从第13届国际模具展看切削刀具的发展趋势
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第13届中国国际模具展览会琳琅满目的刀具展品,不仅向我国模具制造业用户展示了最新开发的模具加工用刀具产品,而且还反映出当前切削技术和刀具发展的新趋势。
第13届中国国际模具展览会于2010年5月11日至15日在上海新国际博览中心举行,吸引了来自国内外的50余家切削刀具制造商参展,琳琅满目的刀具展品,不仅向我国模具制造业用户展示了最新开发的模具加工用刀具产品,而且还反映出当前切削技术和刀具发展的新趋势。

图1 山特维克可乐满展出的模具铣刀

图2 CoroMill 345面铣刀

图3 株洲钻石的重力切削面铣刀FMD03

图4 VARGUS公司具有6个刀尖的双面螺纹刀片

大切深、大进给的高效铣刀

铣刀是模具加工的主要刀具,其加工量约占模具切削加工总量的80%-90%,从而成为模具加工刀具的开发重点。在本届展会上,很多刀具企业都展出了用于模具加工的成套铣削刀具,并将加工后的模具与刀具放在一起同时展示,吸引了众多参观者。例如,山特维克可乐满展出了CoroMill系列铣刀“家族”的众多成员,其中不少是用于模具加工的铣刀(图1)。
由于铣刀是切削加工中金属切除量最大的刀具,因此,提高铣削加工效率已成为铣刀创新的方向之一。山特维克可乐满参展的CoroMill 345是一把带修光刃刀片的45°主偏角面铣刀(图2),与带平行刃刀片的标准面铣刀相比,可使工作台进给速度提高3倍,并获得更好的表面光洁度。传统的配备修光刃刀片的铣刀通常都是精铣刀,切深量较小,而CoroMill 345铣刀的最大切深可达6mm。在本届展会上,特固克公司也介绍了一款类似的铣刀。可以预言,它们展出的新产品树立了大切深、大进给铣刀的新标杆,将会引起行业的共鸣和跟进,对于提高量大面广的平面铣削的质量和效率具有重大意义。

铣刀新结构的推广

在本届展会上,可以看到,近年来开发的一些铣刀新结构已应用于更多铣刀产品上,一些刀具制造商成系列地推出了采用新结构的铣刀产品。例如,可斜坡走刀的铣刀,最早是为加工模具型腔或内封闭槽而开发的,它具有铣平面、铣型腔、铣孔等多种功能,非常适合模具加工工序集中的特点,可以减少换刀时间。在这次展会上,可斜坡走刀的铣刀结构特征已被应用于平面铣刀、立铣刀、方肩铣刀、圆弧角铣刀等不同的铣刀品种上,使大多数铣刀品种具有了多功能的优点,不仅为模具加工,而且为范围广泛的常规铣削加工带来更大的效益。
类似情况还出现在小切深、大进给铣刀上,株洲钻石切削刀具有限公司、Tungaloy公司等都开发了这种铣刀的系列产品,以充分利用其大进给的优点,提高铣削效率。Tungaloy公司甚至还将这一概念应用于车削刀具,推出了Turning X超大进给车刀,可使加工效率提高8倍。株洲钻石切削刀具有限公司还展出了新开发的FMD03、FMD04、FMP03系列立装刀片重力切削面铣刀,所配的LNKT系列刀片有正的刃倾角和前角,在加工中切削轻快,机床功率消耗少,切深可达17mm,加工效率很高(图3)。

