開發納米涂層刀具，降低加工成本
時間:2011-05-23 08:41:29 來源:未知
目前，各工具廠商都在大力開發涂層技術。如果僅僅局限于改進基體材料硬質合金和高速鋼，并不能從原材料方面進一步改善刀具的性能，因此，只有開展優異的涂層材料，才能使刀具性能得到突破性的提高。
掌握涂層工藝的關鍵技術
近10年來，工具行業已廣泛采用TiAlN涂層，但僅僅對已有涂層工藝的改進，已不能滿足當前用戶對刀具性能提出的更高要求。
鑒于此，日立工具公司提出了新的涂層概念，即促使鍍膜晶體組織微細化。經過與歐洲工具廠商的共同研究，開發成功一種全新的涂層爐，該裝置可生成由納米級晶粒組成的鍍膜，由此而出現了“納米涂層”這一新的技術概念。“納米”是1mm的百萬分之一單位。迄今為止，日立工具公司是全世界首家成功開發如此微細化涂層技術的公司。由于晶粒達到納米級微細程度，鍍膜不會出現多孔間隙，這可大大抑制切削加工過程中鍍膜出現氧化現象。不產生氧化，也就不會損傷刀具切削鋒利度，同時，還可保持較長的使用壽命。
納米涂層新型切削工具
目前，采用納米涂層技術開發出來的鍍膜有兩種，一種是以TiSiN為主要成分的“TH涂層”，一種是以CrSiN為主要成分的“CS涂層”。前者主要用于高硬度材料的加工，后者主要用于低硬度及軟質材料的加工，這兩種涂層刀具均已于2002年初投放市場。表1所示為PVD涂層各種鍍膜的性能。
表1 PVD涂層各種鍍膜的性能
| 涂層種類 |
用途 |
特點 |
晶體粒徑 |
鍍膜硬度(HV)
(負重：9.8mN) |
結合強度(劃痕式硬度試驗)
Max:100N |
氧化溫度
(據氧化深度換算) |
摩擦系數(μ) |
TiN
一般鋼的普通切削
不易剝落
500nm
2200
100N
600℃
0.7
TiCN
一般鋼的高速切削
硬度高
300nm
2800
60N
500℃
0.6
TiAlN
高硬度鋼(～55HRC)的切削
硬度高，耐熱性好
100nm
2800
100N
800℃
0.9
TH涂層(TiSiN)
高硬度鋼(50～70HRC)高速刻膜加工
硬度高，抗高溫性好
5nm
3600
100N
1100℃
0.9
CS涂層(CrSiN)
易粘附的軟鋼SUS等的大進給切削
摩擦力小，不與鐵產生粘附
5nm
2600
100N
900℃
0.4
“TH涂層”徹底改變了加工高硬度材料時，TiAlN系鍍膜長期以來未能解決的鍍膜氧化和硬度欠佳問題。TH鍍膜表面有5nm級超細晶粒規則排列，高速加工時，可防止氧氣進入鍍膜內部，因此可有效抑制氧化發生。TH鍍膜氧化起始溫度為1100℃，硬度達3600HV，從而大大超過了TiAlN系鍍膜性能，對各種極難加工的高硬度材料，均可進行穩定的高速刻模加工。
#p#分頁標題#e#“CS涂層”重點在降低摩擦系數，以便抑制在低硬度材料高速加工時切削刃出現的粘附問題。粘附嚴重，勢必損傷加工表面質量，同時也會縮短刀具自身壽命。CS鍍膜是在原用低摩擦系數涂層CrN的基礎上，又添加Si。僅有CrN成分，在加工時氧化嚴重，添加Si并使鍍膜晶粒微細化，從而大幅度降低了摩擦系數。用CrSiN涂層刀具加工鋁及不銹鋼等難加工材料時，效果極為顯著
日立工具公司2002年7月又開發出一種以TiBoN為主要成分的新鍍膜“TB涂層”，此種涂層雖然不是納米涂層，但以B(硼)為主要成分的鍍膜，在世界上尚屬首創。TB鍍膜也是以降低摩擦系數為目的，但與前述CS鍍膜不同，它在高溫條件下仍可保持優異的低摩擦特性，在每齒進給量超過1mm的重型強力切削等加工中，可大幅度抑制因高切削負荷帶來的月牙洼磨損。
加工成本降低50%
