加工刀紋

產(chǎn)品和機(jī)床

有著人造板機(jī)械行業(yè)技能“珠峰”美譽(yù)的連續(xù)壓機(jī)的重要零件熱壓板，其韌硬資料耐熱合金鋼硬度要求400HB以上；具有7 000mm×2 650mm（長(zhǎng)×寬）的大平面標(biāo)準(zhǔn)和橫向平面度0.015mm/全長(zhǎng)一級(jí)平板、縱向平面度0.1mm/全長(zhǎng)三級(jí)平板、厚度公役±0.03mm、表面粗糙度值Ra＝0.8μｍ以下的要求。因而成為規(guī)劃中的重中之重，工藝中的難中之難。如圖１所示。              

加工重任落在了“精密、大型、數(shù)控”機(jī)床之一沈陽(yáng)機(jī)床12m數(shù)控龍門銑床上，啟用二年的技改項(xiàng)目12m數(shù)控龍門銑床已過磨合期進(jìn)入精度”平板特點(diǎn)的熱壓板是對(duì)機(jī)床精度的一次實(shí)例查驗(yàn)，但即便在試切加工之初，問題就頻出，加工后的平面有正紋、網(wǎng)紋、反紋、接刀和橢圓內(nèi)凹等表面質(zhì)量差、平面度精度不合格等現(xiàn)象，硬質(zhì)合金刀具，所以課題攻關(guān)在所難免。

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機(jī)床精度成因

12m數(shù)控龍門銑床精度由4根軸（即線軌X、橫梁Y、滑枕Z和主軸S）及互相間的幾何公役構(gòu)成。

（1）機(jī)床的XY平面由兩根直線導(dǎo)軌組成，因?yàn)槟軌蜻x用的水平儀和準(zhǔn)直儀并根底可調(diào)，其XY平面的水平度和X軸的直線度是可調(diào)整項(xiàng)，依托調(diào)整能夠確保達(dá)到較高的精度，一起它也是其他平面和軸的基準(zhǔn)，為重要。是熱壓板縱向平面度0.1mm的確保。

（2）機(jī)床的橫梁Y軸，一是要求與XY平面平行，因?yàn)闄M梁自重下?lián)虾皖A(yù)留磨損，Y軸被規(guī)劃成單波中高，所以這項(xiàng)精度是不行調(diào)整項(xiàng)，依托Y軸的中高操控和立柱的等高加工確保平行，是熱壓板橫向平面度0.015mm和厚度±0.03mm的確保；二是與X軸的筆直，此項(xiàng)是可調(diào)整項(xiàng)，經(jīng)過調(diào)整來確保精度。

（3）機(jī)床的滑枕Z軸，有著與XY平面雙向筆直的要求，即Z軸在XZ平面內(nèi)與XY平面的筆直度，此項(xiàng)為不行調(diào)整項(xiàng)，硬質(zhì)合金刀具價(jià)格，依托加工確保精度，Z軸在YZ軸平面內(nèi)與XY平面的筆直度是可調(diào)整項(xiàng)，依托調(diào)整來確保精度。

（4）機(jī)床的主軸S軸，也有著與Z軸雙向平行的要求，即S軸在XZ平面與Z軸平行，S軸在YZ平面內(nèi)與Z軸平行，此兩項(xiàng)為不行調(diào)整項(xiàng)，有必要依托加工確保。

從以上剖析可出看出：①工件容易實(shí)現(xiàn)精度的定位是XY平面和X軸，也是機(jī)床悉數(shù)精度的基準(zhǔn)。②因?yàn)椴恍姓{(diào)整項(xiàng)依托機(jī)床制造進(jìn)程加工確保，所以機(jī)床是否的要點(diǎn)是對(duì)不行調(diào)整項(xiàng)精度的進(jìn)程檢測(cè)和鏟刮研修，杜絕終究插補(bǔ)修整的貓膩。③要點(diǎn)操控Y軸微量（＜0.02mm）中高單波型線。④在S軸和Z軸的調(diào)整次序上，單從大面加工和接刀來說，在調(diào)整與XY平面的雙向筆直度時(shí)以S軸為優(yōu)先。⑤充沛依托可調(diào)整項(xiàng)的可調(diào)整，經(jīng)過檢測(cè)和觀察加工刀紋，彌補(bǔ)進(jìn)步機(jī)床精度。

