【編者按】挑戰(zhàn)難加工材料的不只是用戶冲雾，還有刀具廠商住建。就拿超硬合金“能削垛撬，還是不能削”來說，其實(shí)逆辐，切削超硬合金的刀具早已存在达快，但由于價格高、加工耗時長唧尊，因此很少用到甸胃。

　　為此，刀具企業(yè)正在努力開發(fā)能夠以更高的效率切削硬質(zhì)材料的工具跪另。在本文中拧抖，筆者將為大家介紹兩家公司的相關(guān)舉措，這兩家公司分別是為了能在短時間內(nèi)完成超硬合金切削加工而開發(fā)低成本刀具的優(yōu)能刀具公司免绿，以及把目光瞄準(zhǔn)廣泛作為模具材料使用的高硬度鋼徙鱼、擴(kuò)充高硬度鋼直雕加工刀具品種的日立刀具公司。

　　提高涂層的粘附強(qiáng)度

　　加工超硬合金時针姿，一般需要組合使用放電加工與研磨拋光袱吆。優(yōu)能刀具公司刀具技術(shù)部立銑刀開發(fā)課主任渡邊英人介紹說：“切削工件的刀具要比工件硬。也就是說距淫，要想切削超硬合金工件绞绒，就必須具備更高的硬度￠畔荆”

　　就這一點(diǎn)而言蓬衡，使用單晶金剛石、CBN（立方氮化硼）等材料的刀具就能加工超硬合金彤枢。但是狰晚，一個單晶金剛石刀具的價格高達(dá)十幾萬日元（15萬日元約合9300元人民幣），而且，使用這種刀具進(jìn)行加工的切削深度只有幾μm乒萝。因此在目前捶益，這種刀具的用途主要是拋光。在這種情況下想预，以超硬合金為母材锌拾，通過在超硬刀具上覆蓋涂層來加工超硬合金的方法成為了一種比較現(xiàn)實(shí)的方法。

　　優(yōu)能刀具在10多年前就推出了利用自主開發(fā)的熱CVD（化學(xué)氣相沉積）法在超硬刀具上覆蓋金剛石涂層的刀具瞪卜。據(jù)渡邊介紹肴摊，“最初的目的是加工石墨電極”。這種刀具的維氏硬度在HV9000左右畴文，也可用于玻璃纖維強(qiáng)化樹脂（GFRP）碉晾、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）的加工。

　　該公司對這種金剛石涂層技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)删猿，為超硬合金加工用途開發(fā)出了“UDC涂層”腊尤。UDC涂層的硬度和韌性比之前的金剛石涂層“DIA涂層”更高。渡邊介紹說口溃，UDC涂層“通過控制涂層的微細(xì)組織揩页，大幅提高了黏附強(qiáng)度和耐磨性”*1。膜厚縮小到了用來切削石墨的DIA涂層的一半左右烹俗。這是因?yàn)椤翱s小膜厚能夠防止內(nèi)部應(yīng)力造成的剝離”爆侣。

　　*1 在優(yōu)能刀具實(shí)施的噴砂測試中，在噴砂介質(zhì)的沖擊下幢妄，UDC涂層的涂層剝離兔仰、磨損的時間延長到了DIA涂層的2.5倍。

　　該公司在2012年推出了加工有UDC涂層的“UDC”系列立銑刀和鉆頭（圖1）蕉鸳。該系列刀具價格低廉乎赴，“價格還不到單晶金剛石刀具的1/6”（該公司立銑刀部國內(nèi)立銑刀課課長小林孝一）。

圖1 優(yōu)能刀具的超硬合金加工刀具覆蓋自主開發(fā)的金剛石涂層“UDC涂層”的刀具潮尝。通過控制金剛石涂層的微細(xì)組織提高硬度和韌性榕吼，增強(qiáng)了耐磨性。

　　切削深度達(dá)到100μm

　　而且勉失，UDC系列還能縮短加工時間羹蚣。這主要是因?yàn)槠淝邢魃疃瓤蛇_(dá)到100μm，這是過去的超硬合金加工方法想都沒想過的乱凿。

　　優(yōu)能刀具介紹說忘当，“大約2年前，我們在一場展會上展出了能夠切削超硬合金的刀具帝璃，但被告知‘這樣的刀具在量產(chǎn)中派不上用場’”圈蛹。如果只能完成切削加工肃刁，使用方式自然也就與單晶金剛石刀具相同。因此奇茫，該公司定下了使加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他刀具的目標(biāo)孙泵。

　　實(shí)際上，使用UDC系列進(jìn)行切削時褐泊，排出的是扇型切屑（圖2）芦槽。而在過去棋少，由于切削深度微小杯娶，排出的所謂“切屑”，只能稱作是“切粉”儡特。通過加大切削深度栅苞，以前需要數(shù)十個小時的放電加工的加工時間可大幅縮短。

