硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線建設方案探討

李怡然，丁 科，晏 然，龍果銳

(中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410021)

硬質(zhì)合金是一種硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性都非常優(yōu)良的合金材料，最為常見的硬質(zhì)合金為碳化鎢基體的硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金因為其物理特性，主要用于制造切削工具和耐磨零部件，被廣泛應用于軍工、航天航空、機械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、電子通訊、建筑等領域。硬質(zhì)合金與工業(yè)的發(fā)展的密切相關(guān)，被譽為“工業(yè)牙齒”。

數(shù)控刀片是可轉(zhuǎn)位車削刀片的總稱，是現(xiàn)代金屬切削應用領域的主流產(chǎn)品。主要應用在金屬的車削、銑削、切斷切槽、螺紋車削等領域。硬質(zhì)合金數(shù)控刀片是最主要的一種數(shù)控刀片，應用最為廣泛，市場流通量最大。1969年瑞典研制了基于硬質(zhì)合金基體的碳化鈦涂層刀具，通過表面幾微米厚的碳化鈦涂層，提高了刀片的使用壽命近3倍，切削速度提高25%～50%。近年來，隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，硬質(zhì)合金涂層刀片的性能進一步提升，涂層刀片的流通量也進一步提高，目前市場流通的數(shù)控刀片中約70%以上為涂層數(shù)控刀片。

我國在硬質(zhì)合金行業(yè)的起步于上世紀五十年代，伴隨著我國工業(yè)的發(fā)展不斷進取，取得了較多的優(yōu)秀成果，但客觀而言整體技術(shù)水平與國際先進水平仍具有一定差距。尤其在硬質(zhì)合金數(shù)控刀片領域，我國起步較晚，與國際先進水平差距較為明顯。21世紀初我國才開始自主建設硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線，距今僅十余年。但近年來隨著行業(yè)技術(shù)基礎的積累與發(fā)展，全國范圍內(nèi)建設了多個硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線，相應崛起了多個自主品牌的數(shù)控刀片生產(chǎn)企業(yè)。我國自主生產(chǎn)的部分硬質(zhì)合金數(shù)控刀片產(chǎn)品實現(xiàn)了替代進口，并逐步擴大市場占有率。本文對我國近年來建設的多個硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線項目進行了歸納總結(jié)，整理出符合當前生產(chǎn)工藝技術(shù)的生產(chǎn)線建設方案，為行業(yè)發(fā)展提供參考。

1 硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)工藝

1.1 生產(chǎn)工藝流程

硬質(zhì)合金數(shù)控刀片的生產(chǎn)是在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金粉末冶金生產(chǎn)工藝的基礎上進行優(yōu)化和升級，并在合金刀片的基礎上進行磨削加工和涂層工序，最終形成質(zhì)量合格的硬質(zhì)合金數(shù)控刀片。其主要工序包括混合料制備、壓制成型、燒結(jié)、磨削加工、表面處理、涂層、成檢包裝。硬質(zhì)合金數(shù)控刀片的生產(chǎn)通常由混合料制備工序開始，主要是由于混合料長途運輸過程容易發(fā)生質(zhì)量損壞，直接影響數(shù)控刀片產(chǎn)品質(zhì)量。同時，由于混合料制備工序使用較多酒精，為保證生產(chǎn)的安全性，結(jié)合國家相關(guān)工程法規(guī)的要求，通常將混合料制備工序與后段工序獨立設置。

（1）混合料制備工藝流程如下：檢驗、鑒定原材料→配料計算、確定球磨時間→配料→球磨→噴霧干燥（或真空干燥）→混合料檢驗鑒定→包裝入庫。

（2）硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)工藝流程如下：合格混合料→模具設計與制造→壓制成型→真空快冷燒結(jié)→試驗室毛坯性能檢測→毛坯產(chǎn)品外觀尺寸檢查→合格毛坯產(chǎn)品→數(shù)控刀片加工基面→周邊、刃口加工→噴砂、清洗→CVD/PVD涂層→試驗室涂層性能檢測→涂層產(chǎn)品外觀質(zhì)量檢查→包裝入庫。

