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CIMT--先进刀具的大聚会 |
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作者：成都工具研究所 赵炳桢 |
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第9届中国国际机床展已于4月17日圆满结束，热烈的场面精湛的展品给参观者留下了深刻的印象，也给我国制造业发展尤其是装备制造业的振兴注入了新的动力。
在本届展览会上，国内外众多的刀具制造商包括著名的大公司展出了它们开发的新产品新技术，反映了当前切削技术和刀具的先进水平，及创新切削刀具提高加工效率的发展趋势。
在长期实践的基础上，刀具制造商形成的“创新刀具，提高切削效率，为用户服务”的发展思路和经营理念，推动了切削技术和刀具的快速发展，也成为本届展览会刀具展品的主旋律。
首先是刀具材料新牌号的开发，取得了显著的效果。 展出的刀具材料新牌号都有很强的针对性和独特的应用领域。根据切削理论，在切削过程中，由于被加工材料和切削条件的不同，刀具损坏失效的形式和机理有很大的区别，要求刀具牌号有不同的性能。现代刀具制造商在研究刀具失效机理的基础上，应用在刀具材料和涂层技术领域取得的新成果，对两者进行优化组合，使开发的新牌号更加符合加工条件，达到提高切削参数和加工效率的目的。
黑金刚系列刀片
山特维克公司推出的新的GC2015牌号，是专为高速车削不锈钢而开发的，它比原来的GC2015可提高切削速度20%。新的GC2015的基体采用了梯度硬质合金，表面富钴韧性好，内部有良好的热硬性，允许应用高的切削速度；并为此设计了专门的TiN-TiN/Al2O3(多层)-TiCN复合涂层，其中底层的TiCN与基体的结合强度高并有良好的耐磨性，TiN/Al2O3的多层结构既耐磨又能抑制裂缝的扩展，表面的TiN有较好的化学稳定性又易于观察刀具的磨损；该公司还为新的GC2015开发了相应的刀片槽型，使切削刃更锋利，更适合加工不锈钢。又如株洲钻石切削刀具股份有限公司展出的加工铸铁的黑金刚系列刀片，包括YBD052、YBD102、YBD152、YBD252等4 个牌号，它们依次适用于高速加工灰铸铁、高速加工球墨铸铁、中高速车削或铣削、中低速湿式铣削或断续切削条件下的车削；根据加工铸铁材料的刀具受力特点、刀片失效形式及每个牌号不同的应用范围，对刀片的基体分别采用了不同的钴含量、不同的WC粒度及烧结工艺，从而获得不同硬度的基体。此外，还根据使用的切削速度高低和对韧性的要求分别采用超厚、厚、中厚的TiCN和Al2O3的涂层厚度，并对涂层的结构进行控制，形成了4种牌号各具特色的涂层和基体的优化搭配。试验数据表明，这些牌号比该公司现有的加工铸铁牌号可提高切削速度30%~40%，使用寿命可提高将近40%~50%。
韩国KORLOY公司车削不锈钢新牌号NC9020和PC9030，前者适用于高速精加工，要求刀片有较好的耐磨性，后者适用于粗加工，要求刀片有较好的韧性；针对两者不同的应用领域，设计了两种基体和涂层的组合，NC9020采用专门适合不锈钢的基体和耐磨的CVD复合涂层，而PC9030为高韧性的细颗粒基体和抗积屑瘤的PVD复合涂层。是厦门金鹭特种合金有限公司展出的金刚石涂层立铣刀，采用超细颗粒硬质合金基体和CVD金刚石涂层，适用于高速加工铝合金和石墨等非金属材料。
涂层性能的比较
其次是新成分涂层的开发，涂层性能进一步提高。从上面刀具新牌号的开发中已可见涂层对创新牌号提高刀具性能的重要作用。此外，展览会还显示出一些新成分的涂层，它们与当前占主导的TiAlN涂层相比有新的或更好的性能。如Balzers的AlCrN涂层，以Cr元素代替Ti元素，具有3200Hv硬度和1100℃的氧化温度的高性能，与TiAlN比较，韧性更好，更适合用于断续切削如铣削、滚削。又如日立公司开发的9种涂层，除了常规的TiN、TiCN、TiAlN以外，还开发了以Si元素代替Al元素的涂层，有适用于硬切削的TiSiN涂层，有润滑性的CrSiN涂层，有超强耐氧化能力的AlCrSiN涂层和在高温下具有低摩擦系数的TiBON涂层。这些有别于TiAlN的涂层，具有不同于TiAlN的特殊性能，为新涂层的开发打开了更加宽广的视野和应用领域。
