开发纳米涂层刀具 降低加工成本

    目前，各工具厂商都在大力开发涂层技术。如果仅仅局限于改进基体材料硬质合金和高速钢，并不能从原材料方面进一步改善刀具的性能，因此，只有开展优异的涂层材料，才能使刀具性能得到突破性的提高。

掌握涂层工艺的关键技术

    近10年来，工具行业已广泛采用TiAlN涂层，但仅仅对已有涂层工艺的改进，已不能满足当前用户对刀具性能提出的更高要求。
    鉴于此，日立工具公司提出了新的涂层概念，即促使镀膜晶体组织微细化。经过与欧洲工具厂商的共同研究，开发成功一种全新的涂层炉，该装置可生成由纳米级晶粒组成的镀膜，由此而出现了“纳米涂层”这一新的技术概念。“纳米”是lmm的百万分之一单位。迄今为止，日立工具公司是全世界首家成功开发如此微细化涂层技术的公司。由于晶粒达到纳米级微细程度，镀膜不会出现多孔间隙，这可大大抑制切削加工过程中镀膜出现氧化现象。不产生氧化，也就不会损伤刀具切削锋利度，同时，还可保持较长的使用寿命。

表1 PVD涂层各种镀膜的性能

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>涂层种类

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>TiN

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>TiCN

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>TiAlN

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>TH涂层

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>(TiSiN)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>CS涂层

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>(CrSiN)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>用途

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>一般钢的普通切削

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>一般钢的高速切削

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>高硬度钢(～55HRC)的切削

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>高硬度钢(50～70HRC)高速刻膜加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>易粘附的软钢SUS等的大进给切削

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>特点

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>不易剥落

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>硬度高

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>硬度高耐热性好

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>硬度高，抗高温性好

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>摩擦力小，不与铁产生粘附

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>晶体粒径

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>500nm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>300nm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100nm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>5nm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>5nm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>镀膜硬度(HV)(负重：9.8mN)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>2200

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>2800

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>2800

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>3600

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>2600

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>结合强度(划痕式硬度试验)Max：l00N

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100N

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>60N

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100N

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100N

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100N

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>氧化温度(据氧化深度换算)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>600℃

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>500 ℃

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>800℃

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>ll00℃

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>900℃

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>  

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>摩擦系数(μ)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.7

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.6

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.9

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.9

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.4

纳米涂层新型切削工具

    目前，采用纳米涂层技术开发出来的镀膜有两种，一种是以TiSiN为主要成分的“TH涂层”，一种是以CrSiN为主要成分的“CS涂层”。前者主要用于高硬度材料的加工，后者主要用于低硬度及软质材料的加工，这两种涂层刀具均已于2002年初投放市场。表l所示为PVD涂层各种镀膜的性能。
    “TH涂层”彻底改变了加工高硬度材料时，TiAlN系镀膜长期以来未能解决的镀膜氧化和硬度欠佳问题。TH镀膜表面有5nm级超细晶粒规则排列，高速加工时，可防止氧气进入镀膜内部，因此可有效抑制氧化发生。TH镀膜氧化起始温度为1100℃，硬度达3600HV，从而大大超过了TiAlN系镀膜性能，对各种极难加工的高硬度材料，均可进行稳定的高速刻模加工。图l所示为抗氧化性能比较。

图1 镀膜抗氧化性能比较

    “CS涂层”重点在降低摩擦系数，以便抑制在低硬度材料高速加工时切削刃出现的粘附问题。粘附严重，势必损伤加工表面质量，同时也会缩短刀具自身寿命。CS镀膜是在原用低摩擦系数涂层CrN的基础上，又添加Si。仅有CrN成分，在加工时氧化严重，添加Si并使镀膜晶粒微细化，从而大幅度降低了摩擦系数。用CrSiN涂层刀具加工铝及不锈钢等难加工材料时，效果极为显著。
    日立工具公司2002年7月又开发出一种以TiBoN为主要成分的新镀膜“TB涂层”，此种涂层虽然不是纳米涂层，但以B(硼)为主要成分的镀膜，在世界上尚属首创。TB镀膜也是以降低摩擦系数为目的，但与前述CS镀膜不同，它在高温条件下仍可保持优异的低摩擦特性，在每齿进给量超过lmm的重型强力切削等加工中，可大幅度抑制因高切削负荷带来的月牙洼磨损。nextpage

