刀具的發(fā)展為高速加工帶來了更大的利潤空間
發(fā)布時間：2013-08-08
隨著個性化產(chǎn)品社會需求的增加，高速加工技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展。然而，當(dāng)用戶擁有了合適的機(jī)床和刀架，并依照所有正確的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)時，加工水平還是會受到制約。這是因為，10～15年前為傳統(tǒng)加工方式而設(shè)計制造的刀具早已無法與擁有全新技術(shù)的機(jī)床進(jìn)行良好的配合了。 近十年來，隨著高強(qiáng)度鋼、高溫合金、噴涂材料等難加工金屬材料以及非金屬材料與合金材料應(yīng)用的增加，現(xiàn)代刀具已不局限于目前廣泛使用的高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具，超硬材料刀具、涂層刀具與合金材料刀具更是今后的發(fā)展趨向，切削效率得了進(jìn)一步的提高。
刀具材料
刀具的品質(zhì)取決于刀具的材料(基材)、幾何形狀和涂層。如果刀具的基材選擇不當(dāng)，即使是選用世界上最好的設(shè)計和涂層也發(fā)揮不出其功效。基材質(zhì)量最顯著的指標(biāo)就是晶粒度。一般而言，晶粒度越小的刀具越適合用于高速加工場合。對于高速加工，推薦使用0.5μm或更小的晶粒度。 即便是晶粒度相當(dāng)也還會存在一些其他的因素影響刀具的品質(zhì)，這些因素就是硬度和橫向斷裂強(qiáng)度。對于給定的基材，硬度和橫向斷裂強(qiáng)度會受到鈷含量的影響。以往為提高硬質(zhì)合金的韌性，通常是增加Co的含量，所會出的代價則是硬度的降低。現(xiàn)在，這種情況可通過細(xì)化晶粒得到補(bǔ)償，并使硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度得到提高，已達(dá)到并超過普通HSS鋼的抗彎強(qiáng)度，從而使超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金受到青睞。人們正在逐漸改變P類硬質(zhì)合金適切鋼，而K類硬質(zhì)合金只適合加工鑄鐵和鋁等有色金屬的選材習(xí)慣。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的另一優(yōu)點是刀具的刃口鋒利，尤其適用于高速切削粘而韌的材料。 硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展主要是對細(xì)晶粒(1～0.5)和超細(xì)晶粒(<0.5)硬質(zhì)合金材料及整體硬質(zhì)合金刀具的開發(fā)，使硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度得到大大提高，可替代高速鋼制造小規(guī)格鉆頭、立銑刀和絲錐等量大面廣的通用刀具，其切削速度和刀具壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了高速鋼。 刀具的幾何形狀
高速加工技術(shù)仍然是相對較新的概念。促進(jìn)這些新興加工方式所需的技術(shù)不過才出現(xiàn)了六七年而已。通過對市場進(jìn)行的調(diào)查顯示，10～15年前為傳統(tǒng)加工方式而制造的刀具很明顯已無法與新技術(shù)良好地機(jī)床進(jìn)行配合。 高速加工往往需要更大的切削力，會產(chǎn)生更多的熱量，所以需要對切削的幾何形狀進(jìn)行專門設(shè)計。機(jī)床技術(shù)與切削刀具技術(shù)一直都是攜手并進(jìn)的。高速切削技術(shù)不只是切削速度的提高，它的發(fā)展主要取決刀具技術(shù)(包括刀具材料、涂層刀具結(jié)構(gòu)、刀柄和裝夾系統(tǒng)、刃磨與動平衡、檢測和監(jiān)控系統(tǒng))和高速機(jī)床技術(shù)(包括電主軸、直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、數(shù)控與伺服系統(tǒng)、軸承及潤滑、刀庫等)的進(jìn)步，而刀具與機(jī)床的正確選用常起著決定性的作用。 