不銹鋼加工涂層刀具的選用策略*

楊 晨，蕭偉鋒，尤睿驊，張啟明，王樹林

(1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.上海工具廠有限公司，上海 200092)

0 引言

不銹鋼作為比較典型的難加工材料，在航空航天、機械制造、石油、化工及人們的日常生活中得到了廣泛地應(yīng)用。但是，不銹鋼的切削加工性比較差，具有加工時硬化嚴重、切削溫度比較高、切屑易粘結(jié)等缺陷。由于不銹鋼的以上特性，通常在加工不銹鋼的過程中，所采用的刀具為TiAlN 或者AlCrN 涂層刀具。TiAlN 涂層作為一種非常成功的涂層材料，具有高硬度、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性，適合不銹鋼、鎳合金等眾多難加工材料的切削加工［1］。由于Cr 元素比Ti元素具有更高的熔點，涂層公司開發(fā)出了以Cr 代替Ti 的AlCrN 涂層，與TiAlN 涂層相比，耐高溫氧化溫度能明顯提高、摩擦系數(shù)更小、排屑能力更強，但硬度稍有降低［2］。

我國某汽車零部件公司在加工不銹鋼零件的過程中，以往所采用的刀具均為TiAlN 涂層刀具，產(chǎn)品加工效率和刀具使用壽命都比較低，故決定對所選刀具進行性能提升及優(yōu)選，挑選出更適合加工不銹鋼零件的刀具及方案，提高所加工產(chǎn)品的競爭力。

1 刀具選用的評判準則

在傳統(tǒng)生產(chǎn)上，一般是利用刀具的平均切削時間，也就是刀具的耐用度作為評價刀具好壞的標準。但是，刀具耐用度具有隨機變動的特性，有不同程度的離散性，所以在用刀具耐用度來評價刀具的好壞時就體現(xiàn)了局限性［3］。因此，現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)對所用刀具進行選擇時，就把加工時間、加工質(zhì)量、生產(chǎn)成本綜合起來加以考慮［4］，在保證所選刀具具有一定耐用度的同時，也開始注重對單件產(chǎn)品刀具成本的考核。其中，上述三個因素相應(yīng)的目標函數(shù)分別為加工時間T(X)、加工質(zhì)量Q(X)、生產(chǎn)成本C(X)。

本文立足于工廠實際情況，以在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，追求利潤最大化為目標，其中T(x)、Q(x)保持不變，盡可能的降低C(X)。通過成本分析，其中單件產(chǎn)品刀具成本C(X)可表達為:

其中:Ct—產(chǎn)品所用刀具總成本;Q—產(chǎn)品數(shù)量。

2 加工方案的選擇

該汽車零部件產(chǎn)品的原材料為鉻錳氮不銹鋼，現(xiàn)有生產(chǎn)線上加工該材料的刀具為TiAlN 涂層刀具，加工方式為鉆削，使用φ6mm 的鉆頭，切削速度VC=80mm/min，進給量f =0.12mm/rev。工廠首先對當下生產(chǎn)線所用刀具及工件的使用情況進行了統(tǒng)計。

經(jīng)過對生產(chǎn)線5 個工作日的生產(chǎn)追蹤，并進行統(tǒng)計核算，檢測項目的數(shù)據(jù)如表1 所示，各項檢測指標權(quán)重如圖1 所示。

表1 產(chǎn)品單位成本中各組成本(RMB)

圖1 生產(chǎn)成本各部分所占權(quán)重

從圖1 中可以看出，原材料成本與人工成本所占的權(quán)重比較大，刀具費用所占不足5%，但仍存在優(yōu)化空間。針對這種情況，公司相關(guān)部門決定在保證加工質(zhì)量不降低的前提下，對加工方式進行改進，并提出了兩個改進方案。

2.1 提升TiAlN 涂層刀具性能

對TiAlN 涂層刀具進行重新修磨并進行再涂層，延長刀具的切削壽命，降低刀具成本。刀具的重磨主要包括以下過程:對刀具的再制造性評價、刀具分類、重磨方案的確定、刀具粗磨、刀具精磨、刃口的強化處理等［5］。重磨的流程圖如圖2 所示。而根據(jù)涂層公司提供的建議，TiAlN 涂層刀具不去涂層可重新涂覆五次，重復(fù)使用了刀具基體。因此可以大量減少新刀具的使用量，相當于延長了刀具壽命，減少了刀具成本。此時的單件產(chǎn)品刀具成本數(shù)學(xué)模型為:

式中:Cte—單件產(chǎn)品刀具成本;

Ct—刀具成本;N—重磨次數(shù);

Crs—單次修磨費用;

Cre—單次涂層費用;

Q—加工零件數(shù)。

圖2 廢舊切削刀具的重磨流程

2.2 使用AlCrN 涂層刀具

從考慮提升刀具性能方面出發(fā)，特別是刀具涂層特性，經(jīng)過與涂層廠家溝通，嘗試使用AlCrN 刀具替換TiAlN 刀具進行加工。AlCrN 是一種新型的涂層材料，其AlN 在B1 結(jié)構(gòu)的CrN 中的固溶度可達到77%(摩爾分數(shù))，因此可以得到高Al 含量的(Cr，Al)N)涂層，同時Cr、Al 都能形成保護性氧化膜，可大大提高涂層的抗氧化能力［6］。AlCrN 涂層中鋁含量相比TiAlN 涂層更高，因此其在高溫條件下表現(xiàn)出極好的紅硬性和高溫穩(wěn)定性(如圖3a 所示)，尤其適合高速切削加工［7］;AlCrN 涂層的摩擦系數(shù)較小，可降低刀具與切屑之間的粘附性，起到減少切削熱的作用，所以比較適合加工不銹鋼這種易粘刀的材料。另外，從圖3b 中可以看出，AlCrN 涂層刀具的切削速度遠高于TiAlN 刀具，可以顯著地提高加工效率。

