日本住友电工开发的几种切削刀具新产品

    为了保护环境、降低能耗，满足高速、高效、高硬度、高精度及干式切削加工的迫切需求，日本住友电工硬质合金工具公司应用先进的纳米技术、独立研发的PVD涂层技术以及超硬材料技术，开发了适用于高速干式切削加工的超级ZX涂层硬质合金刀具、分别用于高速切削和高精度切削淬硬钢的SUMIBORON-BNC100/BNC160立方氮化硼刀具、高速切削加工模具用SUMIBORON精密标准模具立铣刀。现分别简介如下。

    超级ZX涂层硬质合金刀具

    （1）适用范围

    超级ZX涂层具有优良的耐热性能（抗氧化性能）和高温耐磨性能，适用于钢、不锈钢、铸铁等的高速干式铣削加工，是一种先进的涂层新技术。

    （2）涂层特点

    超级ZX涂层是一种应用纳米技术和独立研发的PVD新技术，使每层厚度为纳米级的TiAlN和AlCrN超薄涂层交互层叠形成约1000层的超多层涂层。

    对超级ZX涂层与原有涂层的物理性能进行了对比。涂层硬度是采用毫微压痕法，在涂层斜断面加载19.6mN的测量荷重测得的，原有涂层的硬度为40GPa，而超级ZX涂层的硬度则高出约40%，达到56GPa；残余压应力是根据sin2法，将渗入厚度调整到一定深度，在BL16XU大型放射光装置（Spring-8）上进行测量，由测量结果可知，涂层中的应力水平从基体向表面呈梯度增大，在距表面2.3m处压应力最大，达到2.7GPa，应力在深度方向的变化是根据涂层的生成调整涂覆条件的结果；涂层中的平均残余压应力也达到1.9GPa，比原有涂层大1.2GPa。涂层的氧化特性是用TG-DTA（热重量测量示差热分析）法来评价的。超级ZX涂层的开始氧化温度较原有涂层提高了约200℃。从在950℃空气中保持30min后缓慢冷却的样品表面观察结果来看，原有涂层刀片的氧化非常显著，已到达刀片基体材料；而超级ZX涂层刀片的外观仍维持试前状态，氧化在涂层最外表面停止。涂层的结合强度是采用声发射（AE）划痕试验法，在涂层剥离临界载荷重量作用下进行划痕试验来测定的。从试验结果来看，在涂层硬度和残余应力都很高的前提下，超级ZX涂层的结合强度与原有涂层几乎相同，只略高一些。

    （3）切削性能

    ①适用刀具材质

    采用超级ZX涂层、用于铣削加工的刀具新材质ACP200/300适用范围较广，涵盖了从钢至不锈钢的工件材料；ACK300则是用于铣削铸铁的刀具新材质。

    ②WEX型波形刃立铣刀的切削性能

    采用超级ZX涂层的刀具材质ACP200/300、ACK300及刀尖可换式WEX型波形刃立铣刀已经实现产品化。WEX300型波形刃铣刀是一种能获得高质量加工面、具有高可靠性、可用于精加工的刀尖可换式高效立铣刀。

    加工实例1为螺旋加工（ф40扩大到ф50），切削条件为：工件材料：高张力钢（WELTEN780），刀具：WEX3032E(ф32，z=3)，刀片：AXMT170508PEER-G(ACP200)，切削速度：v=100m/min，进给速度：f=0.1mm/齿，Rd=32mm，Ad=6mm×6次，干切。结果表明：用其他公司PVD材质刀具加工3个工件后，刀具损伤较大，在加工第4个工件时，刀具发生崩损；而使用ACP200材质刀具加工4个工件后，刀具损伤很小，提高了刀具寿命。

    在加工实例2中，切削条件为：工件材料：合金工具钢SKT4（HRC40），刀具：WEX3080F(ф80，z=7)，刀片：AXMT170508PEER-G(ACP200)，切削速度：v=75m/min，进给速度：f=0.19mm/齿，Rd=80mm，Ad=5mm，干切。结果表明：与其他公司PVD材质刀具相比，ACP200刀具切削声音小、状态良好，即使将切削条件提高约2倍，也能实现稳定的切削加工，加工表面质量良好，可获得光洁的加工面。

    由此可知，与目前加工中常用的TiAlN涂层刀具相比，超级ZX涂层刀具寿命可提高1倍以上，由于提高了刀尖耐磨性（即刀具的可靠性），因此能够承担高速、高效切削加工。

    高速加工和高精度加工淬硬钢用SUMIBORON-BNC100/BNC160

    （1）适用范围

    BCN100即使在300m/min的切削速度下也具有优异的耐磨性能，可用于淬硬钢的高速切削加工；BNC160适用于过去只能磨削加工、尺寸精度达IT6级、表面粗糙度Rz=1.6m的淬硬钢高精度切削加工。

    （2）刀具特点

    BNC100和BNC160是以结合相耐热性能优良、耐磨性和抗崩刃性大幅提高的CBN作为基体，其上涂覆以TiAlN和TiCN为主要成分的特殊陶瓷类涂层，从而具有优异的耐磨性和稳定的表面粗糙度。刀尖的技术规格见表3。通过合理匹配组合标准型刀尖、重视切削性能的LS型刀尖和高强度的HS型刀尖，就能在各种不同的加工中，最大限度地发挥新材质的切削性能。

