量的涂層刀具壽命已經(jīng)顯著增加。而某些早期這個領(lǐng)域的工件加工使用氧化鋁涂層晶須強化陶瓷，今天的多數(shù)研究活動集中于TiN涂層氮化硅。這種涂層能顯著拓寬韌性較好的陶瓷的應(yīng)用范圍。

刀具在熱強合金中的應(yīng)用

航空加工也變化迅速。鎳基高溫合金Rene88現(xiàn)在占到航空發(fā)動機制造使用總金屬量的10%~25%。這些熱強合金能增加發(fā)動機壽命而且允許較小的發(fā)動機工作在大飛機上，那將提高燃燒效率并降低運營成本。這些韌性好的材料也把費用呈現(xiàn)在刀具上。它們的耐熱性導致刀尖上的溫度更高，從而降低了刀具壽命。相似地，這些合金里的碳化物顆粒顯著增加了摩擦，從而縮短刀具壽命。

作為這些條件改變的結(jié)果，曾經(jīng)能很滿意地加工很多鈦合金和鎳基合金的硬質(zhì)合金材質(zhì)在應(yīng)用到當今的合金時會出現(xiàn)切削刃的壓碎和切削深度線處嚴重的溝槽磨損。但是用最新的細顆粒硬質(zhì)合金能有效加工高溫合金，刀具壽命得到提高，更重要的是提高在高溫合金應(yīng)用時的可靠性。細顆粒硬質(zhì)合金有比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金材質(zhì)更高的壓縮強度和硬度，只是在韌性方面增加少量的成本。結(jié)果是在加工高溫合金加工時比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金更有效。

PVD（物理氣相沉積）涂層也能有效加工高溫合金。TiN（氮化鈦）PVD涂層是最早使用的并仍然是最受歡迎的涂層。最近，TiAlN（氮鋁化鈦）和TiCN（碳氮化鈦）涂層也能很好使用。過去TiAlN涂層應(yīng)用范圍和TiN相比限制更多。但是當切削速度提高后它們是一個很好的選擇，在那些應(yīng)用提高生產(chǎn)率達40%。另一方面，在較低的切削速度下根據(jù)涂層的表面工況，TiAlN會導致積屑瘤、隨后的微崩和溝槽磨損。

近來，用于高溫合金應(yīng)用的材質(zhì)發(fā)展很快，這些涂層由幾層組合而成。大量的實驗和現(xiàn)場測試已經(jīng)論證了這種組合和其它任何一種單一涂層相比在很寬范圍的應(yīng)用時很有效。因此針對高溫合金應(yīng)用的PVD復合涂層可能成為硬質(zhì)合金新材質(zhì)研發(fā)持續(xù)的焦點。和MTCVD涂層、涂層陶瓷集合在一起，它們有望成為更有效加工正在研發(fā)的新的更難加工工件材料的主要沖擊力量。

干切削

包括冷卻液在內(nèi)的問題是刀具制造科技和商業(yè)發(fā)展的另一個領(lǐng)域。北美和歐洲嚴格冷卻液管理的要求和美國最大的三家汽車制造商強制它們的核心供應(yīng)商取得ISO14000認證 （ISO9000的環(huán)境管理版本），這使得冷卻液處理成本上升。對汽車公司和他們核心供應(yīng)商來說，明顯受歡迎的反應(yīng)之一是在特定的加工應(yīng)用里完全免除冷卻液的使用。這種干加工的新世界給刀具供應(yīng)商提出了一系列挑戰(zhàn)。

金屬加工從業(yè)人員能很好理解有關(guān)冷卻液使用的問題，但大多數(shù)不能理解有關(guān)除在刀具——工件接觸面間技術(shù)挑戰(zhàn) （例如排屑）之外的干加工問題。通?？梢杂^察到流出的冷卻液分散切屑，但壓力超過3000psi的高速冷卻液也能幫助斷屑，特別是軟且連續(xù)的切屑會引起刀具——工件接觸面上的麻煩。

采用干切削工藝的零件的結(jié)果是機床比采用濕式加工零件的更熱。你是否允許它們測量前在露天自然冷卻？如果新加工的熱零件經(jīng)常放到周轉(zhuǎn)箱，升高周圍環(huán)境溫度，是否零件充分冷卻并正好足夠允許精度檢測？還有處置身邊幾十上百的零件會對操作工人增加額外負擔。

同許多刀具/工件的技術(shù)問題一起，這些潛在的問題需要陳述是否干加工能行。幸運地，有很多途徑闡述這些問題。例如，壓縮空氣被證明在很多排屑成為問題的應(yīng)用場合有成功的反響。

另一個方案是叫做MQL（最小量潤滑）的技術(shù)，它由應(yīng)用代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷卻液的相當少量油霧構(gòu)成。這是一個公認的折中方案，這種最小量技術(shù)會大幅度減少冷卻液的頭疼事，而且在許多應(yīng)用里加工出的粗糙度也很好。這個領(lǐng)域仍然有很多研究在做，而且刀具公司積極參與這樣的研究是絕對必要的。如果他們不做將落后于競爭對手，處于不利的地位。

根據(jù)世界上工廠內(nèi)具體情況設(shè)計出別的也許更好的方案。制造業(yè)從業(yè)人員可能仍然會問為什么他們要努力使用新發(fā)展的技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的已經(jīng)經(jīng)歷數(shù)代人改進提高的冷卻液方法，尤其因為實施干加工或半干加工產(chǎn)生的試驗和失敗可能引起更高的短期刀具成本。簡明的答案是當?shù)镀蠹s占典型加工零件成本的3%時，冷卻液的成本 （從購買到維護、儲存、處理）會占零件成本的15%。

干加工也許不是對每個應(yīng)用都適合，但象上面討論的其它加工問題一樣，需要從更寬的操作、環(huán)境和商業(yè)角度來評價。能幫助客戶這樣做的刀具公司將有競爭優(yōu)勢，而那些不能提供的將不斷處于被動地位。

刀具和納米技術(shù)

一個能劇烈改變刀具工業(yè)的迷人的新領(lǐng)域是微型制造，或處理微小粒子形成所需的產(chǎn)品。要談及的關(guān)于刀具微型制造的第一件事是它這里還沒有；第二件要說的事是它并不遙遠。

為什么微型制造和刀具相關(guān)。因為最主要的是顆粒尺寸越小，硬質(zhì)合金材料韌性越好且更耐磨。用納米級顆粒 （一些專家定義為小于0.2μm，而其他人堅持納米顆粒要小于0.1μm）制造的硬質(zhì)合金刀具原型已經(jīng)做好并經(jīng)過測試。據(jù)稱耐磨性戲劇性地增加。問題是納米級的硬質(zhì)合金顆粒不能靠粉碎較大的材料形成，它們一定得通過更小的材料構(gòu)成，而處理分子級粒子還不是一件容易的經(jīng)濟的事情。