刀具的發展為高速加工帶來了更大的利潤空間
發布時間：2013-08-08
隨著個性化產品社會需求的增加，高速加工技術在汽車制造領域得到了進一步的應用和發展。然而，當用戶擁有了合適的機床和刀架，并依照所有正確的標準進行維護時，加工水平還是會受到制約。這是因為，10～15年前為傳統加工方式而設計制造的刀具早已無法與擁有全新技術的機床進行良好的配合了。 近十年來，隨著高強度鋼、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用的增加，現代刀具已不局限于目前廣泛使用的高速鋼刀具和硬質合金刀具，超硬材料刀具、涂層刀具與合金材料刀具更是今后的發展趨向，切削效率得了進一步的提高。
刀具材料
刀具的品質取決于刀具的材料(基材)、幾何形狀和涂層。如果刀具的基材選擇不當，即使是選用世界上最好的設計和涂層也發揮不出其功效。基材質量最顯著的指標就是晶粒度。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。 即便是晶粒度相當也還會存在一些其他的因素影響刀具的品質，這些因素就是硬度和橫向斷裂強度。對于給定的基材，硬度和橫向斷裂強度會受到鈷含量的影響。以往為提高硬質合金的韌性，通常是增加Co的含量，所會出的代價則是硬度的降低。現在，這種情況可通過細化晶粒得到補償，并使硬質合金的抗彎強度得到提高，已達到并超過普通HSS鋼的抗彎強度，從而使超細顆粒硬質合金受到青睞。人們正在逐漸改變P類硬質合金適切鋼，而K類硬質合金只適合加工鑄鐵和鋁等有色金屬的選材習慣。細晶粒硬質合金的另一優點是刀具的刃口鋒利，尤其適用于高速切削粘而韌的材料。 硬質合金刀具材料的發展主要是對細晶粒(1～0.5)和超細晶粒(<0.5)硬質合金材料及整體硬質合金刀具的開發，使硬質合金的抗彎強度得到大大提高，可替代高速鋼制造小規格鉆頭、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遠超過了高速鋼。 刀具的幾何形狀
高速加工技術仍然是相對較新的概念。促進這些新興加工方式所需的技術不過才出現了六七年而已。通過對市場進行的調查顯示，10～15年前為傳統加工方式而制造的刀具很明顯已無法與新技術良好地機床進行配合。 高速加工往往需要更大的切削力，會產生更多的熱量，所以需要對切削的幾何形狀進行專門設計。機床技術與切削刀具技術一直都是攜手并進的。高速切削技術不只是切削速度的提高，它的發展主要取決刀具技術(包括刀具材料、涂層刀具結構、刀柄和裝夾系統、刃磨與動平衡、檢測和監控系統)和高速機床技術(包括電主軸、直線電機進給系統、數控與伺服系統、軸承及潤滑、刀庫等)的進步，而刀具與機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。在模具工業中，模具制造商們如果不想在鉗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。對腔體進行鉗工修復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。在碳鋼的標準銑削操作中，這一設計應用良好，但在對D2和H13之類模具鋼進行高速加工時，這種設計的剛性就不夠了。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
高速切削與傳統加工方式相比產生的熱量較少，但是切口的溫度也更恒定。因此，需要更先進的 PVD涂層來支持刀刃。在大多數加工應用場合，像TiN、TiCN以及單層的TiAlN 這樣的標準涂層已經能滿足應用。但在高速加工方式下，要想達到令人滿意的刀具壽命，涂層和刀具必須滿足更高的要求。 與硬質合金基材相似，刀具的不同涂層在肉眼看來往往沒什么區別，但在顯微鏡下則大不相同，僅是TiAlN的變種就多不勝數。和硬質合金基材相似，決定涂層之間區別的還有工藝。事實上，工藝已受到人們越來越多的重視，有些涂層的專業生產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，而將它們偏轉到相鄰的層。所以與常規的單層PVD涂層相比，多涂層的刀具壽命會得到顯著提高。 結論
關于高速加工人們常常有一個錯誤的概念，就是認為機床是高速加工生產中的最大投資。實際上在機床的整個使用周期里，使用廠家在切削刀具上的投入要遠遠超過機床本身的費用。因此，要真正實現成本最低化和利潤空間的最大化，就必須選用先進適用的刀具。 優質的切削刀具具有更堅固的基材、特別設計的幾何形狀和更有效的保護涂層，提高了刀具的使用壽命和表面光潔度。更高的質量標準增加了終端客戶的初始投資，然而所換來的是機加工時間的大大縮短。企業在獲得較短生產周期的同時其產品質量也具有了可重復性，操作者完全可以讓機床自行運轉。因此，要想在刀具上節省成本并非什么聰明之舉。本來應當強調的是生產上的長期節約，卻往往把注意力集中在了對初始成本(刀具)的節省上。所以，如果增加對刀具裝置的初次投資能夠實現生產成本的最低化，最終人們還是能通過提高生產率獲得更大的利潤。
