新型数控刀具材料的创新设计对提高企业效益的影响

[摘 要] 刀具材料的进步极大的推动着人类社会文化和物质文明的发展。就世界范围来看,数控机床的应用越来越广,数控加工技术代表了现代切削加工技术的发展方向,而切削加工技术的进步与数控机床刀具材料的发展和应用密不可分,只有把数控机床和数控刀具材料结合起来,才能充分发挥数控加工技术的潜力,也是推动企业技术进步及提高市场竞争实力的有效手段。

[关键词] 数控机床 刀具 材料 创新设计 效益

数控刀具是指与先进高效的数控机床相配套使用的各种刀具的总称,是数控机床不可缺少的关键配套产品。数控加工刀具以其高效、高速、耐磨、长寿命和良好的综合切削性能取代了传统的刀具,已逐步标准化和系列化。近年来,快速发展的数控加工促进了数控刀具的发展。每当一种新型数控刀具产品问世,都会使数控加工技术跃上一个新台阶,产生巨大的经济和社会效益。世界各国都十分重视数控刀具的研究开发。

一、数控刀具材料的新发展

进入21世纪以来,随着制造技术的全球化趋势,制造业的竞争更加激烈,对制造技术必然带来巨大的挑战,首当其冲的是切削刀具的变化,为了适应高精化、高速化、自动化、多功能化、高生产率化,缩短交货期等要求,要求切削刀具材料的强度和韧性要高,具有寿命长、高可靠、耐高温、耐破损、抗氧化和抗冲击等特点。特别为了适应当前对环境保护的要求,提出了条件苛刻的干式切削。切削刀具的设计和制造等方面日新月异,不断推陈出新。数控刀具材料的发展主要体现在刀具的切削性能大幅度提高以适应各项切削技术要求。数控刀具的分类有多种方法,按刀具材料分类有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具、涂层刀具。超细晶粒硬质合金、粉末冶金高速钢刀具等。

1.超硬刀具

超硬材料是指人造金刚石和立方氮化硼(简称CBN),以及用这些粉末与结合剂烧结而成的聚晶金刚石(简称PCD)和聚晶立方氮化硼(简称PCBN)等。超硬材料的出现,不仅在高速切削上起到了突破性的作用,更重要的是能够适应了较难加工材料的切削需要。

(1)聚晶金刚石(PCD)刀具

聚晶金刚石(PCD)刀具是通过金属结合剂等金刚石微粉末聚合而成的多晶体材料,在烧结过程中由于结合剂的加入,使PCD晶体间形成以Co、Mo、W、WC和Ni等为主要成分的结合桥,其作用是牢固的把持金刚石,并且使PCD硬度和韧性大幅度提高,增加耐性、提高切削效率。由于天然金刚石价格昂贵、在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石刀具所代替。PCD刀具是精密加工有色金属及其合金、陶瓷、玻璃材料、石墨等非金属材料的最佳刀具。目前铝合金等产品零件已经无法离开这类刀具。

(2)CVD金刚石渡膜涂层刀具

CVD金刚石是指用化学气相沉积法在异质基体上合成金刚石膜,基体材料可以是硬质合金或陶瓷等。CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。具有超硬耐磨性和良好的韧性。目前,CVD金刚石渡膜涂层数控刀具多用于航空、航天、汽车及电子信息技术行业。对于高强度铝合金、纤维金属层板、镁合金、石墨、陶瓷等零部件进行加工,达到了高速、高寿命、干式加工技术要求。

(3)立方氮化硼(CBN)刀具与聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物质,有单晶体和多晶体之分,既CBN单晶和聚晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素异构体之一,由于CBN与金刚石在晶体结构上的相似性,决定了它与金刚石相近的硬度,又具有高于金刚石的热稳定性和对铁元素的高化学稳定性。PCBN是在高温下将微细的CBN材料通过TiC、TiN、AL、Ti等结合相烧结在一起的多晶体材料,是目前利用人工合成的硬度仅次于金刚石刀具材料,它与金刚石统称为超硬刀具材料。不同CBN含量的PCBN数控刀具,可用于车、镗、铣、铰、复合孔等加工过程以及某些较难加工材料,被加工材料的硬度越高越能体现PCBN刀具的优越性。

