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機(jī)械的發(fā)展與刀具材料現(xiàn)狀是怎么樣的?

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

     一 我國機(jī)械行業(yè)的歷史與發(fā)展
                
    我國在金屬切削方面有著悠久的歷史。古代加工石質(zhì)、木質(zhì)、骨質(zhì)和其他非金屬器物是今天金屬加工的序曲。在舊石器時(shí)代就有石砍砸器,到了新石器時(shí)代,人們?cè)倥c大自然的搏斗中生產(chǎn)工具得到了不斷的改進(jìn),如:石斧、石刀、石鐮等。并且以能在石器上鉆孔。甚至把堅(jiān)硬的石刃鑲嵌或粘接在骨把上制成夾固式石刃骨刀。 

    人類從這時(shí)候起,在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步認(rèn)識(shí)了刀刃的作用??梢赃@樣說,一個(gè)原始的切削加工過程形成了。基本上具備了切削的基本條件:刀具(帶刃口的石器),被加工對(duì)象(生產(chǎn)和生活用品),切削運(yùn)動(dòng)。 

    我國的金屬切削加工工藝,從青銅器時(shí)代開始萌芽的,并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時(shí)期已經(jīng)有了相當(dāng)發(fā)達(dá)的青銅冶鑄業(yè)出現(xiàn)了各種青銅工具,如:青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時(shí)有出土文物與甲骨文記錄表明,這個(gè)時(shí)期的生產(chǎn)的青銅工具和生活工具,在制造過程中大都要經(jīng)過切削加工或研磨。我國的冶鑄技術(shù)比西歐早一千多年。滲碳、淬火、和煉鋼技術(shù)的發(fā)明,為制造堅(jiān)硬鋒利的工具提供了便利的條件。鐵質(zhì)工具的出現(xiàn),表明金屬切削加工進(jìn)入了一新的階段。有記載表明早在三千多年前的商代已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)的琢玉工具,這也就是金屬切削機(jī)床的前身。70年代在河北滿城一號(hào)漢墓出土的五銖錢,其外圓上有經(jīng)過車削的痕跡,刀花均勻,切削振動(dòng)波紋清晰,橢圓度很小。有可能將五銖錢穿在方軸上然后裝夾在木質(zhì)的車床上,用手拿著工具進(jìn)行切削。 

    八世紀(jì)的時(shí)候我國就有了金屬切削車床。到了明代,手工業(yè)有了很大的發(fā)展,各種切削方法,有了較細(xì)的分工。如:車、銑、鉆、磨等等。從北京古天文臺(tái)上的天文儀器可以看出當(dāng)時(shí)采用了與五、六十年代類似的加工方法。這也就說明當(dāng)時(shí)就有較高精度的磨削、車削、銑削、鉆削等等。其動(dòng)力是畜力和水力。 

    清末,由于政府腐敗和外國的侵略使我國的科學(xué)技術(shù)發(fā)展停滯不前,金屬加工也處于落后的狀態(tài)。 

    解放前,我國的工業(yè)已經(jīng)十分落后,根本沒有自己的機(jī)床,工具制造業(yè)。就連高速鋼這樣的工具材料,麻花鉆這樣的普通工具都不能制造。 

    解放后,我國的機(jī)床也有了長足的發(fā)展。機(jī)床和工具制造業(yè)也從無到有,從小到大。


    七八十年代,工具材料進(jìn)一步得到發(fā)展,硬質(zhì)合金和高速鋼的規(guī)格和品種不斷增加。如:涂層硬質(zhì)合金、立方碳化硼,陶瓷等等。 
                
    到了八十年代數(shù)控、數(shù)顯設(shè)備也開始發(fā)展起來了。由于受當(dāng)時(shí)電子設(shè)備、微機(jī)、傳輸?shù)扔绊懀瑳]有太大的發(fā)展空間。隨著電子設(shè)備、微機(jī)、傳輸速率的快速發(fā)展,數(shù)控、數(shù)顯設(shè)備也快速發(fā)展起來了。 

    現(xiàn)今,我國機(jī)床制造也已基本上成熟了,特別是在普通機(jī)床上。準(zhǔn)確來講機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)的載體,機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、更新速度、應(yīng)變能力、效率在相當(dāng)程度上取決于機(jī)床。我國現(xiàn)在對(duì)機(jī)床的需求將是中檔數(shù)控機(jī)床、加工中心和專用機(jī)床為主。其他機(jī)床相對(duì)要少得多了。而我國的尖端數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線的制造還不能與世界強(qiáng)手相比。 

