新材料在数控机床刀具中的应用

该文主要探讨了数控机床刀具的特点;新刀具材料在数控机床的应用,特别是超硬材料领域;W、Co 类涂层和细颗粒(超细颗粒)硬质合金材料领域;含Co 类粉末冶金高速钢材料领域的发展。

数控机床自问世以来,博得了广大生产企业用户的青睐。随着科技的发展,新材料在数控机床刀具的应用越来越广泛。

数控机床刀具的特点

数控机床刀具的特点是标准化、系列化、规格化、模块化和通用化。为了达到高效、多能、快换、经济的目的,对数控机床使用的刀具有如下要求:

(1)具有较高的强度、较好的刚度和抗振性能;

(2)高精度、高可靠性和较强的适应性;

(3)能够满足高切削速度和大进给量的要求;

(4)刀具耐磨性及刀具的使用寿命长,刀具材料和切削参数与被加工件材料之间要适宜;

(5)刀片与刀柄要通用化、规格化、系列化、标准化,相对主轴要有较高位置精度,转位、拆装时要求重复定位精度高,安装调整方便。

新材料在数控刀具的发展应用

1.超硬材料领域

金刚石(钎焊聚晶、单晶)各类刀具已迅速应用于高硬度、高强度、难加工有色金(合金)及有色金属- 非金属复合材料零部件的高速、高效、干(湿)式机械切削加工行业中。其概况分述如下:汽车、摩托车行业:聚晶、人造单晶金刚石面铣刀、镗刀、车刀、铰刀、复合(组合)孔加工等数控刀具等正大量应用于高强度、高硬度Si-Al 合金零部件自动生产线上。

竹木地板、家具行业:聚晶、CVD 厚膜沉积金刚石(复合片)立铣刀、三面刃成形铣刀、面铣刀等类刀具正大量应用于高硬度复合竹木地板、家具及门窗等零部件自动生产线上。

航空、航天、汽车及电子信息技术行业:金刚石CVD 薄膜涂层数控刀具(以整体W、Co 类硬质合金刀具为主)多应用于铣削、车削、钻削、铰削及锪削加工高强度铝合金(铸、锻)、纤维- 金属层板、碳纤维热塑性复合材料、镁合金、石墨、陶瓷等零部件,满足高速、高寿命、干式机加工技术要求。各厂商正不断地改进金刚石涂层工艺技术,提高金刚石薄

膜与刀具基体的结合牢度和致密度。精细(超精)机加工技术领域:单晶天然、人造金刚石刀具应用于各种精密仪器透镜、反射镜、计算机磁盘、复印机(录像机)磁鼓等工件的精细(超精、纳米级)车削加工。

单晶金刚石刀具还被应用于眼科角膜手术精细切割和印刷制板精细雕刻等行业。

各厂商正在不断改进金刚石各类刀具的刃磨工艺技术、刃磨精度及刃磨效率。

(1) 表面改性涂层材料主要有: TiN、TiCN、TiAlN、AlTiN、Al2 O3、CrN、ZrC、MoS2、WS2 等,采用计算机控制PVD、PCVD、CVD 涂层工艺技术,将上述涂层材料用于对立铣刀、铰刀、钻头、复合(组合)孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉(推)刀及各种机夹可转位刀片的表面改性涂层处理(基体为高速钢、W、Co 类硬质合金、Ti 基类金属陶瓷),满足高速、高寿命切削加工高强度、高硬度铸铁(钢)、锻钢、不锈钢、钛合金、镍合金、镁合金、铝合金、粉末冶金、竹木等材质工件的生产技术不同要求。

刀具表面改性涂层工艺技术对于大幅度提高数控刀具的切削性能,具有成本低、见效快的特点,该工艺技术可根据各种切削加工技术要求,机动灵活地变换涂层材料,工艺技术较优。各厂商正在不断提高涂层工艺技术、改进涂层材料及开发纳米级多功能涂层材料,旨在不断提高涂层结合牢度、耐磨性、抗冲击韧性等,尽力扩大应用范围。