提高刀具的经济性

为了帮助刀具用户克服金融危机带来的困难,从刀具的结构设计入手,提高刀具的经济性成为当前铣刀新产品开发的特点之一。一种普遍采用的做法是,将可转位刀片设计为双面可用,使切削刃增加一倍。同时,还可以通过增加多边形刀片的边数来提高其经济性。在本次展会上,配备六边形、七边形或八边形双面刀片的面铣刀已成为各参展公司宣传产品经济性的一个卖点,如Dijet公司配备七边形刀片的面铣刀,以及三菱公司配备八边形CBN刀片的面铣刀。此外,VARGUS公司推出的螺纹刀片把通常的3个刀尖增加到6个,而且是双面刀片,使刀片成本降低了一倍以上(图4)。
各公司展出的模块式可换头立铣刀不仅可缩短换刀时间,而且可以减少刀杆数量,降低刀具成本。日研公司展出的一种减振刀具接杆采用特殊合金制造,以替代常用的硬质合金材料,降低了刀具接杆的成本。

图5 日立公司刀齿不等距错位的高效模具铣刀

图6 OSG公司加工复合材料的特殊的槽形立铣刀

快速发展的整体硬质合金铣刀

整体硬质合金立铣刀也是模具加工的主流刀具。从本届展会中,可以看出其主要发展趋势为:

(1)开发各种消振铣刀

在本届展会上,日立公司推出的EPOCH MIRUS系列高效模具铣刀通过优化设计新的苞米齿形,以及采用相邻刀刃刀齿不等距错位的结构(图5),降低了切削力和振动,提高了加工效率。

(2)开发加工淬硬模具钢的铣刀

此类铣刀可加工的材料硬度范围从HRC45-HRC67,甚至可高达HRC70。例如,优能公司参展的涂层硬质合金立铣刀(采用HARDMAX涂层)适合硬度HRC45-HRC65模具钢的高速加工。

(3)开发加工难加工材料的铣刀

随着航空航天工业和能源设备制造业的发展,超级合金(包括高温合金、钛合金等)的用量迅速增加,对加工效率和刀具寿命提出了更高要求,也推动了刀具供应商的新产品研发工作。例如,三菱公司推出的CoolStar系列整体硬质合金立铣刀,特殊设计的排屑槽形状改善了排屑效果,并在每条排屑槽内设置了多个内冷却孔,提高了冷却效果,加上采用了耐磨性好的高韧性基体材料,可实现对超级合金材料的高效加工,并延长了刀具寿命。OSG公司展出了为航空工业加工复合材料而研发的立铣刀,该铣刀具有特殊的槽形,在加工多层复合材料板材时,可避免产生分层和形成毛剌(图6)。

(4)开发加工石墨和铝合金的铣刀

此类刀具采用了金刚石或类金刚石涂层,可为高效加工石墨电极及铝合金提供有力的技术支持。例如,OSK公司展出的铝合金粗加工铣刀的前刀面带有斜向分屑槽,可使切削更轻快,并防止切屑粘结,使刀具寿命更长。

刀具应用指南作用大

值得一提的是,在本届展会上,山特维克可乐满公司向参观者散发了两本“铣削应用指南”小册子,内容包括铣刀的选择、铣削参数的设定、正确的走刀路径和实施方案等。随着数控机床的应用日益普及,传统的铣削加工方法已不能满足数控铣削的要求,极大地制约了数控机床性能的充分发挥。这种全面、系统介绍现代铣削新技术和实际应用知识的小册子对于促进现代铣削加工技术的进步和普及应用,提高铣削加工的技术效益和社会经济效益具有重要价值,一定会产生深远的影响。在展会上同时展出的技术指南手册包括车削、铣削、钻削、镗削和刀柄等内容,全面介绍了现代刀具的应用新技术。这些技术资料对于广大刀具用户的价值远远超过一件新的刀具展品,成为了本届展会的一个亮点,应引起刀具用户的关注。