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從刀紋窺破機(jī)床精度

因?yàn)闄C(jī)床的在時(shí)效中不知不覺失掉，在熱壓板加工之初，在大平面構(gòu)成了一些較為典型的刀紋和接刀亂象，經(jīng)過觀察從中能夠剖析機(jī)床精度問題和成因。如圖2所示。

（1）正紋。由刀盤正傾引起，正紋加工的長(zhǎng)處是刀紋一致漂亮、后不拖刀單次切削、刀具磨損少，缺陷是因?yàn)榈侗P歪斜，刀路中心構(gòu)成橢圓內(nèi)凹。

（2）反紋。由刀盤負(fù)傾引起，反紋加工的缺陷是后拖刀兩次切削、刀具磨損大，同樣因?yàn)榈侗P歪斜，刀路中心構(gòu)成橢圓內(nèi)凹。

（3）網(wǎng)紋。由刀盤傾角為0時(shí)引起，是真實(shí)的平面加工，但缺陷是網(wǎng)紋較亂不漂亮，也有拖刀磨損。

（4）接刀。在粗加工時(shí)能夠是切削反彈、熱變形等要素引起，但在精加工時(shí)一定也有刀盤的歪斜原因，構(gòu)成臺(tái)階型接刀，嚴(yán)重時(shí)破壞了平面度、表面粗糙度和漂亮度。而刀盤歪斜實(shí)際上是由S軸與XY平面雙向筆直度引起，那么是哪些終究要素導(dǎo)致的呢？而如何只構(gòu)成有利的正紋減磨、微接刀和小凹面，是咱們觀察和剖析刀紋后要揣度和解決進(jìn)步機(jī)床精度問題的所在。

從圖2能夠看出刀紋從正紋、網(wǎng)紋及反紋的改變，其實(shí)暗示出Y軸的爬高落低的曲折走向，在對(duì)Y軸的準(zhǔn)直丈量中發(fā)現(xiàn)如圖的折線改變，Y軸直線差錯(cuò)并不大于0.03mm，但其折線特征使刀盤歪斜卻是刀紋構(gòu)成亂紋的原因，因?yàn)閅軸的直線度是不行調(diào)整項(xiàng)，有必要經(jīng)過機(jī)械批改，一起可微量加大刀盤在YZ平面內(nèi)的正傾角，確保全長(zhǎng)構(gòu)成的正刀紋。

從圖3咱們能夠看出接刀痕是臺(tái)階型，其實(shí)暗示由刀盤歪斜即S軸在XZ平面內(nèi)與XY平面不筆直引起的，在甩表丈量中也證實(shí)了此項(xiàng)差錯(cuò)的存在，而刀盤越大，臺(tái)階越大。因?yàn)榇隧?xiàng)精度也是死項(xiàng)，有必要經(jīng)過機(jī)械批改，因?yàn)闊o法悉數(shù)消滅筆直度差錯(cuò)，微量加大刀盤在YZ平面內(nèi)的正傾角，一是構(gòu)成一個(gè)方向的正紋；二是構(gòu)成相鄰兩內(nèi)凹橢圓，確保為微量相交型手感光滑的接刀，涂層硬質(zhì)合金刀具，也能夠看出，如果相鄰刀路重合越多，接刀高度就越小，在1/2重合時(shí)蕞小。

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效果和定論

（1）一個(gè)合格的技師應(yīng)該熟悉和掌握機(jī)床精度的成因和各軸的精度凹凸次序，并能在加工刀紋和接刀痕中判斷出影響機(jī)床精度的要素所在，經(jīng)過反饋保護(hù)機(jī)床至狀態(tài)，作出習(xí)慣機(jī)床精度的定位和走刀方向挑選，進(jìn)步產(chǎn)品加工質(zhì)量。

（2）在熱壓板大平面加工的實(shí)例中，首先要檢測(cè)和操控Y軸直線度和曲線類型，確保其中高不大于0.02mm的單波弧線，確保主軸S在XZ平面內(nèi)與XY平面的筆直度在0.008mm之內(nèi)，并適當(dāng)調(diào)整主軸S在YZ平面內(nèi)與XY平面的筆直度，有意使其微量正傾，結(jié)合鎖定Z軸、Y軸向進(jìn)刀單向、相鄰刀路重合足夠大等辦法，從而構(gòu)成質(zhì)量較高的正紋和微量相交型平滑接刀痕的XY平面加工。

（3）裝上角銑頭，首先留意其雙向筆直也是不行調(diào)整項(xiàng)。然后同樣能夠推理在XZ和YZ平面加工中機(jī)床精度與刀紋和接刀的關(guān)系，舉一反三，快速找到問題和進(jìn)步產(chǎn)品質(zhì)量的辦法。