(2)Ti 基类金属陶瓷(TiCN 系)各种机夹可转位车刀、镗刀、铰刀、铣刀、复合(组合)孔加工数控刀具及整体式立(球头)铣刀、铰刀等数控刀具正在应用于高强度、高硬度铸铁(钢) 合金、锻钢合金、淬火钢合金、耐热合金、粉末冶金零部件自动生产线上,以满足高速、高效、硬质、干(湿)式精细机加工技术要求。

各厂商正采用添加不同的微量元素及烧结工艺技术,研发新型金属陶瓷材料产品,旨在不断提高其抗弯强度、抗冲击韧性、耐磨性。日本的金属陶瓷刀具已经占硬质合金刀具总量的30% —— 40% 。世界上,该类刀具应用面也呈迅速扩大的趋势。

(3)立方氮化硼聚晶复合片铣刀(面铣刀、玉米齿立铣刀、球头立铣刀)、镗刀、车刀、铰刀、复合(组合)孔加工等数控刀具(钎焊、机夹可转位两种结构形式)大量应用于高强度、高硬度铸铁(钢)合金、锻钢合金、淬火钢合金、粉末冶金等零部件自动生产线上,满足高速、高效、硬质、精细机加工技术要求。

(4)Al2O3、Si3N4基类陶瓷(晶须增韧类)各种机夹可转位车刀、铣刀等数控刀具应用于高强度、高硬度、耐磨铸铁(钢)、锻钢、高锰钢、淬火钢、粉末冶金、工程塑料、耐磨复合材料等零部件生产线上,满足高速、高效、硬质、干式机加工技术要求。目前,各厂商通过对Al2 O3、Si3 N4 基类陶瓷材料添加不同微量元素及创新生产工艺技术,研发新型中、细颗粒陶瓷材料和功能梯度(多相)陶瓷材料产品,旨在不断提高其抗弯强度、抗冲击韧性。

2.W、Co 类涂层和细颗粒(超细颗粒) 硬质合金材料领城

W、Co 类细(中)颗粒硬质合金基体材料为适应各种表面改性涂层材料的涂覆工艺技术要求添加各种微量元素,满足于各种机加工工艺技术对可转位刀片切削性能的要求而发展的;

超细颗粒硬质合金基体材料研发和应用分两个方面:在电子、信息技术产业用于加工纤维- 金属复合层板材料工件的微型钻头、立铣刀,其基体材料向着高韧性方向发展,表面涂覆金刚石薄膜,以增加刀具表面硬度和耐磨性;

模具行业、飞机、汽轮机、汽车等制造行业,用于切削加工高强度、高硬度铸铁(钢)、锻钢、铝合金(铸、锻)、粉末冶金材料工件的整体式立(球头)铣刀、专用挤压刀具、铰刀(Φ30mm < 直径>Φ4mm)、钻头、复合(组合)孔加工刀具等数控刀具,其基体材料向着高硬度、高韧性方向发展。一般不涂层,多次重磨使用。

3.含Co 类粉末冶金高速钢材料领城

以改进制粉、热压工艺、添加微量元素创新的粉末冶金高速钢(含Co 类)材料,制成各种成形拉刀(整体式、组合式)、高速滚刀、剃(插)齿刀、丝锥、波纹刃立铣刀、成形立铣刀及滚(挤、碾压)压刀具,大量应用于轿车、摩托车、航空发动机、汽轮机等制造行业,加工高强度、高硬度铸铁(钢)合金、合金结构钢(锻)、耐热合金钢、不锈钢、整体铝合金(热锻)、高Si-Al 合金材料工件。

根据切削加工技术不同的要求,其表面分别配涂TiN、TiCN、TiAlN、CrN、MoS2、ZrC 等涂层材料,满足高速、高效、硬质精密机加工技术要求。