    但是,我國在軍事,航空等方面還需要精密、復(fù)合、智能的設(shè)備。這也就要求我們奮發(fā)圖強(qiáng)趕上他們,在這樣的環(huán)境下也確定了我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向,向復(fù)合、高速、智能、精密、環(huán)保等方面的發(fā)展,完善我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)及技術(shù)規(guī)范,開發(fā)數(shù)控機(jī)床的智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù);進(jìn)一步研究并聯(lián)加工技術(shù)和集車、磨、銑、鉆、鉸、鏜等工序于一身的集成技術(shù),減少加工中的裝夾次數(shù);攻克高水平電主軸、直線電機(jī)、高速滾珠絲杠等功能部件制造技術(shù),提高產(chǎn)品性能和技術(shù)水平;推廣機(jī)械加工中的無冷卻、無潤滑、無氣味等技術(shù),減少機(jī)床使用中對(duì)環(huán)境的污染。 

    而普通機(jī)床也不能少,在小規(guī)模的生產(chǎn)廠家普通機(jī)床是必不可少的,這些廠家主要以修配和小批量生產(chǎn)為主,一些民品的精度不是很高,普通機(jī)床完全可以滿足他們的需要。 

    二 刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀
                
    在現(xiàn)代機(jī)械加工中,刀具材料以硬質(zhì)合金和高速鋼用得最多,幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應(yīng)用,已有整整一個(gè)世紀(jì)的歷史,硬質(zhì)合金則已有半個(gè)世紀(jì)。但二者均研制出許多新品種,其性能不斷提高,在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要作用。近年來,隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用,要實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工。超硬刀具的應(yīng)用也日漸普及起來,同時(shí)引入了許多先進(jìn)的切削加工概念,如高速切削、硬態(tài)加工、高穩(wěn)定性加工、以車代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段。 

   (一) 超硬刀具

    超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具,其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位 

    PCD金屬切削刀具 
                
    PCD金屬切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。此類刀具從結(jié)構(gòu)上主要可分為焊接式PCD刀具和可轉(zhuǎn)位式PCD刀片。近年來焊接式PCD刀具中發(fā)展較快的品種是帶標(biāo)準(zhǔn)刀柄的PCD刀具,如帶柄PCD銑刀、PCD鏜刀、PCD鉸刀等,刀柄型式主要為圓柱柄、錐柄和HSK柄。這種刀具(尤其是多齒刀具)的特點(diǎn)是切削刃對(duì)刀柄的跳動(dòng)?。ㄈ缛虚L為30mm的HSK柄PCD銑刀的切削刃跳動(dòng)僅為0.002mm),尤其適合于對(duì)各種有色金屬零件的成形面、孔、階梯孔等進(jìn)行大批量高速加工。例如,采用鋁基體刀盤的PCD高速銑刀(六刃,直徑100mm),最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20,000r/min,以上,切削速度可達(dá)7,000m/min 。
                
    可轉(zhuǎn)位式PCD刀片是在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片上鑲裝一塊PCD刀坯再經(jīng)刃磨而成,可裝夾在各種數(shù)控機(jī)床的刀桿、刀夾或刀盤上,用于高可靠性的大批量加工。隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心及自動(dòng)生產(chǎn)線的日益普及,可轉(zhuǎn)位式PCD刀片的使用越來越多,其刀具耐用度較硬質(zhì)合金刀具可提高幾十倍。 

    PCBN金屬切削刀具 

    PCBN金屬切削刀具也可分為焊接式PCBN刀具和可轉(zhuǎn)位式PCBN刀片兩類。 
                
    焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成,主要有車刀、鏜刀、鉸刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金屬的加工,因此其刀尖角不能太小,刀具前角一般為-5°~5°,后角一般為3°~10°,斷續(xù)切削時(shí)一般采用負(fù)倒棱。 

    轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN刀片(主要為車刀片和銑刀片)一般是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的一個(gè)角上鑲焊一塊PCBN刀坯,經(jīng)刃磨而成??紤]到刀坯較貴及重磨等原因,一般只做成一個(gè)刀尖。隨著焊接工藝質(zhì)量的提高,其剪切強(qiáng)度可達(dá)0.78kg/m2。隨著PCBN刀坯尺寸越做越小,不重磨PCBN刀片的價(jià)格也隨之降低。 

   (二)超硬刀具的典型應(yīng)用 

    硬態(tài)加工,以車代磨 
                
    由于PCBN刀具具有極高的硬度及紅硬性,可使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度,所以采用PCBN刀具車削淬硬鋼可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。應(yīng)用實(shí)例如汽車、摩托車齒輪孔的加工,此類零件材料一般為20CrMnTi,滲碳淬火,表面硬度為60~62HRC,齒輪孔精度為IT6,表面粗糙度Ra≤0.8μm。傳統(tǒng)加工工藝為:機(jī)加工->熱處理->磨削。采用超硬刀具“以車代磨”的加工工藝為:粗加工->熱處理->精加工。新工藝可大幅度提高加工效率,降低加工成本,原采用磨削工藝一班僅能加工100個(gè)小齒輪,現(xiàn)采用PCBN刀具車削(切削參數(shù)V=60~120m/min,f≤0.12mm/r,ap≤0.1mm,一班能加工400個(gè)小齒輪,此外,分?jǐn)偟矫總€(gè)齒輪的加工成本也有所下降。 