1.2 主要工藝說明

混合料制備的主要工藝說明：

（1）混合料制備采用PEG作為成型劑、酒精作球磨介質(zhì)的噴霧干燥制取混合料的工藝技術(shù)。

（2）球磨、噴霧干燥按工作區(qū)分開，但又能互相溝通和聯(lián)系。輔助系統(tǒng)與主體工藝分開，避免相互干擾。

（3）采用噴霧干燥工藝，噴霧干燥有著其他干燥方式無可比擬的優(yōu)勢：①瞬間干燥；②物料本省不承受高溫，從而使產(chǎn)品質(zhì)量好，混合料呈球狀，粉末流動性好，選擇適當?shù)墓に噮?shù)，可使顆粒為空心球，這種粉末具有良好的成形性能；③生產(chǎn)控制方便，噴霧干燥系統(tǒng)易于實現(xiàn)自動化，消除了人為因素的影響，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)的主要工藝說明：

（1）模具制造：根據(jù)數(shù)控刀片產(chǎn)品的外形尺寸和性能特點，針對性設計并制造壓制模具。

（2）壓制工序：將原料庫中的混合料通過拖車運送至壓制間，采用自動壓制成型工藝分別通過進口自動壓機獲得刀片毛坯，并對毛坯進行初檢，合格品進入燒結(jié)工序，不合格品回收。

（3）燒結(jié)工序：采用壓力燒結(jié)工藝對硬質(zhì)合金刀片毛坯進行加壓燒結(jié)，可獲得高質(zhì)量、高密度、幾乎無空隙的制品。燒結(jié)完的產(chǎn)品需進行檢測，不合格品回收，合格品進入研磨生產(chǎn)工序。

（4）研磨工序：采用端面磨、周邊磨等加工工藝對燒結(jié)后的刀片毛坯深加工，以獲得不同型號及規(guī)格的產(chǎn)品。

（5）鈍化清洗工序：采用鈍化清洗工藝對加工后的刀片毛坯去毛刺、刃口倒圓、切削槽平整和拋光，以改善切削流、降低切削阻力、提高表面質(zhì)量、延長刀具壽命。

（6）涂層工序：采用化學氣相沉積（CVD）技術(shù)使氣態(tài)的初始化合物之間發(fā)生氣相化學反應或采用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)產(chǎn)生金屬粒子與反應氣體反應，形成固體物質(zhì)沉積刀片基體表面，從而獲得不同要求的涂層數(shù)控刀片。

2 設備選擇

關(guān)鍵設備選擇。

2.1 噴霧干燥塔

噴霧干燥系統(tǒng)主要包括噴霧干燥塔、導熱油系統(tǒng)、產(chǎn)品回收系統(tǒng)、球磨液回收系統(tǒng)和CIP自動清洗系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。加熱用氮氣經(jīng)油氣熱交換加熱后進入干燥塔，物料經(jīng)噴咀噴入干燥塔，酒精經(jīng)淋洗/冷凝后回收，抽出的物料經(jīng)旋風除塵器后回收。此噴霧干燥塔具有自動清洗功能，可以清洗到干燥室、旋風除塵器的各個部分，不需人工進行清洗，清洗質(zhì)量高。

2.2 自動粉末壓機

伴隨設備自動化技術(shù)的提升，目前硬質(zhì)合金數(shù)控刀片行業(yè)普遍更新為自動粉末壓機。自動粉末壓機可以有效的提高生產(chǎn)效率，并減少工作人員。選用設計優(yōu)良、精度高的模具，可以提高燒結(jié)后制品的質(zhì)量和精度，能較大程度的減少數(shù)控刀片毛坯的加工余量，甚至部分產(chǎn)品毛坯可以減免加工工序。

2.3 真空壓力燒結(jié)爐

硬質(zhì)合金指標選用的加壓燒結(jié)爐是集正壓脫蠟、負壓脫蠟、真空燒結(jié)、托瓦克燒結(jié)、分壓燒結(jié)、加壓燒結(jié)、氣氛控制、冷卻等功能于一體，整個工藝過程全自動控制。為滿足不同的工藝要求，可以實現(xiàn)在不同壓力和溫度下導入Ar、H2、CH4、N2等氣體或氣體組合。近五年我國自主品牌的壓力燒結(jié)爐技術(shù)實現(xiàn)較大突破，基本可以替代進口。

