刀具制造商當今天的形勢

     現今的刀具公司再也不能只制造和賣刀具。為了成功他們必定同全球化制造趨勢保持一致,通過提高效率、同客戶合作來降低成本。在這個近乎瞬間的全球競爭的后NAFTA、后WTO時代,全世界的公司正對相同感覺作出更快、更輕、更便宜的反應。 

　　換句話說,他們制造的產品和零件包含能在高速下運轉,由于成本的壓力最好更輕而且要制造更便宜。取得這些目標的一個最佳途徑是通過發展和應用新材料,但這些新的和改進的材料通常都難以加工。這種商業上的動力和技術上的困難的組合在汽車和航空工業尤其突出,并已成為有見識的刀具公司研發部門的首要驅動力。 

例如,拿球墨鑄鐵來說,它已成為發動機零件和其它汽車、農用設備和機床工業上的零件的日益見的材料。這種合金提供較低的生產成本和良好的機械性能的組合。他們比鋼材便宜,而比鑄鐵有更高的強度和韌性。但同時球墨鑄鐵非常耐磨,有快速磨壞刀具材料的傾向。這種耐磨性很大程度上受珠光體含量影響。某一已知球墨鑄鐵的珠光體含量越高,它的耐磨性越好而且它的可加工性越差。另外,球墨鑄鐵的多孔性導致斷續切削,這更加降低壽命。可以預計,高硬度和高耐磨的切削材質需考慮球墨鑄鐵的高耐磨性。并且事實上材質包含極硬的TiC(碳化鈦)或TiCN(碳氮化鈦)的厚涂層在切削速度每分鐘300米時加工球墨鑄鐵被證明通常是有效的。但是隨著切削速度的增加,切屑/刀具結合面的溫度也在增加。當發生這樣的情況,TiC涂層傾向于和鐵發生化學反應并軟化,更多的壓力作用在抗月牙洼磨損的涂層上。在這些條件下,希望有一種化學穩定性更好的涂層,如Al2O3(雖然在較低的速度下不如TiC硬或耐磨)。 

化學穩定性比耐磨性更成為一個重要的表現性能分界的確切速度和溫度取決于被加工球墨鑄鐵的晶粒結構和性能。但是通常厚涂層的TiC或TiCN和僅有氧化物的較薄涂層是針對球墨鑄鐵應用的,因為今天大部分這類被加工材料的切削速度在每分鐘150到335米之間。對于速度高于每分鐘300米的應用,人們對這種材料是滿意的。為了使這個范圍性能最優,山高研發和推出了針對球墨鑄鐵加工的材質TX150。這種材質有一個硬且抗變形的基體,對于加工球墨鑄鐵很理想。它的涂層由一層較厚的很耐磨的碳氮化鈦和一層較薄的抗月牙洼磨損的氧化物涂層,頂面是一薄層TiN。這種涂層運用目前工藝水平的產生耐磨性和抗月牙洼磨損需要的CVD涂層的全部硬度而且韌性平滑性增加的中溫化學氣相沉積(MTCVD)工藝。基體/涂層的組合性能給予很高的抗塑性變形和刃口微崩能力,使之成為正常速度下加工球墨鑄鐵的理想材質。涂層陶瓷也表現出能有效加工球墨鑄鐵。在過去,未涂層的韌性較好的諸如氮化硅和碳化硅纖維強化的氧化鋁陶瓷應用受工件材料化學親和性的限制。但是今天通過使用能抵抗切屑變形過程產生高熱量的涂層刀具壽命已經顯著增加。而某些早期這個領域的工件加工使用氧化鋁涂層晶須強化陶瓷,今天的多數研究活動集中于TiN涂層氮化硅。這種涂層能顯著拓寬韌性較好的陶瓷的應用范圍。 
刀具在熱強合金中的應用 

航空加工也變化迅速。例如,鎳基高溫合金如幾年前多數人未聽說過的Rene88現在占到航空發動機制造使用總金屬量的10~25%。對于這個有很好的表現和商業理由。例如,這些熱強合金能增加發動機壽命而且允許較小的發動機工作在大飛機上,那將提高燃燒效率并降低運營成本。這些韌性好的材料也把費用呈現在刀具上。它們的耐熱性導致刀尖上的溫度更高,從而降低了刀具壽命。相似地,這些合金里的碳化物顆粒顯著增加了摩擦,從而縮短刀具壽命。作為這些條件改變的結果,曾經能很滿意地加工很多鈦合金和鎳基合金的硬質合金材質C-2在應用到當今的合金時遭受切削刃的壓碎和切削深度線處嚴重的溝槽磨損。但是用最新的細顆粒硬質合金能有效加工高溫合金,刀具壽命得到提高,更重要的是提高在高溫合金應用時的可靠性。細顆粒硬質合金有比傳統硬質合金材質更高的壓縮強度和硬度,只是在韌性方面增加少量的成本。而結果是在高溫合金加工上比傳統硬質合金抵抗常見失效模式更有效。 

