圖1 通過提高生產(chǎn)效率、改善加工安全性、延長(zhǎng)刀具更加可預(yù)測(cè)的使用壽命，涂層可轉(zhuǎn)位刀片為改進(jìn)生產(chǎn)提供了更大的潛力。山特維克可樂滿研發(fā)的ISO P25新一代涂層鋼件車削材質(zhì)GC4325。
鋼件車削是加工的最大領(lǐng)域之一，幾乎所有車間都有該工序，這意味著鋼制零件不論材料種類、工件類型、工序類型和批量大小都有應(yīng)用。這主要用于ISO P25應(yīng)用區(qū)間的的零件加工，其加工條件由好到差，改進(jìn)加工性能至關(guān)重要。
自推出涂層可轉(zhuǎn)位刀片以來(lái)，一種刀片材質(zhì)一直是這種廣泛應(yīng)用的常規(guī)解決方案。P25材質(zhì)可持續(xù)改進(jìn)加工，這便是通用鋼件車削材質(zhì)，它還能優(yōu)化大量工序。
如今，通過刀具材料創(chuàng)新，性能顯著提高，這種創(chuàng)新前所未有，超過了以往任何一次類似的材質(zhì)提升。
最惡劣的環(huán)境
任何刀具的切削刃都會(huì)受熱受壓。切削過程中，工件材料接近切削刃的同時(shí)，首先在主切削刃吃刀。然后，在主切削刃之后，前刀面對(duì)鐵屑流起主要作用。能量大量傳遞的輔助剪切面，使材料達(dá)到屈服極限。鋼件車削中，合力大（1,400～3,100牛頓/平方毫米，隨鋼材類型不同而不同），溫度高（可達(dá)1,000攝氏度）。正是在鐵屑流動(dòng)區(qū)，測(cè)試刀具材料的能力，確定加工作業(yè)的主要影響。
切屑刃槽型與可轉(zhuǎn)位刀片上斷屑槽沿刃口線短距離的刀具材料組合決定了剪切應(yīng)力效果，因?yàn)檎麄€(gè)面上的切屑載荷集中，然后，帶走加工中產(chǎn)生的大部分熱量。摩擦是一個(gè)主要因素，因此鐵屑接觸面及刀片表面的紋理對(duì)性能起作重要作用。
鋼件加工鐵屑流動(dòng)區(qū)的磨損機(jī)理主要是化學(xué)熔化，有部分塑性變形傾向。擴(kuò)散磨損是高速切削的主要特征，同時(shí)還有磨蝕性磨損，主要發(fā)生在刀片的間隙面，這些磨損連續(xù)可控。鋼件車削一定要做到磨損連續(xù)可控，例如主要的塑性變形、熱裂和溝槽磨損。
鋼件車削
鋼件車削是全球最常見的加工應(yīng)用，很多金工車間都在使用。但是，由于使用多種材料，從非合金鋼、低合金鋼到高合金鋼，從軟粘性材料到硬磨性材料等等，物理性質(zhì)和條件千變?nèi)f化。棒材、管材、鍛件、鑄件、軋制、拉延、未處理、調(diào)質(zhì)和預(yù)加工工件的材質(zhì)不同，可加工性等級(jí)明顯不同。這些都屬于鋼件車削ISO P25應(yīng)用領(lǐng)域范圍。考慮到不同鋼件的不同磨損機(jī)理，采用一種刀片材質(zhì)不可能應(yīng)付全部的加工應(yīng)用。因此，整個(gè)領(lǐng)域（無(wú)論是小車間小批量生產(chǎn)還是大車間大批量生產(chǎn)）的生產(chǎn)類型不同，不可能采用相同的加工工藝。
但是，1970年以來(lái)，引進(jìn)涂層硬質(zhì)合金材質(zhì)，鋼件車削取得革命性的進(jìn)展。這些年來(lái)，先后研制了六代 P25材質(zhì)，持續(xù)不斷地改進(jìn)加工性能，大大提高生產(chǎn)制造效率。通過采用通用鋼件車削材質(zhì)，能對(duì)多種應(yīng)用加以優(yōu)化。第七代P25刀片材質(zhì)正在使性能升級(jí)。
