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伊斯卡在刀片制造领域的跨越式发展
来源:伊斯卡 作者: 浏览次数:0
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  硬质合金是一种硬度非常高的材料,在主要用于金属切削加工的切削刀具中得到了广泛的应用。在机械加工业,所提及的合金或钨钢通常指的就是此类硬质合金材料。采用硬质合金刀具可收获诸多优点。相比于高速钢刀具,在绝大多数案例中,使用硬质合金刀具加工工件不仅可收获更佳的被加工表面质量,还可获得更高的加工速度;硬质合金刀具能承受更高的切削热,这也是其能实现更高金属去除率的主要原因。当加工高合金钢或不锈钢这类不易加工的被加工材料时,或在大批量生产以及产能扩充的场合,诸如此类高速钢刀具容易快速磨损的情况下,硬质合金刀具的采用通常能使得切削表现更佳。

  硬质合金刀片的缘起

  硬质合金刀具工业化应用于金属切削始于二十世纪三十年代。从那以后,硬质合金就演变成了迄今为止最为常见的刀具材料。尺寸相对小的刀具往往由整体硬质合金制成;非整体硬质合金刀具仅在切削区域采用硬质合金。早期的非整体硬质合金刀具往往将硬质合金焊接至刀体上。到二十世纪四十年代,硬质合金刀具制造商们就已开始生产夹持可换式机夹刀片的刀具,并因此受益。相比于早前的焊接式刀具,这一脑洞大开的技术创新及对机械式夹紧结构的采用使得刀具强度更高;现在已被公认为里程碑式的发明,不止于工具制造业领域,还包括为整个金属加工业带来先进而高效的加工。

  这一长足的进步为加工制造领域开启了广阔的提升空间,并立即提高了刀具的承载能力,使得刀具拥有快速去除金属的能力。除却为刀片因磨损失效或破损失效时更换刀片变得更简便而经济带来成本降低做出保障外,还使得能分别制造切削模块及刀体。刀片的更换往往需要考虑其形状,快速更换失效的切削刃有几种方式,除了沿刀片中心轴线转位外,也有反转刀片正反面的情况。如今最被业界认可的广泛传播的“可转位刀片”这一称谓,曾经也被称作:可弃式刀尖、可更换式刀片、可替换式刀片。

  硬质合金刀片的生产

  可转位刀片的生产技术基于粉末冶金技术,生产流程如下:硬质合金混合料制备;压制;烧结;烧结后处理工序;涂层。尽管数十年来以上基本工序保持不变,但与此同时来自科学技术的进步却对刀片的生产制造产生了显著的影响。

  在过去,刀片压坯往往由人工进行压制。因此,要对具有不同压制密度的混合料压坯统一进行烧结变得非常困难甚至难以操作。随着越来越多具有前沿的自动化及计算机控制的先进工业设备走进硬质合金制造企业,硬质合金生产过程的技术控制越来越稳定、可控及可靠。其结果就是所生产刀片的机械加工性能变得越来越一致、加工结果具有可预见性且不因刀片批号不同导致加工结果不同;新技术还使得烧结刀片的尺寸公差带更窄,精度更高,硬质合金刀片性能得到极大提升。
 

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图1:铣刀片H690 TNKX 1005刀尖角具有不等高度

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图2:车刀片CNMG 331-F3P采用了先进压制技术,具有复杂的断屑槽。刀片优化了前刀面槽形以用于车削各种难加工钢及铸铁

  现如今,一台典型的刀片压机往往是由计算机控制的高度集结了工程学的设备。某些压机的设计还可进行多轴向压制。来自压制技术的非凡进步使得生产具有复杂形状的刀片成为可能,比如刀尖高度差异非常大的刀片(图1)。先进的压制技术确保能收获更优化的刀片形状,不仅能保证刀片表面的光滑与刀片生产过程的稳定,还提高了刀片表面的精度等级(图2)。此外,现代计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)的应用也为刀片的生产制造带来了益处,使得提高刀片设计水平及获得更佳的压制模具部件形状及精度成为可能。并且具有以最终烧结产品为导向来模拟压制生产过程的能力,在设计的初始阶段,就能从设计的角度对压制烧结结果予以修正以促使成功研制出新刀片。

  对刀片烧结先进技术的掌控也有助于在生产过程中提高刀片的品质。在烧结过程进行工艺控制以获取非均匀结构的梯度硬质合金基体,确保合金表面带有薄层的富钴层。带有梯度层的硬质合金基体能阻断表面裂纹的发展,保障了硬质合金基体具有更佳的抗脆裂性及抗破损性。当今,梯度硬质合金基体往往应用于进行车削加工的刀具中。

  涂层技术的发展

  直到二十世纪八十年代尚未出现涂层的硬质合金牌号。那时,为使得硬质合金能通用于不同工程材料的加工,刀具制造商们通过添加不同的添加剂(如硬质相或金属添加剂)来制取不同硬质合金牌号。涂层技术的采用极大地促进了全球机械加工业的发展;现今绝大多数硬质合金牌号都是涂层的。这一新技术还带来额外好处,使得某些牌号可专用于某类特定的被加工材料的加工。不需要往硬质合金基体添加品类繁多的添加剂;这减少了硬质合金基体牌号,生产过程控制更稳定。