    （3）切削性能

    与原来用于高速加工的BNX10、BNC150相比，BNC100具有优异的耐磨性能和抗崩刃性能，在高速切削加工中显示出更长的刀具寿命。

    BNC100的加工实例（①刀具型号：4NC-CNGA120408；工件材料：SCM415(HRC58－62)圆棒；切削条件：Vc=250m/min，ap=0.1mm，f=0.1mm/r，干切；②刀具型号：4NC-DNGA150412；工件：行星齿轮 (渗碳钢，HRC61－65)；切削条件：Vc=250m/min，f=0.05mm/r，ap=0.05mm，湿切）表明：以Vc=250m/min高速切削行星齿轮内孔连续部分时，其刀具寿命（切削长度）超过了40km。

    BNC160的切削性能表明，与原来用于高精度加工的BNC80相比，BNC160耐磨性能优异，加工表面粗糙度可达2m。与BNC80相比，BNC160耐磨性能优异，直径尺寸变化小，并可稳定获得IT6级加工精度。BNC160的加工实例（刀具型号：4NC-CNGA120408；工件材料：渗碳钢（HRC58－62）；切削条件：Vc=200m/min，f=0.05mm/r，d=0.1mm；干切）表明，在切削加工表面粗糙度为1.6m的轴时，由于BNC160优异的耐磨性，获得了较长的刀具寿命。

    高速、高精度加工模具用SUMIBORON精密立铣刀

    （1）适用范围

    随着
加工中心主轴高速化，模具高效加工技术发展很快。过去，高速钢立铣刀曾经是模具加工的主流刀具。当机床主轴最高转速超过每分钟1万转后，涂层硬质合金立铣刀就成为了模具加工的主流刀具。现在，加工中心的主轴最高转速已达到每分钟4－6万转，可以预期，CBN立铣刀必将成为主流刀具。与涂层硬质合金立铣刀相比，CBN立铣刀在刀具寿命、加工表面质量等方面具有压倒优势。由于CBN传热性好，能够抑制切削温度的升高，可在喷雾冷却润滑和干式切削条件下进行高速切削，因此在保护环境方面也具有明显优势。为了适应模具高速切削加工的需求，住友电工硬质合金工具公司开发了小直径CBN球头立铣刀BNBP型模具精铣刀，这是一种R0.2－1.0mm的长颈型球头立铣刀，适合深模腔加工。

    （2）刀具特点

    众所周知，与硬质合金和高速钢相比，CBN具有更高的硬度和热传导率，适合高硬度钢的切削加工，但由于其韧性较差，在断续切削负荷作用下刀尖容易崩刃。为了提高BNBP型模具精铣刀的抗崩刃性能，采用了大幅度提高CBN烧结体强度的SUMIBORON新材料和40°大负前角刀尖形状的优化组合，使其抗崩刃性能显著提高（与硬质合金近似）。因此，BNBP型模具精铣刀可实现对高硬度模具稳定的高精度加工。

    （3）切削性能

    在加工中心上用R0.3球头立铣刀切削加工移动电话用钮扣型模具时（工件材料：STAVAX；N=36000r/min，Vf=500m/min，ap=0.03mm，Pf=0.02mm；油雾冷却润滑），涂层硬质合金球头立铣刀从加工完第一个模具后，刀具磨损开始增大，加工完第二个模具时，刀具磨损宽度超过0.03mm，模具上出现毛刺，刀具达到使用寿命；而CBN球头立铣刀产生初始磨损后，磨损宽度几乎没有增大，加工6个模具后加工面仍未产生毛刺，也未出现挤碎缺陷，加工面保持良好，刀具仍可继续加工。虽然可以进行干式铣削，但为了延长刀具使用寿命，推荐采用喷雾冷却铣削加工。

    在加工中心上用CBN球头立铣刀切削加工粉末冶金高速钢（HRC63）锥齿轮模具时，总加工时间为2小时28分。对于粉末高速钢这种高硬度材料，如果用涂层硬质合金刀具进行粗加工，会加快、加大刀具磨损，产生粗糙的加工表面，如果在半精加工和精加工中不能去除粗糙表面上的凹凸，模具精度就得不到保障。如果从粗加工开始就采用CBN刀具，就能制造出高精度模具。

    与涂层硬质合金立铣刀相比，CBN立铣刀在耐磨性能上具有压倒性优势，可在高速条件下加工高硬度、高精度模具，能大幅度提高加工效率，同时获得优质加工表面，从而可以大幅度缩短后续精磨时间，使高性能、高硬度的粉末高速钢也能实现高效加工。

    综上所述，使用超级ZX涂层刀具能够实现钢、不锈钢、铸铁等的高速干式铣削加工；使用SUMIBORON BNC100/BNC160和精密模具立铣刀能够实现淬硬钢的高速切削加工、高精度切削加工。这些新技术、新产品的应用可降低功率消耗、减少工业污染，为节能减排、保护环境和降低生产成本作出贡献。