开发纳米涂层刀具,降低加工成本
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目前,各工具厂商都在大力开发涂层技术。如果仅仅局限于改进基体材料硬质合金和高速钢,并不能从原材料方面进一步改善刀具的性能,因此,只有开展优异的涂层材料,才能使刀具性能得到突破性的提高。

掌握涂层工艺的关键技术

近10年来,工具行业已广泛采用TiAlN涂层,但仅仅对已有涂层工艺的改进,已不能满足当前用户对刀具性能提出的更高要求。
鉴于此,日立工具公司提出了新的涂层概念,即促使镀膜晶体组织微细化。经过与欧洲工具厂商的共同研究,开发成功一种全新的涂层炉,该装置可生成由纳米级晶粒组成的镀膜,由此而出现了“纳米涂层”这一新的技术概念。“纳米”是1mm的百万分之一单位。迄今为止,日立工具公司是全世界首家成功开发如此微细化涂层技术的公司。由于晶粒达到纳米级微细程度,镀膜不会出现多孔间隙,这可大大抑制切削加工过程中镀膜出现氧化现象。不产生氧化,也就不会损伤刀具切削锋利度,同时,还可保持较长的使用寿命。

纳米涂层新型切削工具

目前,采用纳米涂层技术开发出来的镀膜有两种,一种是以TiSiN为主要成分的“TH涂层”,一种是以CrSiN为主要成分的“CS涂层”。前者主要用于高硬度材料的加工,后者主要用于低硬度及软质材料的加工,这两种涂层刀具均已于2002年初投放市场。表1所示为PVD涂层各种镀膜的性能。
表1 PVD涂层各种镀膜的性能
涂层种类用途特点晶体粒径镀膜硬度(HV)
(负重:9.8mN)
结合强度(划痕式硬度试验)
Max:100N
氧化温度
(据氧化深度换算)
摩擦系数(μ)
TiN一般钢的普通切削不易剥落500nm2200100N600℃0.7
TiCN一般钢的高速切削硬度高300nm280060N500℃0.6
TiAlN高硬度钢(~55HRC)的切削硬度高,耐热性好100nm2800100N800℃0.9
TH涂层(TiSiN)高硬度钢(50~70HRC)高速刻膜加工硬度高,抗高温性好5nm3600100N1100℃0.9
CS涂层(CrSiN)易粘附的软钢SUS等的大进给切削摩擦力小,不与铁产生粘附5nm2600100N900℃0.4
“TH涂层”彻底改变了加工高硬度材料时,TiAlN系镀膜长期以来未能解决的镀膜氧化和硬度欠佳问题。TH镀膜表面有5nm级超细晶粒规则排列,高速加工时,可防止氧气进入镀膜内部,因此可有效抑制氧化发生。TH镀膜氧化起始温度为1100℃,硬度达3600HV,从而大大超过了TiAlN系镀膜性能,对各种极难加工的高硬度材料,均可进行稳定的高速刻模加工。
“CS涂层”重点在降低摩擦系数,以便抑制在低硬度材料高速加工时切削刃出现的粘附问题。粘附严重,势必损伤加工表面质量,同时也会缩短刀具自身寿命。CS镀膜是在原用低摩擦系数涂层CrN的基础上,又添加Si。仅有CrN成分,在加工时氧化严重,添加Si并使镀膜晶粒微细化,从而大幅度降低了摩擦系数。用CrSiN涂层刀具加工铝及不锈钢等难加工材料时,效果极为显著
日立工具公司2002年7月又开发出一种以TiBoN为主要成分的新镀膜“TB涂层”,此种涂层虽然不是纳米涂层,但以B(硼)为主要成分的镀膜,在世界上尚属首创。TB镀膜也是以降低摩擦系数为目的,但与前述CS镀膜不同,它在高温条件下仍可保持优异的低摩擦特性,在每齿进给量超过1mm的重型强力切削等加工中,可大幅度抑制因高切削负荷带来的月牙洼磨损。