2.新型陶瓷刀具材料

陶瓷刀具是最具有发展潜力的数控刀具之一。

(1)梯度功能陶瓷刀具。

梯度功能陶瓷刀具是指组分、结构和物理力学性能呈合理梯度变化的陶瓷刀具,其主要目的是缓解陶瓷刀具在切削过程中刀具内的机械应力、热应力,提高抗震性和可靠性。梯度功能陶瓷刀具的物理力学性能和可靠性比普通均质陶瓷刀具有大幅度的提高,而且速度越高提高越显著。山东大学采用湿法工艺分散混料、粉末叠层填充、轴向热压烧结工艺,研究开发成功两种梯度功能陶瓷刀具材料FG-1和FG-2。切削试验结果表明:FG-1抗磨损和破损能力比组分相同的均质陶瓷刀具提高30%～50%。FG-2在切削淬硬工具钢T10A时刀具寿命比组分相同的均匀陶瓷刀具提高50%～100%。

(2)陶瓷―硬质合金复合刀片

陶瓷―硬质合金复合刀片是指将陶瓷和硬质合金通过烧结的方法结合在一起而得到的新型刀具材料,复合刀片的表层为陶瓷材料,下层或中层为硬质合金。它将陶瓷和硬质合金的优良性能结合起来,陶瓷―硬质合金复合刀片能承受更大的弯曲载荷。利用底层硬质合金与刀杆焊接,可以解决陶瓷刀具难焊接的问题。研究表明:复合刀片接口结合类型为化合物型和扩散型的混合,界面附近硬质合金中Co和W向陶瓷材料中扩散,陶瓷中的Ti向硬质合金中扩散,界面附近形成了Co3W3C、Al18B4O3和TiC几种新相,提高了界面结合强度。陶瓷―硬质合金复合刀片的抗弯强度可达800～1000Mpa,其抗破损能力比普通陶瓷刀具提高30%以上。

(3)粉末表面涂层陶瓷刀具

粉末表面涂层陶瓷刀具是指在硬质合金粉末表面涂层陶瓷制成复合粉末,然后将复合粉末热压制备成新型刀具。粉末表面涂层陶瓷刀具突破在刀具表面进行涂层的传统方法,变宏观涂层为微观涂层,解决了宏观涂层存在的易剥落崩碎等缺陷。这种涂层刀具既发挥了传统涂层刀具的优点又克服了其缺点,成为“新生代”涂层陶瓷刀具,其切削可靠性大大优于陶瓷刀具和刀片表面涂层刀具。

3.涂层刀具

涂层技术是将传统刀具涂覆一层或多层薄模,使刀具性能发生很大改变。涂层材料主要有:TiC、TiN、TiAlN、AlTiN、Al2O3、CrN、CrC、MoS2、WS2等。目前常用的刀具涂层方法有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、等离子喷涂及化学涂覆法等。涂层方式有:单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等。其中CVD和PVD被工业界广泛应用。刀具表面涂层技术极大地改善了数控刀具的切削性能,提高了切削效率,具有成本低见效快的特点。根据涂层刀具基本材料的不同,涂层刀具分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。

目前各厂商在不断提高涂层工艺技术,各种新的涂层方法和涂层材料在不断出现,如纳米级超薄、超多层涂层等涂层材料,目的在于不断提高涂层结合牢度、耐磨性、耐热性和抗冲击韧性等。涂层将成为改善刀具性能的重要途径。

4.硬质合金刀具

硬质合金刀具是由硬度和熔点很高的碳化物:WC、TiC、TaC或NbC等和金属结构剂(Co、Mo、Ni等)经粉末冶金方法而制成的,其硬度远高于高速钢。金属结合剂含量越高,则抗弯强度越高。其中TiC(N)基硬质合金,其硬度接近陶瓷刀具的硬度水平,硬度一般达91-94HRA,抗弯强度比陶瓷刀具材料高得多,故将其称为金属陶瓷。硬质合金是脆性材料,常温下其冲击韧性仅为高速钢的1/30～1/8。晶粒细化后,细和超细硬质合金刀具,不但可以提高其硬度、耐磨性、抗弯强度和抗崩刃性,其高温硬度也将提高。我国一些硬质合金企业对超细硬质合金已实现了批量生产,可以大幅度提高切削速度,用于难加工材料的加工。