日立工具公司有關人士指出，新型鍍膜“并非使工具延長壽命的涂層，而是一種旨在提高工具性能，從而大力縮短加工時間的鍍膜”。
在目前通貨緊縮的情況下，應盡可能不增加用戶的工作量，延長加工時間，采用小批量生產去創造效益，為此，關鍵的措施是必須使加工成本大幅度降低。生產成本中，工具費用僅占5%，電力及人工費用等加工費用占了生產成本的大部分。
日立工具公司將新開發的工具應用在高性能機床上，在最佳的加工時段內進行生產，從而起到實實在在的降低加工成本的效果。該公司近期開展了一個讓加工費用減少一半的“PRODUCTION 50”活動，并利用傳統的加工費用計算公式，舉出具體實例數據，顯示出實際降低加工成本的效果。表2和表3為納米涂層刀具對縮減加工成本的作用。
表2 用TH涂層刀具高速加工拉伸模材料SKD11(60HRC)時加工費用縮減情況
| 刀具尺寸(型號) |
切削速度(轉速) |
進給量(進給速度) |
切深 |
切削方式 |
加工時間 |
加工成本(以本試驗刀具為準) |
原用刀具
直徑8mm×6齒(TiAlN涂層)
23m/min(915r/min)
0.03mm/齒(165mm/min)
Ad8mm×Rd0.4mm
干式，順銑
62.5min
100%
TH涂層刀具
直徑8mm×6齒(EPHT6080)
100m/min(3979r/min)
0.05mm/齒(1194mm/min)
Ad8mm×Rd0.4mm
干式，順銑
8.6min
46%
表3 用CS涂層刀具高速加工塑料模具材料PXZ時加工費用縮減情況
| 刀具尺寸(型號) |
切削速度(轉速) |
進給量(進給速度) |
切深 |
切削方式 |
加工時間 |
加工成本(以本試驗刀具為準) |
原用刀具
直徑10mm×R5(TiAlN涂層)
94m/min(2992r/min)
0.13mn/齒(778mm/min)
Ad0.2mm×P50.45mm
油性切削液
64.3min
100%
CS涂層刀具
直徑10mm×R5(EPBC2100)
298m/min(9500r/min)
0.16mm/齒(2950mm/min)
Ad0.2mm×P50.3mm
油性切削液
16.9min
64%
#p#分頁標題#e#工具行業為了滿足用戶希望降低工具費用的要求，大都著力在如何削減刀具的價格，而“PRODUCTION 50”的最大特點，并不是降低刀具的價格。日立工具公司認為，在不降低刀具價格的前提下，使用該公司的工具產品，仍能獲得良好效益。從流通方面來看，不降低工具價格，可保證經銷商有較高的盈利率，工具生產商也可獲得良好收益。可見“PRODUCTION 50”不僅對用戶有利，對制造商、經銷商也同樣有好處。該公司認為“PRODUCTION 50”是一種“一舉三得”的“多贏”指標。公司對此進行了廣泛的調研活動，結果表明，目前在機械加工行業內對該公司的這種理念尚未全面認同，“多贏”效果的體現也需要時間來證實；當前，仍有不少用戶舍不得在工具方面稍微追加一些費用，對盈利率的理解也尚未完全統一。因此，該公司倡導的“減少加工費用50%”的活動，目前還處于起動階段。
追求高效益
日立工具公司認為，任何一種工具都不能滿足一切用戶的需求，價格低廉的產品是這樣，功能、價格很高的產品也是如此，它們都有自己特定的適用領域。高效益的工具，必然面向追求高效益的用戶。該公司今后擬大力采用納米涂層技術，開發更多高性能的工具制品；迄今尚未采用新型涂層的部分產品，將逐步改用新型涂層，計劃到2004年末，公司工具制品將全部采用新型涂層。納米涂層技術除用于工具制品外，目前正在探討如何有效地將其用于模具及其他零件的表面處理。