刀片材質(zhì)的創(chuàng)新技術(shù)推動(dòng)加工業(yè)的持續(xù)進(jìn)步

山特維克可樂滿 Christer Richt

金屬切削是工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，通過提高生產(chǎn)效率，該領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新對(duì)整個(gè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著十分積極的作用。它可以促進(jìn)社會(huì)繁榮，改善生活質(zhì)量。刀具材質(zhì)，尤其是硬質(zhì)合金，是金屬切削中最主要的因素之一。這是因?yàn)榻饘偌庸r(shí)，切削刃的性能在提升整個(gè)制造業(yè)生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著十分巨大的作用。作為行業(yè)先鋒，山特維克可樂滿從20世紀(jì)50年代開始，不斷加快材質(zhì)研發(fā)步伐，相繼推出大量創(chuàng)新技術(shù)。

1.現(xiàn)代切削刀具問世

19世紀(jì)初，所有金屬加工公司必須自制刀具或購(gòu)買非標(biāo)刀具。沒有任何刀具和解決方案的標(biāo)準(zhǔn)程序。刀具材料主要是高速鋼，焊接硬質(zhì)合金刀具逐漸開始使用。以后，機(jī)床、設(shè)備、數(shù)控和刀具取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量水平顯著提高。山特維克可樂滿自20世紀(jì)50年代開始推出可轉(zhuǎn)位刀具以來，加工產(chǎn)量已經(jīng)成倍翻番。我們從現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)化刀具的思路著手，一路引領(lǐng)高科技刀具和加工方法新潮流。在研發(fā)制造工藝時(shí)，同樣需要刀具材料的創(chuàng)新，需要材料科學(xué)技術(shù)知識(shí)。通過充分利用刀具材料，我們?cè)诘镀闹谱鬟^程中設(shè)定并實(shí)現(xiàn)了材質(zhì)目標(biāo)。

2.質(zhì)量和創(chuàng)新

眾所周知，1942年山特維克開始涉足金屬切削行業(yè)。山特維克可樂滿是在開發(fā)硬質(zhì)合金作為優(yōu)質(zhì)刀具材料的經(jīng)營(yíng)理念基礎(chǔ)上成立的。這種合成刀具材料已經(jīng)為人們所熟知幾十年，但是能充分利用其特性的應(yīng)用還十分有限，主要用于巖石鉆孔。然而，硬質(zhì)合金后來取得的成功，全都?xì)w功于接二連三的創(chuàng)新技術(shù)。進(jìn)入1943年，山特維克可樂滿新研制出了6種硬質(zhì)合金刀具材質(zhì)，而十年后，它就研發(fā)出了多達(dá)20種可應(yīng)用于多種領(lǐng)域的可優(yōu)化像焊接刀具之類的的金屬切削材質(zhì)。

如何把控用于切削刀具的硬質(zhì)合金質(zhì)量是山特維克可樂滿最開始面臨的技術(shù)難題，這也是與客戶不斷交流得到的反饋。1954年，山特維克可樂滿建立了一座專門的硬質(zhì)合金工廠，引進(jìn)了大量的研發(fā)設(shè)施，為實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格質(zhì)量控制邁出了最關(guān)鍵的一步。質(zhì)量控制一直被視為全世界可樂滿刀具的重要基石。

1957年，山特維克可樂滿推出了第一批可轉(zhuǎn)位刀片刀具——T-Max車削刀具系列。盡管開始可轉(zhuǎn)位刀片的市場(chǎng)很小，但是當(dāng)一些制造業(yè)行業(yè)巨頭們開始采用這種刀片時(shí)，刀片工具系統(tǒng)的應(yīng)用迎來了希望的曙光，并在日后的使用中飛速發(fā)展。加工車間已經(jīng)采用效率高、產(chǎn)量大的加工技術(shù)，不再需要重磨的焊接刀具。

早期 (1956年)非涂層材質(zhì)的創(chuàng)新是一種被稱為Coromant S1 Premium的刀片材質(zhì)——世界上第一個(gè)提高生產(chǎn)效率的“助推器”。S1P大幅提高切削參數(shù)并延長(zhǎng)使用壽命，在車床行業(yè)首屈一指，超群絕倫，大幅縮短了精加工和輕粗加工的加工時(shí)間。同時(shí)，采用優(yōu)質(zhì)材質(zhì)刀具車削各類鋼件甚至合金鑄鐵時(shí)，無需任何切削液。這種材質(zhì)特別適合可轉(zhuǎn)位刀片，確實(shí)使業(yè)界人員大開眼界，并期盼通過刀具材料創(chuàng)新，改善加工環(huán)境。