5.高速钢刀具

高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。其刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能,在复杂刀具,尤其是制造孔加工刀具、铣刀,螺纹刀具等一些刃形复杂刀具,高速钢仍占据主要地位。由于高速钢刀具中W、Co等主要元素资源紧缺,在世界范围内日益枯竭,所以在所有刀具材料中的比重逐渐下降。那么高速钢刀具的发展方向是:发展各种少W的通用型高速钢,扩大使用各种元素无Co、少Co的高性能高速钢。扩大使用各种粉末冶金高速钢和涂层高速钢刀具。

尽管高速钢刀具在全世界的销售量以每年约5%的数量在减少,但是高性能高速钢和粉末冶金高速钢的使用在不断增加。由于表面涂层技术的发展,在高速钢刀具表面PVD涂层TiN、TiCN、TiAIN后,切削速度可以进一步提高。随着人们对切削加工效率的追求和观念的转变,涂层高速钢刀具大量应用于轿车、摩托车、航空发动机、汽轮机等制造行业。在复杂数控刀具领域将会进一步发展而占有重要地位。

二、数控刀具材料的发展前景

随着科学技术的发展,对工程材料提出了越来越高的要求,各种新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材料、先进金属或非金属材料的应用日益广泛,工件材料的品种成倍增长。如此种类繁多,工件材料和刀具材料双方交替进展,相互促进。

涂层刀具材料在数控加工领域有着巨大的潜力,预计今后涂层刀具的应用将会进一步扩大。当前涂层发展的另一个特点是,各厂商都根据产品功能的需要,综合各种涂层的特点开发专用涂层牌号,涂层已成为刀具新产品开发的重要内容;从资源、价格和性能等方面看,陶瓷刀具具有很大优势,尤其是其资源优势。陶瓷刀具材料的主要成分在自然界是用之不竭的,因此,新型陶瓷刀具材料将会得到更大的发展;PCD刀具将继续在有色金属及其合金、非金属材料加工中占有主要地位;PCBN刀具将在黑色金属及其合金加工中占有主要地位,其应用会越来越广泛;超细晶粒的硬质合金和粉末高速钢在小尺寸整体复杂加工领域还将占主导地位;超强、超硬纳米刀具材料是最诱人的数控加工刀具材料、加速研究发展,很快有可能成为现实。同时针对工件材料品种成倍增长的趋势开发通用性好、适应性强,能够在多种条件下均能正常工作的刀具也是刀具业的发展方向。

环境污染已成为全世界共同关注的焦点,保护环境节约资源是人类发展的必然趋势。欧美等工业发达国家已清醒地认识到切削液对环境的危害,相继制定出严格的工业排放标准,进一步限制了切削液的使用。因此,开发具有高温自功能的刀具材料进行高速干切削是一种环境效益和经济效益俱全的工艺选择。研发适应硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是当前研究的热点。

三、结语

1.具有高速、高精度和高可靠性“三高”刀具的研究开发将是今后数控刀具材料研究开发的重点。

2.纳米复合材料与涂层、梯度功能和多种增韧补强机制协同作用的刀具材料的设计与开发是数控刀具材料的研究发展的方向

3.加快新型数控刀具关键技术的开发应用,对推动制造业的快速发展具有相当重要的作用。开发通用性好、适应性强、能够在多种条件下均能正常工作的刀具是刀具业的一个发展方向。

参考文献:

[1]艾 兴 萧 虹:陶瓷刀具切削加工.北京:机械工业出版社,1988

[2]邓建新 赵 军:数控刀具材料选用手册.北京:机械工业出版社, 2005

[3]王爱玲:现代数控机床.北京:国防工业出版社,2003

[4]杨继昌 李金伴:数控技术基础.北京:化学工业出版社,2004