（4）課題攻關(guān)的終究效果是經(jīng)過刀紋剖析，得到機(jī)床精度問題的斷定和修正，從而使得熱壓板的平面加工順暢達(dá)到規(guī)劃要求。

在德國(guó)刀具制作商Horn公司每?jī)赡昱e辦一次的“技術(shù)開放日”上，媒體記者獲邀參觀了該公司坐落德國(guó)圖賓根市的硬質(zhì)合金刀片毛坯生產(chǎn)線，親眼見證了用包含多種不同成分的混合粉料生產(chǎn)可轉(zhuǎn)位刀片的全進(jìn)程。

Horn公司生產(chǎn)的各種刀具產(chǎn)品（如銑刀、車刀、拉刀、鉸刀等）廣泛采用了可轉(zhuǎn)位刀片。圖1中的旋轉(zhuǎn)展臺(tái)展示了該公司蕞新開發(fā)的一些立異產(chǎn)品，包含圓柄和削柄25A端面切槽體系、用于S100內(nèi)冷卻車削刀片的新式刀夾等。

圖1

Horn公司在世界各地的刀具生產(chǎn)廠都能夠?qū)Y(jié)而成的刀片進(jìn)行刃磨成形加工，但一切的刀片毛坯都來自坐落圖賓根的Horn

Hartstoffe硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠。制坯工藝的地一步是將不同配比的碳化物、結(jié)合劑資料（如鈷和鉭）以及后續(xù)加工所需的添加劑經(jīng)精密稱量后制成混合粉料（圖2）。在冶金實(shí)驗(yàn)室對(duì)質(zhì)料進(jìn)行的檢驗(yàn)檢測(cè)后，對(duì)其進(jìn)行攪拌混合，直至達(dá)到所要求的濃度，然后送至下一道工序，用三種成型辦法（軸向壓制成型、擠出成型或打針成型）之一進(jìn)行毛坯成型加工。

圖2

如果刀片的形狀比較簡(jiǎn)單，一般可采用如圖3所示的電動(dòng)軸向壓坯機(jī)壓制成型。這種常用的刀片壓制辦法是將粉料放入模具之中，經(jīng)過單向或雙向加壓，壓制出終究形狀。雖然該辦法比其他成型辦法更簡(jiǎn)潔（如在燒結(jié)前無需參加添加劑），但卻不適合壓制較雜亂的刀片形狀，因?yàn)榈镀撃；蛟S比較困難（或許完全無法脫模）。Horn公司這臺(tái)壓坯機(jī)采用了機(jī)器人自動(dòng)裝料/卸件設(shè)備（見壓坯機(jī)左側(cè)）。

圖3

形狀較雜亂的刀片一般是在如圖4所示的活塞式擠出成型機(jī)上成型。該機(jī)推擠原資料經(jīng)過一個(gè)模具而取得所需的形狀。值得注意的是，利用浮動(dòng)芯軸銷，能夠在刀片毛坯內(nèi)部構(gòu)成內(nèi)冷卻通道。在擠出成型機(jī)下部能夠看到，硬質(zhì)合金刀具修磨，構(gòu)成的生坯呈長(zhǎng)條狀，還需要將其切成所需長(zhǎng)度，經(jīng)過清潔后再送去進(jìn)行預(yù)燒結(jié)和燒結(jié)。

圖4

用于擠出成型的粉料中含有各種蠟和其他添加劑，這些添加劑可使加工出的刀片生坯具有延展性并呈橡膠狀（見圖5），這些長(zhǎng)條形生坯還要切成所需尺度，并在后續(xù)工序中成型。隨后，這些添加劑將在預(yù)燒結(jié)工序中予以去除。

圖5

Horn公司還開發(fā)了一種用于大批量生產(chǎn)雜亂形狀刀片毛坯的金屬打針成型工藝（圖6所示為兩個(gè)裝在流道上的刀片的3D設(shè)計(jì)圖）。該工藝所用的打針成型機(jī)能夠設(shè)置超過5000種不同的工藝參數(shù)和變量。注入資料的體積范圍為0.2－20 cm3，打針?biāo)俣葹?m/sec，打針壓力蕞大可達(dá)2，200bar，模具重量范圍為150－200kg。