    高速切削,高穩(wěn)定性加工 
                
   在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上,灰鑄鐵缸體的缸孔精加工是關(guān)鍵工序之一,要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度值小、穩(wěn)定性好;由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快,要求切削速度高(通常V≥500m/min),刀具壽命長(加工孔數(shù)≥1000),且倒角、止口、粗精鏜等多個(gè)工位的刀片壽命均應(yīng)滿足耐用度要求。采用PCBN刀具即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工,其典型切削參數(shù)為:V=500m/min,f=0.2~0.4mm/r,ap=0.2~0.7mm;加工表面粗糙度Ra≤1.6μm ,刀具壽命>1,000件。 

    有色金屬的高速、高穩(wěn)定性、低粗糙度加工及鏡面加工 
                
    采用PCD刀具加工有色金屬時(shí),由于金剛石硬度高,表面與金屬親合力小,且刀具一般拋光成鏡面,不易產(chǎn)生積屑瘤,因此加工尺寸穩(wěn)定性及表面質(zhì)量都很好,刀具壽命也較長。 

    例如,采用PCD刀具加工電機(jī)整流子的紫銅換向器,典型切削參數(shù)為:V=300m/min,f=0.08mm/r,ap≤0.15mm,加工表面粗糙度Ra0.1~0.2µm,刀具壽命>5,000件,而采用硬質(zhì)合金刀具則只能加工幾件。 

    采用PCD刀具加工各種硅鋁合金零件,表面粗糙度Ra≤0.1µm,刀具壽命可達(dá)幾千~幾萬件,尤其適合汽車、摩托車零件的大規(guī)模生產(chǎn)。 

    采用單晶金剛石刀具,在超精密車床上可實(shí)現(xiàn)鏡面球形加工。機(jī)床采用超精密氣體靜壓主軸及回轉(zhuǎn)工作臺(tái),跳動(dòng)量≤0.3µm,工件采用高精度氣動(dòng)卡盤,可實(shí)現(xiàn)快速高精度定位。加工無氧銅材料時(shí),表面粗糙度Ra≤0.025µm,圓度≤0.3µm;加工鋁件時(shí),表面粗糙度Ra≤0.025µm。 

    干式切削,清潔化加工 
                
    采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套,切削參數(shù):V=200m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2~1mm,加工表面粗糙度Ra≤1.6µm,精度IT6,兩次刃磨間刀具壽命>100件,可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。由于采用干式切削,避免了切(磨)削液及砂輪灰對(duì)環(huán)境的污染,切屑也可回收再利用,符合清潔化生產(chǎn)要求。 

    以上所說的刀具價(jià)格比較貴一些小型生產(chǎn)廠家由于成本的問題不會(huì)去大量購買。 

   (三)我國的新型刀具
                
    這種添加稀土元素的硬質(zhì)合金是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學(xué)元素周期表中原子序數(shù)57~71(從La到Lu),再加上21和39(Sc和Y),共17個(gè)元素。將某些稀土元素,以一定方式,微量添加到傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金牌號(hào)中,即可有效地提高它們的機(jī)械性能與切削性能。我國稀土元素資源豐富,對(duì)稀土硬質(zhì)合金的研究開發(fā),領(lǐng)先于其他國家。已研制出下列牌號(hào)的刀具用稀土硬質(zhì)合金:YG8R(相當(dāng)于ISOK30級(jí)別)、YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R(P25)。還有礦山、地質(zhì)工具牌號(hào)YG11CR。 

    在YG8、YT14、YW1硬質(zhì)合金中添加了Ce、Y等稀土元素后,形成了稀土硬質(zhì)合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工;YT14R主要用鋼材的半精加工;YW1R則為通用牌號(hào),可用于各種工件材料的半精加工。 

    經(jīng)過測試,添加稀土元素后硬質(zhì)合金的組織比較致密;室溫硬度和高溫硬度有所改善;斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度顯著提高,分別提高20%和10%以上。 

    稀土元素在自然界蘊(yùn)藏豐富,價(jià)格不高,添加在硬質(zhì)合金中可以明顯地提高機(jī)械、物理性能和使用性能,故有廣闊的應(yīng)用前景。

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