研制出鋼件切削用新一代P25刀片材質(zhì)，完全改變了制造業(yè)游戲規(guī)則，這一點(diǎn)毫不夸張。這是切削刀具材料科學(xué)取得的重大進(jìn)展，可滿足現(xiàn)代生產(chǎn)需要，攻克多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)：刀具壽命可預(yù)見性，加工的安全性、零件質(zhì)量連續(xù)性以及更高的切削速度。
取得這種新成就，完全得益于對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀片密集和豐富的研發(fā)，不僅對(duì)材料科學(xué)，而且還對(duì)應(yīng)用分析和刀片制造工藝進(jìn)行了研究。在設(shè)計(jì)新型鋼件車削材質(zhì)時(shí)，需要評(píng)估和研究多種因素，其中包括原材料、硬質(zhì)顆?；旌衔?、粘合劑、顆粒度、基體梯度設(shè)計(jì)，更重要的是涂層技術(shù)。
圖2 各種低產(chǎn)量作業(yè)或大批量生產(chǎn)優(yōu)化可通用的GC4325刀片槽形、刀尖半徑、刀片尺寸和刀片形狀選擇范圍廣，結(jié)合材質(zhì)選擇，可提供新的優(yōu)化可能性。這種材質(zhì)是刀片涂層的突破性創(chuàng)新，通過新刃口處理工藝和可控制性的進(jìn)一步發(fā)展，刀片基體更加堅(jiān)固、更加平衡，進(jìn)一步研發(fā)刀片后處理過程，與現(xiàn)有研發(fā)途徑和制造因素相協(xié)調(diào)。
為何新刀具材料如此完美？
◎ 刀片基體更堅(jiān)韌，更加平衡；
◎ 刃口處理采用新工藝和新控制方法；
◎ 刀片涂層創(chuàng)新取得新突破；
◎ 進(jìn)一步研究后處理工藝；
◎ 協(xié)調(diào)現(xiàn)有所有因素。
刀片基體耐塑性變形的能力更高。刃口能經(jīng)受更高的溫度，而性能絲毫不減。新型基材梯度還可抑制微裂紋，改進(jìn)刃口線的耐用性。
為確保整個(gè)流動(dòng)區(qū)域更平穩(wěn)的切削作用，刃口處槽形和尺寸經(jīng)過定制。采用化學(xué)蒸汽沉積法（CVD）的氧化鋁涂層組織取得新突破。刃口線韌性更好，更耐磨，特別適合斷續(xù)切削，在很大程度上得益于新研制的后處理工藝。
所有這一切意味著刀具材料技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，結(jié)合新一代涂層刀片技術(shù)，從根本上解決了這種面廣多變、條件惡劣的加工領(lǐng)域的車削工具性能問題。
圖3 Inveio涂層是一種刀具材料技術(shù)的創(chuàng)新，使涂層刀片發(fā)生了根本變革，采用新CVD工藝，具有單向晶體取向，涂層組織更加強(qiáng)勁，更加均勻。出現(xiàn)的新特性對(duì)承受切削區(qū)域的力和溫度更有好處。使得刀片接觸表面更加耐用。GC4325刀片刃口線韌性更好，改進(jìn)了刀片性能的可預(yù)測(cè)性。刀具磨損連續(xù)可控，加工安全性很高、刀具使用壽命長(zhǎng)、切削速度快。
刀具材料主要?jiǎng)?chuàng)新之一是涂層組織和附著力。當(dāng)然，作為氧化物陶瓷的一部分并通過實(shí)踐證明，氧化鋁是一種成熟的刀具材料，成熟的涂料。這是一種很有效的刀片保護(hù)層，具有化學(xué)惰性，熱傳導(dǎo)性低，通過擴(kuò)散作用，月牙洼磨損抵抗能力很高。這種材料熔點(diǎn)在2000攝氏度以上，由于具有密排結(jié)晶組織，所以很硬。