2.4 涂層爐

目前國產(chǎn)涂層設備技術(shù)還有一定程度的不足，行業(yè)內(nèi)使用的生產(chǎn)設備基本依賴于進口。涂層工序分為CVD和PVD兩種，CVD涂層爐通常采用Ionbond生產(chǎn)的設備，PVD涂層爐通常采用Oerlikon Balzers、Ionbond、CemeCon三個廠家生產(chǎn)的設備。

3 土建和公用配套

3.1 土建

混合料廠房生產(chǎn)火災危險類別為甲類，耐火等級常按二級考慮。結(jié)構(gòu)形式采用輕鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土柱+鋼排架結(jié)構(gòu)，廠房屋架下弦高6m，局部噴霧大廳下弦高為12.5m。生產(chǎn)區(qū)域采用防塵不發(fā)火重載地面，地面載荷按5t/m2。

數(shù)控刀片廠房生產(chǎn)火災危險類別為丁類，耐火等級常按二級考慮。結(jié)構(gòu)形式采用輕鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土柱+鋼排架結(jié)構(gòu)，廠房屋架下弦高6m。生產(chǎn)區(qū)域采用環(huán)氧樹脂自流平地面，地面載荷按5t/m2。

3.2 動力

混合料噴霧制粒工序使用大量氮氣，用氣量較大，通常設置制氮機組。燒結(jié)工序使用大量高壓氬氣，設置液氬站降壓后供應。涂層工序使用甲烷、硫化氫、氯化氫、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、乙晴、四氯化鈦等特種氣體或液體，根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)能情況，產(chǎn)能較大時用氣量較大，通常獨立設置特種氣體站房，產(chǎn)量較少時可在廠房內(nèi)設置特種氣體間。噴砂、清洗工序使用大量壓縮空氣，通常獨立設置空壓機房供應。

3.3 暖通

球磨、壓制、模具精加工等生產(chǎn)工段需設置恒溫恒濕空調(diào)，采用帶轉(zhuǎn)輪除濕機的組合式空氣處理機組。研磨、涂層、清洗、成檢包裝工段需設置舒適性空調(diào)，采用風機盤管/吊頂式空氣處理機組+新風系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。

球磨機、噴霧干燥塔、PVD涂層爐、CVD涂層爐等設備需要使用工藝冷凍水，通常在廠房輔助間內(nèi)設水冷式冷水機組供應。

3.4 給排水

除常規(guī)生產(chǎn)和消防用水外，硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線需要配置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和純水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要供壓力燒結(jié)爐冷卻用水，設備對水質(zhì)有要求，需要使用軟化水，設計采用閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。純水系統(tǒng)供超聲波清洗機使用。

3.5 電氣和弱電

壓力燒結(jié)爐、涂層爐、噴霧塔等設備用電負荷較大，廠房配電負荷中心在燒結(jié)工段，通常就近設置配電房?；旌狭蠌S房為甲類廠房，不宜設置配電房，通常有數(shù)控刀片廠房變配電房兼顧配電。

混合料廠房的球磨間、噴霧大廳設酒精可燃氣體報警系統(tǒng)，數(shù)控刀片廠房燒結(jié)區(qū)、涂層間、特種氣體間設可燃氣體報警系統(tǒng)。爆炸性危險區(qū)按《危險場所電氣防爆安全規(guī)范》（Q 3009-2007）考慮電氣防爆措施。

4 總結(jié)

根據(jù)硬質(zhì)合金數(shù)控刀片工藝特點，結(jié)合近年來對數(shù)控刀片生產(chǎn)線項目設計的經(jīng)驗，對硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線項目建設方案進行了系統(tǒng)性的介紹，分析并探討了硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)所需條件，包括生產(chǎn)工藝流程、主要設備選型、工程及公輔系統(tǒng)配套需求，為硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線項目建設提供了一個全面的參考方案。