每把用于高速加工的刀具都有三個重要特性：精度、剛度和使用壽命。在模具工業(yè)中，模具制造商們?nèi)绻幌朐阢Q工工序上花費大量時間，就要高度重視每一把球頭銑刀的精度。對腔體進(jìn)行鉗工修復(fù)需要大量的返工時間，很容易就會把盈利變成虧損。因此，模具制造商們要清楚地認(rèn)識到：買一把高精度的刀具要多付一些錢，但與鉗工的額外工作時間及報廢的刀具裝置相比，這項投入根本就算不得什么。 高速切削模式下，對于加工的要求使得刀具及其耐受徑向、軸向力的能力變得十分重要。傳統(tǒng)端銑刀，其芯部直徑厚度大約為整個刀具直徑的50%，芯部直徑與溝槽的齒槽深度成正比。在碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)銑削操作中，這一設(shè)計應(yīng)用良好，但在對D2和H13之類模具鋼進(jìn)行高速加工時，這種設(shè)計的剛性就不夠了。鍛模/鑄模加工所用的端銑刀必須采用淺一些的齒槽，以支持更厚的芯部直徑。高速切削方式要求切削深度不超過刀具直徑的10%，與傳統(tǒng)加工方式相比所需的容屑空間小得多，所以可以犧牲齒槽深度將芯部直徑加厚。 刀具涂層
高速切削與傳統(tǒng)加工方式相比產(chǎn)生的熱量較少，但是切口的溫度也更恒定。因此，需要更先進(jìn)的 PVD涂層來支持刀刃。在大多數(shù)加工應(yīng)用場合，像TiN、TiCN以及單層的TiAlN 這樣的標(biāo)準(zhǔn)涂層已經(jīng)能滿足應(yīng)用。但在高速加工方式下，要想達(dá)到令人滿意的刀具壽命，涂層和刀具必須滿足更高的要求。 與硬質(zhì)合金基材相似，刀具的不同涂層在肉眼看來往往沒什么區(qū)別，但在顯微鏡下則大不相同，僅是TiAlN的變種就多不勝數(shù)。和硬質(zhì)合金基材相似，決定涂層之間區(qū)別的還有工藝。事實上，工藝已受到人們越來越多的重視，有些涂層的專業(yè)生產(chǎn)廠家甚至還為其工藝申報了專利，以防止競爭對手的仿制。從加工的角度來看，試驗已經(jīng)證明高速加工場合下多層涂層最為理想。多層涂層的每一層中都融入了其它專利成分，防止涂層中的切屑穿透全部涂層刺入基材表面，而將它們偏轉(zhuǎn)到相鄰的層。所以與常規(guī)的單層PVD涂層相比，多涂層的刀具壽命會得到顯著提高。 結(jié)論
關(guān)于高速加工人們常常有一個錯誤的概念，就是認(rèn)為機(jī)床是高速加工生產(chǎn)中的最大投資。實際上在機(jī)床的整個使用周期里，使用廠家在切削刀具上的投入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)床本身的費用。因此，要真正實現(xiàn)成本最低化和利潤空間的最大化，就必須選用先進(jìn)適用的刀具。 優(yōu)質(zhì)的切削刀具具有更堅固的基材、特別設(shè)計的幾何形狀和更有效的保護(hù)涂層，提高了刀具的使用壽命和表面光潔度。更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)增加了終端客戶的初始投資，然而所換來的是機(jī)加工時間的大大縮短。企業(yè)在獲得較短生產(chǎn)周期的同時其產(chǎn)品質(zhì)量也具有了可重復(fù)性，操作者完全可以讓機(jī)床自行運轉(zhuǎn)。因此，要想在刀具上節(jié)省成本并非什么聰明之舉。本來應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是生產(chǎn)上的長期節(jié)約，卻往往把注意力集中在了對初始成本(刀具)的節(jié)省上。所以，如果增加對刀具裝置的初次投資能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)成本的最低化，最終人們還是能通過提高生產(chǎn)率獲得更大的利潤。