加工成本降低50%

日立工具公司有关人士指出,新型镀膜“并非使工具延长寿命的涂层,而是一种旨在提高工具性能,从而大力缩短加工时间的镀膜”。
在目前通货紧缩的情况下,应尽可能不增加用户的工作量,延长加工时间,采用小批量生产去创造效益,为此,关键的措施是必须使加工成本大幅度降低。生产成本中,工具费用仅占5%,电力及人工费用等加工费用占了生产成本的大部分。
日立工具公司将新开发的工具应用在高性能机床上,在最佳的加工时段内进行生产,从而起到实实在在的降低加工成本的效果。该公司近期开展了一个让加工费用减少一半的“PRODUCTION 50”活动,并利用传统的加工费用计算公式,举出具体实例数据,显示出实际降低加工成本的效果。表2和表3为纳米涂层刀具对缩减加工成本的作用。
表2 用TH涂层刀具高速加工拉伸模材料SKD11(60HRC)时加工费用缩减情况
 刀具尺寸(型号)切削速度(转速)进给量(进给速度)切深切削方式加工时间加工成本(以本试验刀具为准)
原用刀具直径8mm×6齿(TiAlN涂层)23m/min(915r/min)0.03mm/齿(165mm/min)Ad8mm×Rd0.4mm干式,顺铣62.5min100%
TH涂层刀具直径8mm×6齿(EPHT6080)100m/min(3979r/min)0.05mm/齿(1194mm/min)Ad8mm×Rd0.4mm干式,顺铣8.6min46%

表3 用CS涂层刀具高速加工塑料模具材料PXZ时加工费用缩减情况
 刀具尺寸(型号)切削速度(转速)进给量(进给速度)切深切削方式加工时间加工成本(以本试验刀具为准)
原用刀具直径10mm×R5(TiAlN涂层)94m/min(2992r/min)0.13mn/齿(778mm/min)Ad0.2mm×P50.45mm油性切削液64.3min100%
CS涂层刀具直径10mm×R5(EPBC2100)298m/min(9500r/min)0.16mm/齿(2950mm/min)Ad0.2mm×P50.3mm油性切削液16.9min64%
工具行业为了满足用户希望降低工具费用的要求,大都着力在如何削减刀具的价格,而“PRODUCTION 50”的最大特点,并不是降低刀具的价格。日立工具公司认为,在不降低刀具价格的前提下,使用该公司的工具产品,仍能获得良好效益。从流通方面来看,不降低工具价格,可保证经销商有较高的盈利率,工具生产商也可获得良好收益。可见“PRODUCTION 50”不仅对用户有利,对制造商、经销商也同样有好处。该公司认为“PRODUCTION 50”是一种“一举三得”的“多赢”指标。公司对此进行了广泛的调研活动,结果表明,目前在机械加工行业内对该公司的这种理念尚未全面认同,“多赢”效果的体现也需要时间来证实;当前,仍有不少用户舍不得在工具方面稍微追加一些费用,对盈利率的理解也尚未完全统一。因此,该公司倡导的“减少加工费用50%”的活动,目前还处于起动阶段。

追求高效益

日立工具公司认为,任何一种工具都不能满足一切用户的需求,价格低廉的产品是这样,功能、价格很高的产品也是如此,它们都有自己特定的适用领域。高效益的工具,必然面向追求高效益的用户。该公司今后拟大力采用纳米涂层技术,开发更多高性能的工具制品;迄今尚未采用新型涂层的部分产品,将逐步改用新型涂层,计划到2004年末,公司工具制品将全部采用新型涂层。纳米涂层技术除用于工具制品外,目前正在探讨如何有效地将其用于模具及其他零件的表面处理。
本文作者:石明(编译)
原载:《工具展望》2004年第4期
上载于:2007-4-15 17:11:38

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