開發納米涂層刀具,降低加工成本
目前,各工具廠商都在大力開發涂層技術。如果僅僅局限于改進基體材料硬質合金和高速鋼,并不能從原材料方面進一步改善刀具的性能,因此,只有開展優異的涂層材料,才能使刀具性能得到突破性的提高。
掌握涂層工藝的關鍵技術
近10年來,工具行業已廣泛采用TiAlN涂層,但僅僅對已有涂層工藝的改進,已不能滿足當前用戶對刀具性能提出的更高要求。
鑒于此,日立工具公司提出了新的涂層概念,即促使鍍膜晶體組織微細化。經過與歐洲工具廠商的共同研究,開發成功一種全新的涂層爐,該裝置可生成由納米級晶粒組成的鍍膜,由此而出現了“納米涂層”這一新的技術概念。“納米”是1mm的百萬分之一單位。迄今為止,日立工具公司是全世界首家成功開發如此微細化涂層技術的公司。由于晶粒達到納米級微細程度,鍍膜不會出現多孔間隙,這可大大抑制切削加工過程中鍍膜出現氧化現象。不產生氧化,也就不會損傷刀具切削鋒利度,同時,還可保持較長的使用壽命。
納米涂層新型切削工具
目前,采用納米涂層技術開發出來的鍍膜有兩種,一種是以TiSiN為主要成分的“TH涂層”,一種是以CrSiN為主要成分的“CS涂層”。前者主要用于高硬度材料的加工,后者主要用于低硬度及軟質材料的加工,這兩種涂層刀具均已于2002年初投放市場。表1所示為PVD涂層各種鍍膜的性能。
表1 PVD涂層各種鍍膜的性能
“TH涂層”徹底改變了加工高硬度材料時,TiAlN系鍍膜長期以來未能解決的鍍膜氧化和硬度欠佳問題。TH鍍膜表面有5nm級超細晶粒規則排列,高速加工時,可防止氧氣進入鍍膜內部,因此可有效抑制氧化發生。TH鍍膜氧化起始溫度為1100℃,硬度達3600HV,從而大大超過了TiAlN系鍍膜性能,對各種極難加工的高硬度材料,均可進行穩定的高速刻模加工。
“CS涂層”重點在降低摩擦系數,以便抑制在低硬度材料高速加工時切削刃出現的粘附問題。粘附嚴重,勢必損傷加工表面質量,同時也會縮短刀具自身壽命。CS鍍膜是在原用低摩擦系數涂層CrN的基礎上,又添加Si。僅有CrN成分,在加工時氧化嚴重,添加Si并使鍍膜晶粒微細化,從而大幅度降低了摩擦系數。用CrSiN涂層刀具加工鋁及不銹鋼等難加工材料時,效果極為顯著
日立工具公司2002年7月又開發出一種以TiBoN為主要成分的新鍍膜“TB涂層”,此種涂層雖然不是納米涂層,但以B(硼)為主要成分的鍍膜,在世界上尚屬首創。TB鍍膜也是以降低摩擦系數為目的,但與前述CS鍍膜不同,它在高溫條件下仍可保持優異的低摩擦特性,在每齒進給量超過1mm的重型強力切削等加工中,可大幅度抑制因高切削負荷帶來的月牙洼磨損。 加工成本降低50%
日立工具公司有關人士指出,新型鍍膜“并非使工具延長壽命的涂層,而是一種旨在提高工具性能,從而大力縮短加工時間的鍍膜”。
在目前通貨緊縮的情況下,應盡可能不增加用戶的工作量,延長加工時間,采用小批量生產去創造效益,為此,關鍵的措施是必須使加工成本大幅度降低。生產成本中,工具費用僅占5%,電力及人工費用等加工費用占了生產成本的大部分。
日立工具公司將新開發的工具應用在高性能機床上,在最佳的加工時段內進行生產,從而起到實實在在的降低加工成本的效果。該公司近期開展了一個讓加工費用減少一半的“PRODUCTION 50”活動,并利用傳統的加工費用計算公式,舉出具體實例數據,顯示出實際降低加工成本的效果。表2和表3為納米涂層刀具對縮減加工成本的作用。
表2 用TH涂層刀具高速加工拉伸模材料SKD11(60HRC)時加工費用縮減情況
表3 用CS涂層刀具高速加工塑料模具材料PXZ時加工費用縮減情況
工具行業為了滿足用戶希望降低工具費用的要求,大都著力在如何削減刀具的價格,而“PRODUCTION 50”的最大特點,并不是降低刀具的價格。日立工具公司認為,在不降低刀具價格的前提下,使用該公司的工具產品,仍能獲得良好效益。從流通方面來看,不降低工具價格,可保證經銷商有較高的盈利率,工具生產商也可獲得良好收益。可見“PRODUCTION 50”不僅對用戶有利,對制造商、經銷商也同樣有好處。該公司認為“PRODUCTION 50”是一種“一舉三得”的“多贏”指標。公司對此進行了廣泛的調研活動,結果表明,目前在機械加工行業內對該公司的這種理念尚未全面認同,“多贏”效果的體現也需要時間來證實;當前,仍有不少用戶舍不得在工具方面稍微追加一些費用,對盈利率的理解也尚未完全統一。因此,該公司倡導的“減少加工費用50%”的活動,目前還處于起動階段。
追求高效益
日立工具公司認為,任何一種工具都不能滿足一切用戶的需求,價格低廉的產品是這樣,功能、價格很高的產品也是如此,它們都有自己特定的適用領域。高效益的工具,必然面向追求高效益的用戶。該公司今后擬大力采用納米涂層技術,開發更多高性能的工具制品;迄今尚未采用新型涂層的部分產品,將逐步改用新型涂層,計劃到2004年末,公司工具制品將全部采用新型涂層。納米涂層技術除用于工具制品外,目前正在探討如何有效地將其用于模具及其他零件的表面處理。
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