迄今為止，傳統(tǒng)氧化鋁涂層具有隨機(jī)的晶體方向。而這些氧化鋁涂層具有滿意的加工性能，還可克服刃口線和前刀面惡劣條件引起的一些缺點(diǎn)。研究表面，如果實(shí)際晶體方向可控，很多切削刃特性也可控，更重要的是，已經(jīng)得到明顯改善。
圖4 ISO P25鋼件車削整個(gè)范圍內(nèi)，可加工性等級(jí)明顯不同。工件可以是棒材、管材、鍛件、鑄件、軋制、拉延、未處理、調(diào)質(zhì)和預(yù)加工工件。另外，鋼材類型隨工序和設(shè)置不同而明顯不同。GC4325在以前的GC4225基礎(chǔ)上，設(shè)定了鋼件車削的新標(biāo)準(zhǔn)。通過改善機(jī)床可利用性，增加每小時(shí)工件輸出量，提高生產(chǎn)效率。
Inveio涂層
Inveio涂層是一種氧化鋁、刀具材料技術(shù)的創(chuàng)新，具有單向非任意性晶體取向。整個(gè)CVD工藝中，采用統(tǒng)一方式，控制晶體生長(zhǎng)，才能夠做到這一點(diǎn)。通過所有的硬質(zhì)鋁合金晶體排列，采用相同方式，使得涂層組織更強(qiáng)、更加均勻，出現(xiàn)的新特性對(duì)承受流動(dòng)區(qū)域的力和溫度更有好處。實(shí)際上，已經(jīng)形成了嶄新的前刀面接觸表面。
緊密排列的原子平面，朝著與碎屑接觸的區(qū)域，具有更好的抗月牙洼磨損性——鋼件車削受熱受壓的主要擴(kuò)散磨損機(jī)理。鐵屑流動(dòng)區(qū)域沿晶體平面更加有效地散熱。另一種效應(yīng)是抗微裂紋能力。沿著水平方向最弱的部分形成裂紋，由于磨損較慢、均勻可控，涂層耐用性得到改善。
新效應(yīng)結(jié)合刀片最佳涂層附著力，還減少壓成片的“假性”月牙洼磨損。內(nèi)層涂層有精細(xì)的鈦碳氮化物組成，具有柱狀組織，堅(jiān)硬，抗磨蝕性磨損能力強(qiáng)的特點(diǎn)。實(shí)際上，延長(zhǎng)了刀具壽命、改善了加工安全性，提高了切削速度——這些都是制造業(yè)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。刀片刃口線決定了零件質(zhì)量和刃口損壞速率，現(xiàn)在更具有彈性，提高了刀片性能和加工零件的可預(yù)測(cè)性。
還受到影響的是連續(xù)磨損速率和不連續(xù)磨損速率之間的權(quán)衡取舍，以達(dá)到整個(gè)刀具使用壽命期間最大的安全性和較高的切削速度。加工過程中，在應(yīng)用鋼件車削刀片時(shí)，較硬的P15和較堅(jiān)韌的P35材質(zhì)之間的重疊區(qū)域?qū)⑹亲钚略u(píng)估的重點(diǎn)。這是因?yàn)樾碌腜25材質(zhì)可很好地解決當(dāng)前應(yīng)用部位之間的邊界線，提供最新的加工時(shí)機(jī)。另一個(gè)受到影響的因素是選擇刀片槽形、刀尖半徑、刀片尺寸和刀片形狀，以采用這些材質(zhì)。另外，毫無(wú)疑問，P25材質(zhì)將提供新的優(yōu)化可能性。
結(jié)論
總之，從多種生產(chǎn)方面來(lái)看，ISO P25 應(yīng)用領(lǐng)域的第七代涂層鋼件車削材質(zhì)帶來(lái)了新的加工潛力。嶄新的刀具材料性能是以前類似材料的兩倍。試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果證明，這是過去二十年使用的刀片材質(zhì)中最好的。無(wú)論是各種小批量生產(chǎn)，還是大批量生產(chǎn)的優(yōu)化，競(jìng)爭(zhēng)力都能得到明顯提高?！?/p>