20世紀(jì)60年代，還研發(fā)了適合其他應(yīng)用的刀片和材質(zhì)，例如銑削、鉆削和螺紋切削。1963年，可樂滿已經(jīng)有18種 (非涂層)刀片材質(zhì)上市，覆蓋加工業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域。

3.涂層理念實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍

可轉(zhuǎn)位刀片理念是1970年以后的重大創(chuàng)新。這種理念完全不用考慮硬質(zhì)合金的可焊接性和可磨性等特性，打開了研發(fā)硬質(zhì)合金的新思路。研究結(jié)果表明，在刀片上涂上一層很薄的涂層，對(duì)提高切削速度和延長(zhǎng)刀具使用壽命有顯著效果。采用化學(xué)氣相沉積法 (CVD)，在刀片基材上可形成一層幾微米厚的堅(jiān)硬碳化鈦。第一款涂層合金刀片由此誕生:GC125這種開創(chuàng)性創(chuàng)新技術(shù)，使改善加工性能向前邁出了一大步。

采用涂層刀片材質(zhì)，通過加快切削速度和延長(zhǎng)刀具使用壽命，大大縮短了加工時(shí)間。70年代初，又開發(fā)了兩種涂層材質(zhì) (GC135和 GC315)，與GC125分別用于不同應(yīng)用領(lǐng)域。最初的這三種涂層材質(zhì)，是使用標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)的基體，后來被認(rèn)為是這三種材質(zhì)的局限所在。之后，又研發(fā)了專用刀片基體，用于涂覆專用涂層，從而改善了涂層刀片的性能。第一種材質(zhì)是1973年推出的GC1025，這種材質(zhì)采用涂層專用基體，是第二代涂層材質(zhì)的代表。

其他刀具制造廠對(duì)這些創(chuàng)新技術(shù)的第一反應(yīng)是持不信任態(tài)度，但是很快又不得不接受現(xiàn)實(shí)——因?yàn)樾阅艽_實(shí)得到明顯改善，這些創(chuàng)新為行業(yè)制定了新標(biāo)桿。

4.創(chuàng)新層出不窮

20世紀(jì)70年代是極不平凡的十年，切削刀具技術(shù)的新工藝、新方法大量涌現(xiàn)，加工性能日益提高。1969年，一般混合式走刀車削零件的切削時(shí)間是5.5min。十年后，加工同樣的零件僅需要1.5min。為什么在提高生產(chǎn)效率方面能取得如此驚人的進(jìn)步?主要是因?yàn)槌掷m(xù)研發(fā)涂層材質(zhì)取得了顯著進(jìn)步。同時(shí)，山特維克可樂滿70年代研發(fā)出的多種創(chuàng)新型刀具解決方案也發(fā)揮了舉足輕重的作用。例如:山特維克可樂滿最早推出可轉(zhuǎn)位刀片切斷刀具，首創(chuàng)雙涂層刀片材質(zhì)和減振鏜桿，率先設(shè)計(jì)出正前角車削刀片和開式波浪形斷屑槽，是可轉(zhuǎn)位刀片鉆頭的鼻祖等等。

70年代中期，首次使用含氧化鋁涂層的刀片時(shí)，涂層材質(zhì)向前邁出重大步伐——含氧化鋁的涂層是一種化學(xué)穩(wěn)定性很高的陶瓷材料，高溫耐磨性高、導(dǎo)熱系數(shù)小，可防止刀片基體受熱。因此，山特維克可樂滿研發(fā)并推出了用于車削領(lǐng)域的GC015，這款產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是耐磨——通常用于高速車削精加工。這種材質(zhì)首次使用可樂滿的專利技術(shù)——雙涂層解決方案，其中內(nèi)層采用碳化鈦涂層。

此階段的局限之一是只能涂覆一層很薄的氧化鋁涂層。此前，研發(fā)刀具材料制造工藝一直是山特維克可樂滿科技創(chuàng)新的重要課題。1980年，催化化學(xué)氣相沉積法已經(jīng)投入應(yīng)用，催生了又一代新涂層材質(zhì)——GC415，用于精加工。同時(shí)，研發(fā)了結(jié)實(shí)耐用的用于粗加工工序的材質(zhì)GC435以及應(yīng)用十分廣泛的GC425材質(zhì)——此時(shí)，已經(jīng)完成了整個(gè)材質(zhì)系列的研發(fā)，覆蓋了鋼件車削的全部應(yīng)用范圍，并加以優(yōu)化。80年代，又研發(fā)出一種工藝，使碳化鈦和不同厚度的氧化鋁之間結(jié)合的更加牢固，采用這種工藝，生產(chǎn)出了性能更高的多層涂層刀片。