层出不穷的刀片材质新牌号

当前,刀片材质牌号开发的特点是根据刀片的加工对象和应用范围,有针对性地集成刀片基体、涂层和几何形状的优势,开发出专用型或通用型的刀片牌号。这两种类型的牌号都可以在本次展会上看到。山特维克可乐满在展会上介绍了两种加工钛合金的铣削牌号S30T和S40T。钛合金属于难加工材料,针对加工钛合金而开发的这两种牌号,使用时可获得更高的加工效率和更长的刀具寿命。该公司还推出了螺纹刀片新牌号GC 1135,该刀片为细晶粒硬质合金基体加PVD TiAlN涂层,具有锋利的槽形,尤其适合不锈钢和耐热合金的螺纹加工。
株洲钻石切削刀具股份有限公司推出的加工钢管用YBM253(M20-M30)CVD涂层新牌号,采用了高韧性的梯度硬质合金基体和超细氧化铝涂层,表面经抛光处理,使刀片具有良好的耐磨性和抗冲击韧性。此外,该公司还开发了适用于钢和不锈钢粗铣加工的YBM351牌号、适用于钢、不锈钢、铸铁粗铣加工的通用牌号YBG302,以及为QC系列浅切槽刀开发的YBG205和YBG202牌号。
Tungaloy公司展出的PREMIUMTEC系列刀片牌号包括T5100、T9100、AH725和AH905,分别用于加工铸铁、钢件、不锈钢和高温耐热合金,前两款采用CVD涂层,后两款采用PVD涂层。特固克公司则专为整体硬质合金立铣刀开发了TT9020、TT9030、TT1040和TT6050多种刀片牌号,分别适用于不同的加工材料和切削条件,其中,TT6050牌号采用金刚石涂层,用于加工石墨。

CBN时代在招手?

在本届展会上,不少公司都展出了CBN刀具系列产品,CBN超硬刀具表现出应用范围进一步扩大的趋势。OSG公司甚至声称,如今,切削刀具已经逐渐从硬质合金时代步入了CBN时代。该公司展出了CBN立铣刀系列,扩大了品种和规格,包括4种球头立铣刀和3种平头立铣刀。Tungaloy公司则开发了CBN车刀系列,通过调节CBN的含量、粒度和涂层处理,针对不同的使用条件开发了众多牌号,其应用领域覆盖了淬火钢、普通铸铁和球墨铸铁、烧结金属、钛合金和喷镀材料等加工场合。

图7 HORN公司加工汽车万向节内球道用CBN铣刀

图8 用激光加工超硬刀片的三维槽形

图9 ZOLLER公司既可测量刀具又可测量电极的smile EDM调刀仪
CBN的扩大应用将给切削加工和制造业带来深远的影响,不仅可以提高加工效率,而且将推动硬切削、干切削、以车代磨、以铣代磨等新工艺的普及应有。HORN公司介绍了该公司开发的加工汽车等速万向节内球道用CBN铣刀,用CBN硬铣工艺代替磨削工艺,每班可加工600-800件球笼,刀具寿命可达2-3个班,并显着降低了加工成本(图7)。又如三菱公司的CBN八角形刀片面铣刀,用于铸铁的高速高效加工,刀具寿命长,经济性好。
为了加工CBN、PCD和CVD厚膜PCD刀片,DMG机床公司开发了可加工此类超硬刀片的3D激光加工机床LASERTEC 40。该机床可对这些刀片进行三维槽型加工(图8),从而提高超硬刀具的性能,促进超硬刀具材料的推广应用。