PVD(物理氣相沉積)涂層也被證明有效加工高溫合金。TiN(氮化鈦)PVD涂層是最早使用的并仍然是最受歡迎的。最近,TiAlN(氮鋁化鈦)和TiCN(碳氮化鈦)涂層也能很好使用。過去TiAlN涂層應用范圍和TiN相比限制更多。但是當切削速度提高后它們是一個很好的選擇,在那些應用提高生產率達40%。另一方面,在較低的切削速度下取決于涂層的表面工況TiAlN會導致積屑瘤、隨后的微崩和溝槽磨損。 

近來,用于高溫合金應用的材質已經發展了,這些涂層由幾層組合而成。大量的實驗室和現場測試已經論證了這種組合和其它任何一種單一涂層相比在很寬范圍的應用時很有效。因此針對高溫合金應用的PVD復合涂層可能成為硬質合金新材質研發持續的焦點。和MTCVD涂層、涂層陶瓷集合在一起,它們有望成為更有效加工正在研發的新的更難加工工件材料的主要沖擊力量。 

干切削 

包括冷卻液在內的問題是刀具制造的科技和商業擴大產業化趨勢的另一個領域。北美和歐洲嚴格冷卻液管理的要求和最大的三家汽車制造商強制它們的核心供應商取得ISO14000認證(ISO9000的環境管理版本),這使得冷卻液處理成本上升。對汽車公司和他們核心供應商來說明顯受歡迎的反應之一是在特定的加工應用里完全免除冷卻液的使用。這種干加工的新世界(行情,論壇)給刀具供應商提出了一系列挑戰。 

最近,已經出現了一些有關這個專題揭示速度、進給、涂層化學成分和其它參數的很充實的綜合性很強的有用的技術文章。在這里我想集中論述在操作和商業含義上的汽車制造商的新‘干干加工觀點’。
金屬加工從業人員能很好理解有關冷卻液使用的問題,但大多數不能理解有關除在刀具-工件接觸面間技術挑戰(例如排屑)之外的干加工問題。通常可以觀察到流出的冷卻液分散切屑,但壓力超過3000磅/英寸2的高速冷卻液也能幫助斷屑,特別是軟且連續的切屑會引起刀具-工件接觸面上的麻煩。采用干切削工藝的零件的結果是機床比采用濕式加工零件的更熱。你是否允許它們測量前在露天自然冷卻?如果新加工的熱零件經常放到周轉箱,升高周圍環境溫度,是否零件充分冷卻并正好足夠允許精度檢測?還有處置身邊幾十上百的零件會對操作工人增加額外負擔。

同許多刀具/工件的技術問題一起,這些潛在的問題需要陳述是否干加工能行。幸運地,有很多途徑闡述這些問題。例如,壓縮空氣被證明在很多應用里排屑成為問題的場合有成功的反響。 

另一個方案是叫做MQL(最小量潤滑)的技術,它由應用代替傳統冷卻液的相當少量油霧構成。這是一個公認的折中方案,這種最小量技術會大幅度減少冷卻液的頭疼事,而且在許多應用里加工出的光潔度也很好。這個領域仍然有很多研究在做,而且刀具公司積極參與這樣的研究是絕對必要的。如果他們不做將落后于競爭對手,處于不利的地位。 

根據世界上工廠內具體情況設計出別的也許更好的方案。制造業從業人員可能仍然會問為什么他們要努力使用新發展的技術代替傳統的已經經歷數代人改進提高的冷卻液方法,尤其因為實施干加工或半干加工產生的試驗和失敗可能引起更高的短期刀具成本。簡明的答案是當刀片大約占典型加工零件成本的3%時,冷卻液的成本(從購買到維護、儲存、處理)會占零件成本的15%。 

干加工也許不是對每個應用都適合,但象上面討論的其它加工問題一樣,需要從更寬的操作、環境和商業角度來評價。能幫助客戶這樣做的刀具公司將有競爭優勢,而那些不能提供的將不斷處于被動地位。 

刀具和納米技術 

一個能劇烈改變刀具工業的迷人的新領域是微型制造,或處理微小粒子形成所需的產品。要談及的關于刀具微型制造的第一件事是它這里還沒有；第二件要說的事是它并不遙遠。 

為什么微型制造和刀具相關。因為最主要的是顆粒尺寸越小,硬質合金材料韌性越好且更耐磨。用納米級顆粒(一些專家定義為小于0.2um,而其他人堅持納米顆粒要小于0.1um)制造的硬質合金刀具原型已經做好并測試,據稱耐磨性戲劇性地增加。問題是納米級的硬質合金顆粒不能靠粉碎較大的材料形成,它們一定得通過更小的材料構成,而處理分子級粒子還不是一件容易的經濟的事情。