5.新一代刀片和新工藝

90年代，研發(fā)出了二十多種新材質(zhì)，其中大部分是涂層材質(zhì)，并且大多數(shù)用于車削，工件材質(zhì)不同，工序要求也不同。我們還研制了新一代涂層車削材質(zhì) (GC4000系列)，其中可使用更厚碳化鋁涂層的晶粒結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度大大改善，特別是GC4015材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了更高切削速度的目標(biāo)。

在研發(fā)涂層工藝的同時(shí)，我們的另一條思路是同時(shí)生產(chǎn)不同的材質(zhì)。因?yàn)樘沾刹牧瞎逃械拇嘈裕珻VD涂層不能用于帶有鋒利切削刃的刀具。物理氣相沉積 (PVD)工藝涂層采用新研發(fā)的材質(zhì)(GC1025和GC1125)，圓滿解決了這個(gè)問題。采用PVD涂層的切削刃韌度特別高，盡管這些涂層不能達(dá)到厚CVD涂層的耐磨水平，但是其耐磨性還是比非涂層刀具好很多。

從那時(shí)起，研發(fā)CVD和PVD工藝意味著兩類涂層材質(zhì)的應(yīng)用越來越相近，從而刀片材質(zhì)的程序優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。隨著時(shí)間的推移，制造業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合、工況、工序、加工率、工件材料和零件質(zhì)量的變化對(duì)研發(fā)這些新材質(zhì)有著十分深遠(yuǎn)的影響。

我們?cè)诘毒卟牧戏矫孀隽舜罅垦邪l(fā)工作，已取得突破性創(chuàng)新成果。金剛石涂層刀片便是其中之一，這種材質(zhì)通過采用合理的斷屑槽形，可以代替金剛石鑲尖刀片，用于車削鋁合金材料。此外還有用于精加工的金屬陶瓷刀片，用于超硬零件精加工的立方氮化硼刀片，用于耐熱合金加工的陶瓷刀片。以及一系列重要的刀片材質(zhì)，用于銑削、鉆削、切斷和切槽、螺紋車削的可轉(zhuǎn)位刀片和整體硬質(zhì)合金刀具。

6.工藝開發(fā)

90年代中期，中溫 (MT)CVD涂層工藝問世，這種工藝改善了需要涂覆的碳氮化鈦內(nèi)層涂層晶體取向。我們還推出了細(xì)晶粒涂層，這種涂層對(duì)刀片性能發(fā)揮至關(guān)重要的作用。這些技術(shù)可以使多層涂層刀片材質(zhì)強(qiáng)度更大，與刀片基體附著力更好，使用壽命更長(zhǎng)，更安全，切削速度更快。

新MT-CVD涂層工藝的另一大優(yōu)勢(shì)是基體不掉碳，在設(shè)計(jì)刀片基體時(shí)，選擇范圍更廣。新刀片基體對(duì)切削刃變形和熱裂不敏感——這兩種現(xiàn)象都具有破壞性，因此需要避免。采用這種技術(shù)生產(chǎn)的第一種材質(zhì)是用于銑削的涂層材質(zhì):GC3020，然后是用于車削的材質(zhì)LC25。但是，這也是GC4000系列車削材質(zhì)成功背后的秘密。

梯度燒結(jié)技術(shù)成為山特維克可樂滿研發(fā)的重要源泉。這是形成功能梯度材料之處，例如富鈷表面層，可滿足基體性質(zhì)的平衡要求。涂層刀片基體表面帶的組成成分是實(shí)現(xiàn)不同涂層刀片材質(zhì)的重要考慮因素。這些先進(jìn)技術(shù)主要用于改善切削刃的抗塑性變形能力。Gamma相主要分布在切削刃上，從而改善了硬性。切削刃以外，在碳化物中加入豐富的結(jié)合劑，可抑制開裂傾向，并提高了抗切屑沖擊性。

CVD涂層相對(duì)較厚，能與多種物質(zhì)同時(shí)使用，達(dá)到不同效果。例如:碳氮化鈦硬度大、耐磨性好，加上氧化鋁的卓越性能，氮化鈦形成金黃色面涂層，增加耐磨性，方便檢查磨損情況。使用更薄、堅(jiān)硬的PVD涂層的主要目的是通過連續(xù)或?qū)訝钔繉?，增加耐磨性，增加涂層層?shù)，粒徑可達(dá)納米級(jí)。