圖6

與打針成型機(jī)、壓坯機(jī)和擠出成型機(jī)相鄰的工區(qū)（見圖7）專門擔(dān)任為硬質(zhì)合金刀片生產(chǎn)線制作東西和夾具。為此，Horn公司裝備了電火花加工機(jī)床、車床、三軸和五軸銑床、平面磨床和坐標(biāo)磨床等機(jī)床，以及微噴砂體系、激光測(cè)量?jī)x和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等設(shè)備。

圖7

用擠出成型機(jī)或打針成型機(jī)成型的刀片生坯經(jīng)過清潔后，還必須進(jìn)行預(yù)燒結(jié)。這道工序耗時(shí)2－4天，生坯要在氫氣氛爐中逐步加熱到850℃左右，使其中的各種添加劑受熱揮發(fā)，并使生坯預(yù)固化。刀片毛坯經(jīng)過預(yù)燒結(jié)后，即可進(jìn)入燒結(jié)階段（用軸向壓坯機(jī)成型的毛坯無需預(yù)燒結(jié)，可直接進(jìn)行燒結(jié)）。經(jīng)過在1，350℃－1，550℃的高溫文可達(dá)100bar的氣體壓力下進(jìn)行燒結(jié)，刀片資料即可取得其終究的物理性能。在燒結(jié)進(jìn)程中，資料部分呈液相狀況，碳化物以相同的方法重新排列，構(gòu)成無孔隙的同質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，燒結(jié)后刀片的體積大約會(huì)比燒結(jié)前縮小20％－22％（見圖8）。整個(gè)燒結(jié)進(jìn)程大約需要持續(xù)20小時(shí)才干完結(jié)。

圖8

經(jīng)過一系列計(jì)量室測(cè)試和質(zhì)量控制程序（包含掃描電鏡檢測(cè)、維氏硬度檢測(cè)、密度檢測(cè)、磁飽和度檢測(cè)等）之后，各批制品刀片毛坯將從硬質(zhì)合金工廠運(yùn)送到同樣坐落Horn工業(yè)園區(qū)的刀具生產(chǎn)廠，并在那里的專用磨床（見圖9）上刃磨出刀片的終究形狀。DMG/森精機(jī)公司專門為Horn公司提供的銑床渠道也能夠滿意其刀具刃磨的特定需求。Horn刀具生產(chǎn)廠的加工機(jī)床總數(shù)超過200臺(tái)，這些機(jī)床均按所加工的刀片類型分組。

圖9

圖10所示為Horn公司員工將刃磨好的刀片置于夾具上，準(zhǔn)備對(duì)其進(jìn)行清潔和噴砂處理。處理完畢后，再將這些夾具移至涂層爐中（Horn公司共有8臺(tái)涂層爐）進(jìn)行PVD或CVD涂層。完結(jié)涂層工序后，制品刀片就能夠包裝發(fā)貨了。

圖10

圖11所示為Horn公司生產(chǎn)夾持刀片的刀體和刀夾的加工車間。

圖11

Horn公司從事各種刀片生產(chǎn)任務(wù)的許多員工都曾參加過企業(yè)自己的學(xué)徒訓(xùn)練計(jì)劃。圖12中正在操作五軸加工中心的學(xué)徒已處于訓(xùn)練的高及階段。在參與手動(dòng)和數(shù)控加工之前，學(xué)徒們先要學(xué)習(xí)一些基本技能（如整理文檔）。

非晶合金涂層在加工刀具上的應(yīng)用

       近年來，跟著研討的不斷深入，加工技能高質(zhì)量、低能耗的特色逐漸受到重視，并在航空航天范疇得到廣泛應(yīng)用。加工技能包括加工機(jī)床、加工刀具和加工工藝等方面。《非晶中國(guó)工業(yè)開展咨詢》主要從加工刀具的資料涂層技能方面進(jìn)行介紹，給非晶態(tài)合金應(yīng)用提供新的方向和思路。

加工及對(duì)刀具的高要求

       加工(High PerformanceMachining，HPM)是在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，經(jīng)過對(duì)加工進(jìn)程的優(yōu)化和進(jìn)步單位時(shí)刻資料切除量來進(jìn)步加工功率和設(shè)備利用率、下降生產(chǎn)成本的一種高功能加工技能。在加工體系中，刀具是完成切削加工的工具，直觸摸摸工件并從工件上切去一部分資料，使工件得到契合技能要求的形狀、尺度精度和外表質(zhì)量。在整個(gè)加工進(jìn)程中，刀具直接與工件觸摸，會(huì)呈現(xiàn)嚴(yán)峻的刀具磨損現(xiàn)象，因而刀具也是加工進(jìn)程中的一大消耗品。刀具技能的內(nèi)涵包括刀具資料技能、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成形技能、刀具外表涂層技能等，也包含了上述單項(xiàng)技能歸納交叉形成的高速刀具技能、刀具可靠性技能、綠色刀具技能、智能刀具技能等。刀具作為機(jī)械制作工藝配備中重要的一類基礎(chǔ)部件。