涂层亮点也不少

在刀具涂层技术方面,与历届模具展相仿,展品中既有新的刀具涂层,也有用于模具的涂层。赛利涂层技术有限公司推出了二硼化钛钠米涂层Aluspeed,该涂层表面光滑、刃口锋利,显微硬度达HV4000,最高使用温度为900℃,非常适合加工铝、铜、钛合金以及含硅量在10%以下的硅铝合金。该公司还推出了超级氮化物涂层HSN2,可用于硬切削和干切削刀具,可加工硬度HRC50-70的钢材。
欧瑞康巴尔查斯公司推出了BALINIT ALCRONA PRO涂层新牌号,这是该公司AlCrN涂层的升级版,其耐磨性、热稳定性和红硬性进一步提高,从而可以提高切削速度和进给量。该公司还推出了用于模具的低温涂层BALINIT ARCTIC,这项涂层技术可在200℃低温下涂覆TiN、CrN、TiAlN等涂层,从而提高模具的使用寿命,减少润滑油消耗,降低生产成本。
星弧涂层科技有限公司推出的ta-C是一种无氢DLC(类金刚石碳)涂层,由于没有使用传统的碳氢气体作为原料,而采用了石墨作为靶材,因此结构更稳定,涂层的硬度更高(HV 6000),摩擦系数更低(0.06),可用于加工石墨或有色金属的刀具上,也可用于模具的涂覆。
除了上述专业涂层公司开发的新涂层以外,一些刀具公司也结合自己的刀具产品开发了新涂层,如日立公司开发的PN涂层,是在AlCr涂层中添加Si生成的,涂层与基体的结合强度更高,涂层的结晶更细更耐磨,表面更光洁。又如,三菱公司为铜电极加工系列铣刀开发的CrN涂层硬度高,结合力强,具有良好的耐磨性和润滑性,可显着提高刀具切削性能。

同步发展的刀具配套技术

本届展会上还展示了刀柄与刀具装夹等各种配套技术。如山特维克可乐满展出的带CAPTO接口的7∶24 BIG PLUS锥柄,可扩大CAPTO刀具(柄)的应用。该公司还展出了一种重载加工用的液压夹头,夹紧更可靠,提高了圆柱柄铣刀的切削能力。又如,日研公司展出的超级减振可换式铣刀刀柄,在刀具与刀柄的连接端面上配有消振的碟形弹簧,可使刀具寿命提高50%以上,并减少了机床传动系统零件的磨损。NT公司展出了长度可调的刚性攻丝用丝锥刀柄,可方便地调节夹头长度。
ZOLLER公司推出了既可测量刀具又可测量电极的调刀仪smile EDM,一机两用的功能很适合模具生产企业(图9)。无独有偶,HAIMER公司推出的新型刀具动平衡仪TD2010 Automatic也可以一机两用,既测量不平衡量,又具备去重功能,由平衡仪测得的去重量可由一个切削单元自动去除。

差距与希望

这次参展的株洲钻石切削刀具股份有限公司全面展示了它们在刀具材料、涂层、槽型、结构上的开发实力,完备的刀具品种系列和面向行业、面向用户的开发理念,显示出世界先进工具企业的特征,给人留下了深刻印象。作为我国工具行业的领头羊,其水平代表了我国工具技术当前的最高水平,其发展的势头让人看到了未来我国工具工业的希望。参展的厦门金鹭特种合金有限公司展示了新开发的可转位刀片,在其发展道路上迈出了重要的一步,正在崛起成为我国新的硬质合金刀具开发生产基地。新参展的中硬金属切削(大连)有限公司,展出了新开发的硬质合金车刀片系列,可提供加工各种材料的牌号和槽型,显示出一定的发展潜力。
但是,与参展的国外工具公司的水平相比,国内工具企业的综合实力仍然存在较大差距,株洲钻石也只能排在第二方阵的中间,而且仅此一家。面对“建设制造强国”的宏伟目标,我国的制造业,尤其是模具工业、汽车工业、航空航天工业、能源工业等对先进刀具有着十分迫切的需求。据中国模具工业协会秘书长武兵书在展前接受《机电商报》记者采访时称,我国模具制造业使用的进口刀具占到90%以上,用于五面加工、复杂运动的高精度刀具仍以海外产品为主。对比国内外的刀具展品,同样反映出我国刀具与切削技术与国外先进水平尚有很大差距。除了创新能力弱以外,像株洲钻石这样能挑大梁的综合性硬质合金刀具企业太少,同时也缺少有自己产品特色的专业化“小巨人”企业。制造业期待着我国工具工业的振兴,盼望能有更多具有世界先进水平的综合性、专业性工具企业开发出更多、更先进的刀具和切削技术。
本文作者:成都工具研究所 赵炳桢
原载:《工具展望》2010年第4期
上载于:2013-7-30 16:53:28

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