加工成本降低50％

    日立工具公司有关人士指出，新型镀膜“并非使工具延长寿命的涂层，而是一种旨在提高工具性能，从而大力缩短加工时间的镀膜”。

    在目前通货紧缩的情况下，应尽可能不增加用户的工作量，延长加工时间，采用小批量生产去创造效益，为此，关键的措施是必须使加工成本大幅度降低。生产成本中，工具费用仅占5％，电力及人工费用等加工费用占了生产成本的大部分。
    日立工具公司将新开发的工具应用在高性能机床上，在最佳的加工时段内进行生产，从而起到实实在在的降低加工成本的效果。该公司近期开展了一个让加工费用减少一半的“PRODUCTION 50”活动，并利用传统的加工费用计算公式，举出具体实例数据，显示出实际降低加工成本的效果。图2所示为工具费用对加工成本的影响，表2和表3为纳米涂层刀具对缩减加工成本的作用。

图2 刀具费用对加工成本的影响

表2 用TH涂层刀具高速加工拉伸模材料SKDll(60HRC)时加工费用缩减情况

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center> 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>原用刀具

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>TH涂层刀具

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>刀具尺寸(型号)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>ф8X6齿(TiAlN涂层)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>ф8×6齿(EPHT6080)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>切削速度(转速)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>23m／min(915r／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100m／min(3979r／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>进给量(进给速度)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.03mm／齿(165mm／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.05mm／齿(1194mm ／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>切深

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>Ad8mm ×Rd0.4mm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>Ad8mm×Rd0.4mm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>切削方式

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>干式，顺铣

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>干式，顺铣

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>加工时间

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>62.5min

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>8.6min

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>加工成本(以本试验刀具为准)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100％

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>46％

表3 用CS涂层刀具高速加工塑料模具材料PXZ时加工费用缩减情况

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center> 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>原用刀具

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>CS涂层刀具

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>刀具尺寸(型号)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>ф10×R5(TiAlN涂层)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>фl0×R5(EPBC2100)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>切削速度(转速)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>94m／min(2992r／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>298m／min(9500r／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>进给量(进给速度)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.13mn／齿(778mm／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>0.16mm／齿(2950mm／min)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>切深

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>Ad0.2mm×P50.45mm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>Ad0.2mm×P50.3mm

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>切削方式

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>油性切削液

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>油性切削液

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>加工时间

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>64.3min

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>16.9min

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>加工成本

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>(以本试验刀具为准)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>100％

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center” align=center>64％

    工具行业为了满足用户希望降低工具费用的要求，大都着力在如何削减刀具的价格，而“PRODUC．TION 50”的最大特点，并不是降低刀具的价格。日立工具公司认为，在不降低刀具价格的前提下，使用该公司的工具产品，仍能获得良好效益。从流通方面来看，不降低工具价格，可保证经销商有较高的盈利率，工具生产商也可获得良好收益。可见“PRODUCTION 50”不仅对用户有利，对制造商、经销商也同样有好处。该公司认为“PRODUCTION 50”是一种“一举三得”的“多赢”指标。公司对此进行了广泛的调研活动，结果表明，目前在机械加工行业内对该公司的这种理念尚未全面认同，“多赢”效果的体现也需要时间来证实；当前，仍有不少用户舍不得在工具方面稍微追加一些费用，对盈利率的理解也尚未完全统一。因此，该公司倡导的“减少加工费用50％”的活动，目前还处于起动阶段。

追求高效益

    日立工具公司认为，任何一种工具都不能满足一切用户的需求，价格低廉的产品是这样，功能、价格很高的产品也是如此，它们都有自己特定的适用领域。高效益的工具，必然面向追求高效益的用户。该公司今后拟大力采用纳米涂层技术，开发更多高性能的工具制品；迄今尚未采用新型涂层的部分产品，将逐步改用新型涂层，计划到2004年末，公司工具制品将全部采用新型涂层。纳米涂层技术除用于工具制品外，目前正在探讨如何有效地将其用于模具及其他零件的表面处理。