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开发纳米涂层刀具,降低加工成本

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发表于 2010-9-12 11:09:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。 ( t$ W8 e( e$ I9 q2 o

掌握涂层工艺的关键技术

: f- _& L. b+ `1 X0 R
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。 5 b1 V1 t0 ?7 {3 y1 ?; F5 U
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。 0 u, v% w* G/ c3 W& N# u5 o

纳米涂层新型切削工具

/ T( ]$ z: j+ [7 b! N0 g! |
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。
' V5 G& c! Z5 C( e2 s) y& y8 V/ Q( P# ?; Y" v$ S) W- T- F: f' r" B. {' f7 z9 e1 k) J$ Y; q1 h& }0 ~ P& B. o- f8 c# q! ~7 N! t) s# y: ^- U& J0 ~ J1 D, Z4 T' L8 S o M; Q& m6 V" D3 Y7 O% u" o+ u( S# o, M' b# m: @) f; l0 r! e6 ?4 E8 r* n3 M% g: I r' T* o' w. O; K8 ^' s& M( d. T3 f9 u: [' W) `9 _7 x. P. R, ]" Q x# y, Z; h C% f! W7 L: G0 X4 I9 a% w: m2 ?6 E& I- x: c/ ^; `5 p/ o; q$ X/ T5 m/ U7 \5 L3 I- v8 O3 Q# [" x- e+ u. `$ j; p* H0 Z1 \+ I$ }+ ]: y: d! Q4 b1 @0 g% {+ _$ {" E0 h/ G0 R+ S0 L+ h q0 w- U) l" ? ]4 ?0 Z. t8 c/ P1 c. O" J: \) F4 x& r& Y5 q; Z' ^- r4 [% s g0 l" g" m& G0 H) z1 ?7 _+ X" h* n% C _, r- l! X5 H s0 }2 ?8 E4 ?7 R8 G6 o( e# }# x \9 R6 k4 A+ Q# l! U4 Q4 N' w' l6 p" R* P7 C" C5 H3 D- S" E7 \2 r. I0 ^) b+ C% C" J0 T" P5 [4 p% X) X6 z' w5 f7 s$ K b$ \/ N6 a8 \; {- X9 ]+ M+ L5 U/ X1 C' B, f- D0 D7 z7 b; ^: @- s8 P: o; k J. E' p) L8 f, l+ W6 g3 C# l c7 o# u& n% ?9 w# |$ p n5 {: a# S; i6 M4 d% J5 l2 X1 c5 f0 D4 U% p1 ^4 Y1 @, Y; h% t! l o2 S# }0 n, Y; ^- X, b1 B B: W2 x8 C: e1 {! Y/ l( K! w6 n! c/ u I9 K2 K4 K3 v, _, V/ `3 k, n2 u2 y" v' @2 `" ]% ?3 s# }7 _0 l1 s4 j2 |. o% V2 ^, C+ }! U( t; w& L6 t7 ^9 h+ }' p4 d& ]4 j2 J# @2 t5 Q& c7 B; j f! J3 b' S7 ~8 N0 f: Y4 [: f5 p3 p6 e1 ~, O* a4 [/ y- L5 `) t! p% K( s9 y7 q) g5 W2 t# X, g, ^" R3 @( ` {6 t/ a; G: t6 i1 T g, h0 `% S* b. ~) R7 R4 U6 d4 \1 o7 L( j/ z/ N/ O
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 500nm 2200 100N 600℃ 0.7
TiCN 一般钢的高速切削 硬度高 300nm 2800 60N 500℃ 0.6
TiAlN 高硬度钢(~55HRC)的切削 硬度高,耐热性好 100nm 2800 100N 800℃ 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 5nm 3600 100N 1100℃ 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 5nm 2600 100N 900℃ 0.4
' C* m! m- y, w8 c
“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。 : f, H- Q9 ^1 t. w/ r
“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 : p$ j% F. o6 ` G$ W) G2 G7 I
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。 6 p, D+ ~. p" T1 l* H/ u

加工成本降低50%

) w( G1 p; `+ n( D0 @: v X
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”。 1 \: P, U, ]6 Y0 P2 W
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。 + |$ S8 V6 q9 w# \5 x9 n
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。
( z4 T4 V- D2 q# X" G. G8 }+ e6 u4 e4 R0 T( q k$ |3 S* {' V( s8 u$ V. Z `* `& p2 p9 c$ I" {6 t7 f3 B% W5 t# k! Z3 B3 P( d3 J& x& j+ {3 ]- ^5 }: x' P% k9 i& o3 E: m, R3 I! E' U7 D( x; }7 z) p# J/ @+ P7 u: {6 h% H- e, A1 I( `! S s m5 j, N3 w2 D! d! X. E2 T2 N+ g/ V5 e% k. \; }9 x& H; ^( F. ~+ T3 V4 a H7 G0 }8 u8 r, L' w" `& w0 j& M3 d B1 o9 U3 g, i3 {8 _, Z- L. W9 i- A( g$ `8 T7 H% f- M5 K$ Z, {. z' y# K, X, E- z) z/ C8 F* k% h/ ^& d8 k; H: D/ v3 b: {6 m! G; \- ]4 J4 U4 J" A5 {1 f, ^! ]+ V- ]' U. @. V) O# ]1 D4 {3 N" M. v* V; f, ?; `1 C' R4 s) X/ C* N) ?1 G! Z0 A2 A+ J& h0 o" V% q% m) C( X* L0 a: S* X; o: E3 u" I% G! }- f& i4 T& ~1 X7 I" q7 y, P: x2 `$ U, p, c3 F: {0 N8 N# w0 Y& _8 N1 \& Q7 W( o4 Q, {
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 62.5min 100%
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 8.6min 46%

6 Z; n- o8 |* I7 i$ z5 n( l8 O% D' ]1 B# K! R, }& _$ v7 ]3 ~2 D( D# F1 w0 l5 o8 H0 ^- W: A9 K$ Q$ v8 D4 g# w& b m3 r" U/ F c3 e( X7 ^- ?/ N( G9 M- l! s( g; h( J' d3 y' e# |$ T Z7 {0 o6 p, c2 y& k" a+ ?; m2 t. p7 g$ X$ B) N. K# v3 a" w6 Q: z; r0 ^. {. E9 T# k7 W' U( f5 U% y- R9 t- g: u. P; ]! ]2 k7 \& K& Q5 U: F, E+ w: [0 m6 {: I; j( a* `9 ~8 X# _9 l$ B) h& G7 I' U: W: J2 H* U2 T( k+ ]; o! T; a* a; ^) B3 E" E- W: l# o8 Q n+ ?" e6 |) @7 k4 A+ i; r( X/ M N0 q+ Y+ h/ |% [+ e! q$ v" i! [; {5 C0 e& c" r \0 s" ?* S; a0 u G2 |! U: l3 l, f+ O% \$ [8 B; S6 h( w" A% j) Q, f: Z g6 Q( h6 a8 P0 Z/ R8 K, g' h+ C. B, I, [( z1 H/ w1 L$ \3 d5 t; O6 R; P1 d+ ^: p: F+ E: G6 {
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 64.3min 100%
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 16.9min 64%
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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。 9 D' ]2 w" }0 b* l2 i( s: B& {

追求高效益

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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。
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