  涂层硬质合金的引入及该领域的持续发展显著提高了刀具的切削速度。从加工实例来看,三十年前,采用伊斯卡非涂层硬质合金牌号IC20车削灰铸铁的切削速度大约为100 m/min;现在,采用伊斯卡涂层硬质合金牌号IC5005的切削速度达600 m/min。在另一案例中,相同时期,采用伊斯卡非涂层牌号IC50M铣削马氏体不锈钢的切削速度为80 m/min;现在采用涂层牌号IC5500的切削速度达300 m/min。这些令人印象深刻的数据充分解读了涂层硬质合金为刀具切削速度的提升带来的跨越式发展。

  涂层技术主要沿两个基本方向持续发展:化学气相沉积涂层(CVD)及物理气相沉积涂层(PVD)。CVD涂层的重大发展来自于对氧化铝陶瓷涂层的引入。氧化铝陶瓷涂层在高温下具有出色的隔热性能、耐磨性及化学稳定性,这使得刀具能以更高的切削速度加工。

  PVD涂层于二十世纪八十年代末期被引入到硬质合金生产中。PVD涂层因在纳米级涂层领域克服了生产制造中的诸多难题实现了突破性的发展。PVD涂层因此能提供全新等级的耐磨性更高的纳米涂层。相比于常规PVD涂层方式,图3所示的涂层由最大值为50 nm(纳米)的涂层复合而成,已被证明大大提高了涂层的结合强度。
 

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图3:IC807牌号的纳米涂层结构(显微图片)

  现代技术的发展使得操作人员能对刀片涂覆CVD及PVD两种涂层,复合涂层方式对涂层性能的控制更佳。例如,伊斯卡硬质合金牌号DT7150就是在韧性的基体上进行中温化学涂层(MT CVD)及TiAlN (PVD)涂层。而最初研发此涂层的目的是提高具有特殊用途的硬铸铁的生产率。

  刀片技术的另一主要先进生产制造方式就是涂层后处理技术。例如,伊斯卡推出的束魔技术(SUMOTEC)就采用了对已完成表面涂层的刀片进行后序处理的方法。前沿的束魔涂层后处理技术提高了硬质合金牌号的强度及耐磨性,使得生产率更高。对于CVD涂层而言,因硬质合金基体与涂层热膨胀系数的不同会导致内应力的产生。而PVD涂层则有表面液滴残留的问题。以上因素给涂层带来了负面影响并因此缩短了刀片寿命。采用束魔涂层后处理技术则显著降低甚至免除了这些不利因素的影响,除了收获更高的刀具寿命,还能大幅提高生产率(图4及图5)。
 

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图4:CVD涂层采用束魔涂层后处理技术(SUMO TEC)前(左图)后(右图)的显微图片

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图5:PVD涂层采用束魔涂层后处理技术(SUMO TEC)的效果:A-未处理表面,B-处理后表面(显微图片)

  伊斯卡近期推出的硬质合金牌号IC6025推荐用于诸如奥氏体不锈钢及双相不锈钢这类ISO M材料组的车削加工。该牌号采用了多涂层及涂层后处理技术,能显著提高航空工业领域材料的车削加工效率(图6)。
 

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图6:伊斯卡IC6025牌号涂层示意图,该牌号专为ISO M材料组的加工而研制

  伊斯卡推出的硬质合金牌号IC806是最前沿硬质合金牌号的代表,适用于高温合金的车削及切槽加工。IC806是采用了束魔涂层后处理技术的PVD涂层牌号,为高温合金,尤其是铬镍铁合金(Inconel 718)的加工提供了优异的备选方案。

  铬镍铁合金(Inconel 718)归属于镍基超级合金,广泛应用于对零部件材料有耐高温、耐腐蚀性能要求的场合。该材料在航空航天工业领域得到了普遍的应用,如制作为飞机发动机热端部件,也被制作为各种石油工业领域部件。

  铬镍铁合金(Inconel 718)的金相组织显示其具有高抗拉强度及抗屈服强度的奥氏体结构。加工Inconel 718所遭遇的主要问题是刀片切削刃的温度非常高。这是由于材料中所含的50-55%高镍和17-21%高铬,在加工中作为磨料磨损刀片,导致刀片因高磨损率、崩刃、沟槽磨损及破损而失效。即便是在低切削速度下,这些因素也会使得刀具寿命降低,切削刃产生严重的塑性变形。

  Inconel 718加工的另一复杂影响因素是其性能具有发生改变的趋势,这源于加工过程中因冶金敏感性导致残余应力以及自硬性效应。伊斯卡以高效加工这一特定材料为目标,成功研制出IC806牌号。该牌号在超细晶粒基体上进行TiAlN(PVD)涂层并进行束魔涂层后处理(SUMO TEC),具有更加出色的耐磨性,显著提高了刀具寿命,并且更可靠。

  结语

  硬质合金刀片生产技术的不断进步来自于多个领域的发展。更前沿的压制技术、烧结技术、涂层技术及涂层后处理技术,更多样的表面处理方式,能对刀片切削刃进行更优化的处理共同使得生产制造的可转位刀片能为现代化金属加工业提供更适合的满足其高效加工需求的解决方案。


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