21世纪加工概念

現今的刀具公司再也不能只製造和賣刀具。為了成功他們必定同全球化製造趨勢保持一致，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後NAFTA、後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，他們製造的產品和零件包含能在高速下運轉，由於成本的壓力最好更輕而且要製造更便宜。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，並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他汽車、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。並且事實上材質包含極硬的TiC(碳化鈦)或TiCN（碳氮化鈦）的厚塗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塗層傾向於和鐵發生化學反應並軟化，更多的壓力作用在抗月牙窪磨損的塗層上。在這些條件下，希望有一種化學穩定性更好的塗層，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於被加工球墨鑄鐵的晶粒結構和性能。但是通常厚塗層的TiC或TiCN和僅有氧化物的較薄塗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。對於速度高於每分鐘300米的應用，人們對這種材料是滿意的。



為了使這個範圍性能最優，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，對於加工球墨鑄鐵很理想。它的塗層由一層較厚的很耐磨的碳氮化鈦和一層較薄的抗月牙窪磨損的氧化物塗層，頂面是一薄層TiN。這種塗層運用目前工藝水準的產生耐磨性和抗月牙窪磨損需要的CVD塗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/塗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。



塗層陶瓷也表現出能有效加工球墨鑄鐵。在過去，未塗層的韌性較好的諸如氮化矽和碳化矽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塗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塗層晶須強化陶瓷，今天的多數研究活動集中于TiN塗層氮化矽。這種塗層能顯著拓寬韌性較好的陶瓷的應用範圍。



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製造使用總金屬量的10~25%。對於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，那將提高燃燒效率並降低運營成本。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，這些合金裏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）塗層也被證明有效加工高溫合金。TiN（氮化鈦）PVD塗層是最早使用的並仍然是最受歡迎的。最近，TiAlN（氮鋁化鈦）和TiCN（碳氮化鈦）塗層也能很好使用。過去TiAlN塗層應用範圍和TiN相比限制更多。但是當切削速度提高後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於塗層的表面工況TiAlN會導致積屑瘤、隨後的微崩和溝槽磨損。



近來，用於高溫合金應用的材質已經發展了，這些塗層由幾層組合而成。大量的實驗室和現場測試已經論證了這種組合和其他任何一種單一塗層相比在很寬範圍的應用時很有效。因此針對高溫合金應用的PVD複合塗層可能成為硬質合金新材質研發持續的焦點。和MTCVD塗層、塗層陶瓷集合在一起，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衝擊力量。



乾切削



包括冷卻液在內的問題是刀具製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製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裏完全免除冷卻液的使用。這種幹加工的新世界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、塗層化學成分和其他參數的很充實的綜合性很強的有用的技術文章。在這裏我想集中論述在操作和商業含義上的汽車製造商的新‘幹幹加工觀點’。



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）之外的幹加工問題。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。



採用乾切削工藝的零件的結果是機床比採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，是否零件充分冷卻並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幹加工能行。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裏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，而且在許多應用裏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。如果他們不做將落後于競爭對手，處於不利的地位。



根據世界上工廠內具體情況設計出別的也許更好的方案。製造業從業人員可能仍然會問為什麼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，尤其因為實施幹加工或半幹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%。


乾加工也許不是對每個應用都適合，但像上面討論的其他加工問題一樣，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於被動地位。



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製造，或處理微小粒子形成所需的產品。要談及的關於刀具微型製造的第一件事是它這裏還沒有；第二件要說的事是它並不遙遠。



為什麼微型製造和刀具相關。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（一些專家定義為小於0.2um，而其他人堅持納米顆粒要小於0.1um）製造的硬質合金刀具原型已經做好並測試,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。