圖2 超硬合金切削加工排出的切屑使用覆蓋金剛石涂層的球頭銑刀“UDCB”（球半徑：0.5mm疏唾，刃長：0.7mm）加工超硬合金（洛氏硬度：HRA90）蓄氧。當(dāng)軸向切削深度為100μm（主軸轉(zhuǎn)速為30000rpm，進(jìn)給速度為300mm/分）時槐脏，產(chǎn)生的切屑為扇形喉童，與切削鋼材時相同。

　　小林介紹說顿天，需要切削超硬合金的除了冷鍛和透鏡成形使用的模具之外堂氯，“其實(shí)夾具也比較多”。例如牌废，圖3（a）是加工洛氏硬度為HRA90以上的無粘結(jié)相硬質(zhì)合金的示例咽白。只使用UDC系列的5件刀具，完成25×25mm區(qū)域從粗加工到精加工的全部過程共耗時8小時49分鐘鸟缕。粗加工的切削深度為100μm晶框。

圖3 超硬合金的加工事例（a）加工部位尺寸為25×25mm的無粘結(jié)相硬質(zhì)合金（洛氏硬度：HRA90以上）制成的透鏡陣列。在五軸加工中心上安裝球頭銑刀（R0.5與R1兩種）懂从，5道工序共耗時8小時49分鐘授段。（b）利用長頸球頭銑刀“UDCLB”（R0.5），把超微顆粒物超硬合金（洛氏硬度：HRA92.5）加工成了劍山形狀番甩。加工部位的尺寸為寬6×深6×高5mm策见，針的直徑為尖端0.2mm，根部0.34mm妆浅。使用2件刀具蒜材，加工耗時1小時31分鐘。

　　 切削加工的精度比放電加工更高爵缸，使用UDC系列進(jìn)行切削加工可以縮短研磨工序所需時間抖臭∪垂郑“用戶可以先使用UDC系列刀具進(jìn)行加工，然后再使用單晶金剛石刀具倾伶，使表面達(dá)到更好的品質(zhì)”（小林）殷感。

　　直雕加工高硬度鋼模具

　　雖然硬度不及超硬合金，但通過熱處理（淬火）提高了硬度的高硬度鋼是模具的常用材料感戴，也是一種通常方式難以切削的難切削材料熏迷。

　　日立刀具擴(kuò)充了能夠?qū)Ω哂捕蠕撨M(jìn)行直雕加工的刀具。日立刀具成田工廠開發(fā)中心主任赤松猛史說都癣，“如果能用直雕加工工藝來加工高硬度鋼模具谐歪，僅加工時間就能縮短到1/3”。

　　下面來比較一下傳統(tǒng)工藝與直雕加工工藝（圖4）瓶逃。過去束铭，工廠在制造高硬度鋼模具時，需要切削鋼材進(jìn)行粗加工厢绝，然后通過熱處理提高硬度契沫。在這個階段，鋼材將變成高硬度鋼昔汉，難以再進(jìn)行切削加工懈万。在通過放電加工修正熱處理造成的變形后，再經(jīng)過研磨靶病，模具就制成了会通。

圖4 加工工藝對比過去，經(jīng)過了熱處理（淬火）的高硬度鋼難以實(shí)現(xiàn)切削加工嫡秕，因此是在粗加工之后再進(jìn)行熱處理渴语。實(shí)現(xiàn)高硬度鋼直接加工
后，不僅可以在接單前完成熱處理工序昆咽，而且還可以利用放電加工進(jìn)行高精度加工驾凶，因此能夠縮短研磨工序所需時間。

　　而且鉴梦，熱處理大都交給其他企業(yè)代工氛灸。在接單到交貨的過程中，包含著工廠自身難以控制的環(huán)節(jié)逐茄。為了安全起見剑碌，工廠只能在估算時間時留出余量，這也成了延長交貨期的主要原因张域。

　　如果能對高硬度鋼進(jìn)行直雕加工孟溯，那么，只要事先準(zhǔn)備好經(jīng)過了熱處理的鋼材蚪录，在接單后就可以馬上開始加工準(zhǔn)備呜款。而且耸壮，直雕加工的形狀在準(zhǔn)確度上高于放電加工，因此研磨工序也有望縮短剩症。赤松舉例說：“使用老式工藝制造某種模具的時候笑驶，不算熱處理，所需時間為37個小時胞饭，而采用直雕加工只需要13個小時嫌变，大約縮短了2/3」”

　　涵蓋部分工序還不足夠

　　出于上述原因腾啥，日立刀具一直在大力開發(fā)能夠?qū)Ω哂捕蠕撨M(jìn)行直雕加工的刀具。該公司開發(fā)出的維氏硬度達(dá)到HV3600的硅類涂層“TH涂層”使切削加工高硬度鋼成為了可能*2虑凛。之后碑宴，該公司又不斷改進(jìn)涂層技術(shù)软啼，將其應(yīng)用到了各種各樣的刀具之中（圖5）桑谍。