PVD涂層系列 (例如綜合性能較好的氮化鈦)對(duì)碳氮化鈦進(jìn)行了改進(jìn)，具有較高的耐磨性;加入鈦－鋁氮化物，硬度和抗氧化性大大增加;采用氧化PVD，改善化學(xué)惰性和抗月牙洼磨損性。因此，CVD和PVD涂層刀片系列構(gòu)成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的應(yīng)用系列，其中絕大多數(shù)性質(zhì)可用于對(duì)加工工序進(jìn)行全面優(yōu)化——切削刃的鋒利度是一個(gè)重要因素。

刀片材質(zhì)研發(fā)的另一重要思路是后處理工藝的研發(fā)，主要包括涂層切削刃的噴砂和涂刷。這些工藝融入與涂層效果互補(bǔ)的不同刀片制造工藝中，對(duì)刀片表面具有顯著積極作用。例如:采用噴砂作為后處理，涂層形成抗壓力，刀片韌度得到改善。

7.新世紀(jì)——新創(chuàng)新

始于21世紀(jì)初的硬質(zhì)合金材質(zhì)的研發(fā)表明涂層刀片仍然具有巨大潛力，我們還將繼續(xù)大規(guī)模研發(fā)。我們通過與加工車間保持密切聯(lián)系，從其加工需求中認(rèn)識(shí)到這種巨大潛力。通過對(duì)材質(zhì)要求的韌度和耐磨性以及抗變形能力、涂層附著力、厚度和切削刃紋路可靠性進(jìn)行更加仔細(xì)的研究，加強(qiáng)了優(yōu)化應(yīng)用和推薦應(yīng)用范圍的準(zhǔn)確定位。

21世紀(jì)，研發(fā)出了新一代刀片，繼續(xù)加大GC4000系列產(chǎn)品的研發(fā)步伐。

2005年，GC4225的問世標(biāo)志著鋼件車削這種主導(dǎo)中間應(yīng)用領(lǐng)域的材質(zhì)改善躍上新臺(tái)階。明顯減小或完全消除磨損的研發(fā)取得重大進(jìn)展。這種新材質(zhì)的磨損機(jī)理截然不同，因此，刀具的使用壽命更長(zhǎng)、更安全可靠。研發(fā)這種新材質(zhì)的主要目標(biāo)是在運(yùn)用較高的切削速度時(shí)磨損進(jìn)程慢、可預(yù)測(cè)、自然的后刀面磨損，并且這些目標(biāo)已基本實(shí)現(xiàn)。新研發(fā)的材質(zhì)如此圓滿成功并得到廣泛應(yīng)用，以至于取代了ISO P15和P35刀片材質(zhì)。已研發(fā)出的全新涂層和后處理涂層工藝，可提高性能，增加生產(chǎn)安全性。

8.繼續(xù)發(fā)掘涂層硬質(zhì)合金的巨大潛力

為了實(shí)現(xiàn)刀片材質(zhì)技術(shù)的下一步目標(biāo)，山特維克可樂滿正在著力研發(fā)新的涂層技術(shù)、粉層技術(shù)、可轉(zhuǎn)位刀片壓制技術(shù)、切削刃處理技術(shù)、后處理技術(shù)和檢測(cè)新技術(shù)。下一代切削刀具將采用可轉(zhuǎn)位刀片和硬質(zhì)合金刀具材料。目的還是延長(zhǎng)刀具使用壽命，使壽命更加可預(yù)測(cè)，同時(shí)尋求增加產(chǎn)量的機(jī)會(huì)。這些刀具材料還為全自動(dòng)化無人加工工序和有限技術(shù)監(jiān)督提供解決方案，最根本的目的是降低用戶金屬切削加工的單件成本。

涂層硬質(zhì)合金自1970年上市以來，盡管基本原理還是一樣，但是涂層刀片不斷改進(jìn)，昔日的科幻故事最終變成現(xiàn)實(shí)。涉及的基礎(chǔ)研究以及工藝和研發(fā)方式方法都經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)發(fā)展過程，因?yàn)槲覀冋莆樟藢?shí)際刀片材質(zhì)研發(fā)的全部知識(shí)。當(dāng)今可轉(zhuǎn)位刀片多層涂層以及專用的非涂層材質(zhì)比先進(jìn)的單涂層GC刀片的切削速度都要快很多，以前的材質(zhì)根本無法相提并論。另外，提高這種刀具材料的通用性也還有巨大潛力。