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硬质合金刀片:制造领域的跨越式发展

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2018年11月07日浏览:181

  硬质合金是一种硬度非常高的材料,在主要用于金属切削加工的切削刀具中得到了广泛的应用。在机械加工业,所提及的合金或钨钢通常指的就是此类硬质合金材料。采用硬质合金刀具可收获诸多优点。相比于高速钢刀具,在绝大多数案例中,使用硬质合金刀具加工工件不仅可收获更佳的被加工表面质量,还可获得更高的加工速度;硬质合金刀具能承受更高的切削热,这也是其能实现更高金属去除率的主要原因。当加工高合金钢或不锈钢这类不易加工的被加工材料时,或在大批量生产以及产能扩充的场合,诸如此类高速钢刀具容易快速磨损的情况下,硬质合金刀具的采用通常能使得切削表现更佳。

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  硬质合金刀片的缘起

  硬质合金刀具工业化应用于金属切削始于二十世纪三十年代。从那以后,硬质合金就演变成了迄今为止最为常见的刀具材料。尺寸相对小的刀具往往由整体硬质合金制成;非整体硬质合金刀具仅在切削区域采用硬质合金。早期的非整体硬质合金刀具往往将硬质合金焊接至刀体上。到二十世纪四十年代,硬质合金刀具制造商们就已开始生产夹持可换式机夹刀片的刀具,并因此受益。相比于早前的焊接式刀具,这一脑洞大开的技术创新及对机械式夹紧结构的采用使得刀具强度更高;现在已被公认为里程碑式的发明,不止于工具制造业领域,还包括为整个金属加工业带来先进而高效的加工。

  这一长足的进步为加工制造领域开启了广阔的提升空间,并立即提高了刀具的承载能力,使得刀具拥有快速去除金属的能力。除却为刀片因磨损失效或破损失效时更换刀片变得更简便而经济带来成本降低做出保障外,还使得能分别制造切削模块及刀体。刀片的更换往往需要考虑其形状,快速更换失效的切削刃有几种方式,除了沿刀片中心轴线转位外,也有反转刀片正反面的情况。如今最被业界认可的广泛传播的“可转位刀片”这一称谓,曾经也被称作:可弃式刀尖、可更换式刀片、可替换式刀片。

  硬质合金刀片的生产

  可转位刀片的生产技术基于粉末冶金技术,生产流程如下:硬质合金混合料制备;压制;烧结;烧结后处理工序;涂层。尽管数十年来以上基本工序保持不变,但与此同时来自科学技术的进步却对刀片的生产制造产生了显著的影响。

  在过去,刀片压坯往往由人工进行压制。因此,要对具有不同压制密度的混合料压坯统一进行烧结变得非常困难甚至难以操作。随着越来越多具有前沿的自动化及计算机控制的先进工业设备走进硬质合金制造企业,硬质合金生产过程的技术控制越来越稳定、可控及可靠。其结果就是所生产刀片的机械加工性能变得越来越一致、加工结果具有可预见性且不因刀片批号不同导致加工结果不同;新技术还使得烧结刀片的尺寸公差带更窄,精度更高,硬质合金刀片性能得到极大提升。

  现如今,一台典型的刀片压机往往是由计算机控制的高度集结了工程学的设备。某些压机的设计还可进行多轴向压制。来自压制技术的非凡进步使得生产具有复杂形状的刀片成为可能,比如刀尖高度差异非常大的刀片(图1)。先进的压制技术确保能收获更优化的刀片形状,不仅能保证刀片表面的光滑与刀片生产过程的稳定,还提高了刀片表面的精度等级(图2)。此外,现代计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)的应用也为刀片的生产制造带来了益处,使得提高刀片设计水平及获得更佳的压制模具部件形状及精度成为可能。并且具有以最终烧结产品为导向来模拟压制生产过程的能力,在设计的初始阶段,就能从设计的角度对压制烧结结果予以修正以促使成功研制出新刀片。

  对刀片烧结先进技术的掌控也有助于在生产过程中提高刀片的品质。在烧结过程进行工艺控制以获取非均匀结构的梯度硬质合金基体,确保合金表面带有薄层的富钴层。带有梯度层的硬质合金基体能阻断表面裂纹的发展,保障了硬质合金基体具有更佳的抗脆裂性及抗破损性。当今,梯度硬质合金基体往往应用于进行车削加工的刀具中。

  涂层技术的发展

  直到二十世纪八十年代尚未出现涂层的硬质合金牌号。那时,为使得硬质合金能通用于不同工程材料的加工,刀具制造商们通过添加不同的添加剂(如硬质相或金属添加剂)来制取不同硬质合金牌号。涂层技术的采用极大地促进了全球机械加工业的发展;现今绝大多数硬质合金牌号都是涂层的。这一新技术还带来额外好处,使得某些牌号可专用于某类特定的被加工材料的加工。不需要往硬质合金基体添加品类繁多的添加剂;这减少了硬质合金基体牌号,生产过程控制更稳定。

  涂层技术主要沿两个基本方向持续发展:化学气相沉积涂层(CVD)及物理气相沉积涂层(PVD)。CVD涂层的重大发展来自于对氧化铝陶瓷涂层的引入。氧化铝陶瓷涂层在高温下具有出色的隔热性能、耐磨性及化学稳定性,这使得刀具能以更高的切削速度加工。

  PVD涂层于二十世纪八十年代末期被引入到硬质合金生产中。PVD涂层因在纳米级涂层领域克服了生产制造中的诸多难题实现了突破性的发展。PVD涂层因此能提供全新等级的耐磨性更高的纳米涂层。相比于常规PVD涂层方式,(图3)所示的涂层由最大值为50 nm(纳米)的涂层复合而成,已被证明大大提高了涂层的结合强度。

  结语

  硬质合金刀片生产技术的不断进步来自于多个领域的发展。更前沿的压制技术、烧结技术、涂层技术及涂层后处理技术,更多样的表面处理方式,能对刀片切削刃进行更优化的处理共同使得生产制造的可转位刀片能为现代化金属加工业提供更适合的满足其高效加工需求的解决方案。


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