圖5 日立刀具的高硬度鋼模具加工用刀具群刀具從粗加工到鉆孔、切削螺紋祸挪、半精加工锣披、精加工一應(yīng)俱全，能夠通過直雕加工把經(jīng)過熱處理（淬火）的鋼材制成模具贿条。

　　*2 TH涂層不僅堅(jiān)硬雹仿，而且具有耐1000℃高溫的特點(diǎn)。為了防止急劇的溫度變化造成熱裂紋整以，高硬度鋼的加工大都采用干式加工胧辽，溫度有時會上升到900℃。但為了排出切屑勒蜘，直徑小的刀具和鉆頭要使用冷卻液悄锈。

　　赤松說，重要的是“網(wǎng)羅模具加工所需的所有刀具”炊惊。其實(shí)菌渐，日立刀具銷售高硬度鋼加工用刀具的歷史可以追溯到10年以前。首先上市的是TH涂層立銑刀亮钩，但是暖娃，“考慮到整個模具加工工藝，單有立銑刀還不足以滿足需求”（赤松）巢驶。

　　的確如此力浅，這種立銑刀雖然能夠切削高硬度鋼，讓切削加工取代部分放電加工个滓，但并不能全面取代叭痰。即使能夠完成半精加工和精加工准瘪，其他工序還要采用過去的工序，也就是說桅狠，不能替代的工序還是必須要在熱處理之前完成讼载。如果不能提供支持這些工序的刀具，就不能實(shí)現(xiàn)前面說的那種高硬度鋼模具直雕工藝中跌。

　　只追加涂層達(dá)不到目的

　　具體來說咨堤，這些刀具包括為冷卻管和頂出針鉆孔的鉆頭、加工螺紋槽的絲錐漩符，以及能夠?qū)σ欢ù笮〉哪＞邔?shí)施必不可少的粗加工的刀片可換式刀具一喘。如果湊不齊這些刀具，就不能用直雕工藝制造模具嗜暴。其實(shí)凸克，推出立銑刀不久以后，日立刀具就推出了采用TH涂層的鉆孔用鉆頭闷沥，但在絲錐產(chǎn)品化之前萎战，并沒有受到太大的關(guān)注。

　　這些刀具并不是簡單地在已有的刀具上覆蓋涂層就行舆逃。以使用絲錐加工高硬度鋼為例蚂维，在拔出刀具時，存在絲錐被折斷并留在孔內(nèi)的風(fēng)險路狮。一旦折斷侦广，想要取出難如登天，畢竟刀具的母材也是超硬合金结晒。如果能通過放電加工去除還算萬幸成猴，但在某些情況下，只能返工重做碎准。

　　為此陶份，日立刀具為覆蓋TH涂層的絲錐安裝了逆向刀刃，可防止反轉(zhuǎn)時被切屑卡住造成折斷巴锄。

　　除此之外骨惫，該公司還在2010年開發(fā)出了可以加工超硬合金的螺紋銑刀*3。螺紋銑刀是直徑比孔徑還要小的刀具惕拍，通過自轉(zhuǎn)來切削小孔的內(nèi)表面蜀勃，再借助螺旋式“公轉(zhuǎn)”形成螺紋槽。赤松回憶當(dāng)時說道狼棠，“在使用洛氏硬度HRC60的高硬度鋼演示鉆孔驼鳞、切削螺紋后，很多人都大吃一驚”。

　　*3 還有帶端刃的螺紋銑刀臼婆，能夠同時在鉆孔的同時切削出螺紋抒痒。覆蓋的是ATH涂層。

　　螺紋銑刀就算折斷颁褂，也很容易從孔中取出故响。另外，螺紋銑刀的涂層不是由TH涂層進(jìn)化而來的ATH涂層*4颁独，而是鋁鉻類的“PN涂層”彩届。雖然硬度不及ATH涂層，但提高了潤滑性誓酒。

　　*4 硬度提高到了維氏硬度HV3800樟蠕，耐氧化溫度提高到了1200℃。

　　最后是粗加工使用的刀片可換式刀具（刀柄和刀片）靠柑。其實(shí)寨辩，“這種刀具的開發(fā)難度最大”（赤松）。一體式的立銑刀可以調(diào)整刀具的整體形狀歼冰，但可換式刀具的刀片只是最前端的刀刃部分靡狞，調(diào)整形狀的余地很小。為此饭糊，日立刀具在提高刀柄精度豌泊、改進(jìn)刀片的安裝角度等方面下了一番功夫们灵。例如稳虱，將刀片的前角設(shè)計(jì)為負(fù)角，擴(kuò)大了間隙禀蜒。

　　赤松說道：“據(jù)說模具加工中刀具的成本約占整體的5％畅刑。雖說有些高硬度鋼用刀具的價格高于其他刀具，但借助模具加工工藝效率的提高槐猪，購買這種刀具完全劃算喇躲。”日立刀具認(rèn)為许食，高硬度鋼直雕加工現(xiàn)在還鮮為人知继棉，相應(yīng)刀具的需求今后還將增加。

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