开发纳米涂层刀具，降低加工成本
时间:2011-05-23 08:41:29 来源:未知
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
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
“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。
#p#分页标题#e#“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
62.5min
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%
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%
#p#分页标题#e#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。