圖3 涂層性能對比［8］

3 改進結(jié)果分析

與上文所述生產(chǎn)條件一致，兩條生產(chǎn)線分別采用不同的生產(chǎn)方案，兩個班組均生產(chǎn)5 個工作日。在生產(chǎn)過程中，為了更真實地表現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的變化趨勢，對生產(chǎn)過程進行了實時的追蹤。

3.1 刀具耐用度和切削力比較

為了對兩種刀具的切削性能進行比較，在第一個工作日的生產(chǎn)中，兩個班組采用相同的加工參數(shù)，加工方式為鉆削，均使用φ6mm 的鉆頭，切削速度VC=120mm/min，進給量f =0.16mm/rev。在生產(chǎn)過程中，受限于實際條件，通過測量兩種刀具的壽命、軸向切削力來評價刀具的切削性能。由金屬切削原理可知，要評價刀具的壽命首先要確定合適的磨鈍標準，在此選用的磨鈍標準均為VB=0.3mm。兩種刀具的耐用度、軸向切削力對比如圖4 所示。

圖4 刀具切削性能對比

從圖4 中可以看出，在采用相同的磨鈍標準下，AlCrN 鉆頭的壽命比TiAlN 鉆頭更長，但是同時所測的軸向切削力卻比TiAlN 鉆頭小。這是因為不銹鋼的切削溫度比較高，達到900℃左右，而TiAlN 涂層的硬度在約800℃左右時即大幅下降，而AlCrN 涂層在溫度達到1100℃時仍可保持其硬度。在加工不銹鋼材料時容易產(chǎn)生長切屑，長切屑在成形時與刀具的前刀面有更多接觸，刀具與工件接觸程度的增加會產(chǎn)生大量切削熱，而AlCrN 涂層的摩擦系數(shù)較小，可降低刀具與切屑之間的粘附性，起到減少切削熱的作用，進而延長了刀具壽命。

3.2 生產(chǎn)產(chǎn)量分析

完成試生產(chǎn)后，在保證加工質(zhì)量滿足要求的前提下，兩個班組的加工參數(shù)調(diào)整為最適宜加工參數(shù)，回歸至正常生產(chǎn)，并對兩個班組的生產(chǎn)量進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果圖如圖5 所示。從圖中可以看出，使用AlCrN 涂層刀具的班組在每個工作日生產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量都要比使用TiAlN 刀具班組高20%，生產(chǎn)效率得到了明顯提高。從單個班組的情況來看，AlCrN 班組在前兩個工作日生產(chǎn)數(shù)量相對較低，是因為使用新刀具在加工時有一個磨合過程，之后于第三個工作日達到最大值，接著由于刀具在達到一定的加工數(shù)量后，切削性能稍有降低，生產(chǎn)數(shù)量出現(xiàn)了小幅度的下降后隨之趨于穩(wěn)定。而TiAlN 班組在經(jīng)過初期的磨合后，生產(chǎn)數(shù)量保持穩(wěn)定，是因為刀具經(jīng)過修磨再涂層后始終保持于類似新刀具的狀態(tài)而切削性能不會發(fā)生大的改變。

3.3 切削成本分析

為了更直觀地對兩種改進方案進行對比，表2列舉了實施改進方案后的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖6 為產(chǎn)品單件生產(chǎn)成本的統(tǒng)計圖，從圖中可以看出，兩個班組的成本變化比較明顯的為刀具成本和人員工資，其它基本保持不變。由于對TiAlN 涂層刀具重新進行了修磨和再涂層，延長了刀具的使用壽命，刀具成本在產(chǎn)品成本中所占的比例有所下降，而AlCrN 班組由于更換了新型涂層刀具，刀具的使用成本上升，但是由于AlCrN 涂層刀具提高了生產(chǎn)效率，一個班組在相同的時間內(nèi)生產(chǎn)了更多的零件，而人員工資為固定成本，因此經(jīng)過統(tǒng)計人工工資所占比重相比于另一班組得以大幅下降，產(chǎn)品的成本也隨之下降。根據(jù)上文公式，分別計算出了兩個班組的單位時間內(nèi)的產(chǎn)品成本，如圖7 所示。從圖7 中可以明顯的看出換用AlCrN 涂層刀具的優(yōu)越性，而且，若對AlCrN刀具也進行重磨方面的研究，則產(chǎn)品的成本下降還會有更大的空間。

圖5 生產(chǎn)數(shù)量統(tǒng)計

表2 方案改進后產(chǎn)品單位成本中各組成本(RMB)

圖6 生產(chǎn)成本統(tǒng)計

圖7 刀具費用與產(chǎn)品成本對比

4 結(jié)論

(1)建立了刀具修磨再涂層后的單位成本數(shù)學(xué)模型，為降低生產(chǎn)所用刀具成本提供了計算依據(jù)。

(2)根據(jù)工廠的實際情況，提出了修磨TiAlN 刀具和換用新型AlCrN 涂層刀具兩種改進方案，并分析了延長刀具壽命和提高生產(chǎn)效率對減低成本的影響。

(3)通過對現(xiàn)有生產(chǎn)的監(jiān)測及對各項成本的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)刀具成本占單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本比例小于5%。

(4)使用新型AlCrN 刀具進行加工后，切削性能得到了提升，刀具成本所占比重雖然上升，但由于提高了生產(chǎn)效率，單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本反而下降。相對于延長刀具壽命，進行高效切削是降低成本更有效的途徑。

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