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硬质合金刀具为什么能实现更高的金属去除率?

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硬质合金刀具为什么能实现更高的金属去除率?

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    0864574958 2017-01-19 13:24:29

    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。 1.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:硬质合金混合料制备、压制、烧结、后处理及涂层。尽管数十年来以上基本工序保持不变,但随着科学技术的进步,却对刀片的生产制造产生了显著影响。 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。 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(见图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。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、获得更佳的压制模具部件形状及精度成为可能。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。 2.涂层技术的发展 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,30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100m/min;现在,采用伊斯卡涂层硬质合金牌号IC5005的切削速度达600m/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80m/min;现在采用涂层牌号IC5500的切削速度达300m/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)和物理气相沉积涂层(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2所示的涂层由最大值为50nm的涂层复合而成,已被证明大大提高了涂层的结合强度。 现代技术的发展使得操作人员能对刀片涂覆CVD和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(MTCVD)及TiAlN(PVD)涂层。最初研发此涂层的目的是提高具有特殊用途硬铸铁的生产率。 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(见图3、图4)。 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ISOM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(见图5)。 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(Inconel718)的加工提供了优异的备选方案。 铬镍铁合金(Inconel718)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(Inconel718)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Inconel718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。 Inconel718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(SUMOTEC),具有更加出色的耐磨性,显著提高了刀具寿命,并且更可靠。 3.结语 硬质合金刀片生产技术的不断进步,更多样的表面处理方式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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