涂层的进展还体现在纳米涂层的实用化和涂层表面的平滑化。纳米技术的应用把涂层性能提高到新的水平， 其硬度值在3200~3600Hv之间，开始氧化的温度在900~1100℃的范围里。前面提到的日立公司的TiSiN涂层(又称TH涂层)为5nm的结晶复合材料，就具有3600Hv的硬度和1100℃的开始氧化温度，与一般涂层比较，性能有明显的改善。此外，涂层的表层直接与切屑流动的表面接触并相对摩擦，提高涂层表面的光洁度可提高涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力，成为涂层技术发展中的一个新动向。如株洲钻石切削刀具股份有限公司展出的黑金刚系列刀片，通过细化刀片表层的α- Al2O3技术，晶粒度达1μm。三菱公司展出的UE系列车削刀片采用平滑涂层技术，是在刀片表面涂覆了一层特殊钛化物沉积层，使涂层表面平滑化。不二越公司的平滑化GS涂层，其涂层表面的粗糙度达Ra=0.08μm,Rz=1.1μm，显著改善了涂层表面的特性。
平面铣刀
第三是刀具结构的创新。刀具材料和涂层技术的进展为提高切削效率打下了基础，但是只有通过先进的刀具结构才能充分发挥刀具材料和涂层的优势，因此刀具制造商十分重视刀具结构的研究和开发，一些创新的刀具结构代表了当前刀具结构发展的方向。一是加大刀具的前角，降低切削力，使切削更轻快，同时也减轻了刀具的载荷，为提高切削效率创造了有利条件。如山高公司的Quattromill平面铣刀，刀片槽是10°正前角，加上正前角的刀片，安装后最大有效前角高达35°，显著降低切削力和功率消耗，也扩大刀具的应用范围。如Walter公司的Xtra.tec钻头，是机夹刀片硬质合金钻头，较大的前角，较短的横刃，以及对刀体(槽)表面的硬化处理和可靠的定位装夹方式，使钻削轻快，排屑畅通，加上应用了该公司的Quartec的材质和Tiger.tec的涂层技术，据称可提高切削效率100%。该系列的台肩铣刀、面铣刀的可转位刀片都有较大的前角。二是改变切削图形降低切削力，加大进给速度。如山特维克公司的CoroDrill 880浅孔钻，开发了台阶形的中心刀片与4方形的外周刀片，工作时两个刃的切削图形相互搭接，形成分屑的效果，从而降低切削力，提高进给速度；钻头切削负荷的分配还顾及到径向力的平衡，加上外周刀片很小的副偏角，产生修光作用，这样，在高进给率时仍能获得较好的尺寸精度和表面质量。ISCAR公司展出的风火轮铣刀配置的齿形刀片与圆刀片比较也具有分屑的效果，不仅降低切削力，而且细小的切屑有利排屑。三是通过结构的设计减少铣削加工中的振动。如日立公司的四刃圆角铣刀，两个被称为副刃的外径略小于铣刀的公称尺寸，使四刃处在椭圆形的截形上，副刃与端刃连接的“圆”弧也是椭圆的一部分；切削时主刃与副刃分别切下不同长度、厚度的切屑，改变了切削力的周期性，抑制了刀具的振动，可提高铣刀每齿进给量(0.5~0.7mm/z)，实现高效加工。
在本届展会上，国内的工具展商展出了它们为发电设备、机车、铁路、汽车、石油等工业部门开发的一批高性能刀具。四平兴工刃具有限公司面向发电设备行业的需求，开发了汽轮机的叶根槽铣刀、榫槽拉刀等高档刀具。成量工具公司针对不同行业开发了特色的螺纹工具，展品中有汽车行业用的带导向的丝锥，有铁道行业机车提速用的变牙形防松螺母丝锥，有桥梁建设用的预应力丝锥，并开发了配套的板牙、量规。哈尔滨第一工具有限公司展出的各种可转位成形铣刀，包括铁轨道叉铣刀，石油抽油机专用铣刀，火车挂钓铣刀、模块式曲轴铣刀及机床床身可转位组合铣刀等产品，显示出该公司开发可转位铣刀的强大实力。成都工具研究所工研科技股份有限公司依托该公司开发高精度硬质合金成形刀片成套技术的优势，展出了新开发的加工高强度石油管螺纹的硬质合金梳刀、加工高压锅炉管的扒皮刀、加工高速机车轮毂的可转位刀片、加工曲轴的车拉刀刀片及加工轴承滚道的可转位成形刀片。汉江工具有限责任公司展出了为南京汽轮机厂开发的双切滚刀，以及叶根铣刀、变速箱同步器筒形插齿刀、特形插齿刀等专用刀具。上海工具厂有限公司展出了高精度PCD成形铣刀(图10)、HSK整体PCD组合镗刀、波形刃叶根铣刀及整体硬质合金系列刀具。无锡瑞邦工具技术有限公司为加工制冷机散热器孔板开发的内冷却齿冠式硬质合金钻头，采用独特的S刃形和沟槽形状。这些例子说明我国工具行业在面向用户需求的过程中，新品的开发能力得到提高。
当前，我国正处在制造业快速发展的时期，要求切削技术和刀具提供强大的支撑，本届展览会所展示的创新的刀具产品，指出了刀具发展的方向和创新的广阔空间，必将推动我国切削技术和刀具的发展，为提高制造业的加工效率发挥应有的作用。(end)
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(8/6/2005) |
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