       刀具在切削進(jìn)程中承受深重的負(fù)荷，包括高的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、沖擊和振蕩等，如此惡劣的工作條件對(duì)刀具功能提出了高要求。挑選刀具資料、設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、開展刀具涂層和高功能刀具技能成為進(jìn)步切削加工水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！斗蔷е袊?guó)工業(yè)開展咨詢》主要從刀具涂層技能等方面對(duì)刀具進(jìn)行介紹，以促進(jìn)先進(jìn)刀具的開發(fā)，為進(jìn)步制作技能水平發(fā)揮應(yīng)有的效果。

加工刀具的外表涂層

       刀具外表涂層以增效和延壽為目的，是將耐高溫、耐磨損的資料涂覆在刀具基體資料外表。涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了刀具的月牙槽磨損。涂層刀具具有外表硬度高、耐磨性好、化學(xué)功能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低一級(jí)特性。現(xiàn)在，常用的刀具涂層辦法有化學(xué)氣相堆積法(CVD)、物理氣相堆積法(PVD)、等離子體化學(xué)氣相堆積法(PCVD)、熱噴涂法和離子束輔助堆積法(IBAD)，其中以PVD和CVD應(yīng)用為廣泛。

       刀具的涂層技能現(xiàn)在現(xiàn)已成為進(jìn)步刀具功能的關(guān)鍵技能。在涂層工藝方面，CVD依然是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，在基體資料改進(jìn)的基礎(chǔ)上，使CVD涂層刀具的耐磨性和韌性都得到進(jìn)步。PVD相同取得了重大進(jìn)展，開發(fā)了習(xí)慣高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，如納米、多層結(jié)構(gòu)等。等離子體化學(xué)氣相堆積法(PCVD)是將高頻微波導(dǎo)人含碳化物氣體發(fā)生高頻高能等離子，或者經(jīng)過電極放電發(fā)生高能電子使氣體電離成為等離子體，由氣體中的活性碳原子或含碳基團(tuán)在合金的外表堆積的一種涂層制備辦法。

非晶合金涂層的優(yōu)勢(shì)

       刀具涂層技能向物理涂層附加大功率等離子體方向開展；功能薄膜向著多元、多層膜的方向開展；并研討集硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、抗癢化性于一體且具有低內(nèi)應(yīng)力和高附著力的薄膜制備技能。圖(a)為多層涂層，其內(nèi)層的TiCN與基體有較強(qiáng)的結(jié)合力和強(qiáng)度，中心的Al2O3，作為一種有用的熱屏障可答應(yīng)有更高的切削速度，外層的TiCN保證抗前刀面和后刀面磨損才能，外一薄層金黃色的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態(tài)；圖(b)中納米涂層與傳統(tǒng)涂層比較，具有超硬度、超模量和高紅硬性效應(yīng)，并且顯微硬度可超過40GPa；圖(c)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層在強(qiáng)等離子體效果下，納米TiAlN晶體被鑲  

刀具的涂層技能

嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)，當(dāng)AlTiN晶體尺度小于10nm時(shí)，位錯(cuò)增殖源難于啟動(dòng)，而非晶態(tài)相又可阻撓晶體位錯(cuò)的遷移，即使在較高的應(yīng)力下，位錯(cuò)也不能穿越非晶態(tài)晶界。這種結(jié)構(gòu)薄膜的硬度可以達(dá)到50GPa以上，并可堅(jiān)持適當(dāng)優(yōu)異的韌性，且當(dāng)溫度達(dá)到900—1100℃時(shí)，其顯微硬度仍可堅(jiān)持在30GPa以上。

       CVD和PVD涂層工藝技能和配備水平將得到進(jìn)一步提升和工業(yè)化。復(fù)合、梯度、多層、納米多層、納米非晶態(tài)復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層及薄膜多元化、個(gè)性化、涂層、晶粒大小可控化等功能可定制的涂層(如高速干切削復(fù)合涂層技能)將逐漸工業(yè)化。另一方面，針對(duì)廢舊刀具回收利用的退涂技能、重涂技能也將由于綠色環(huán)保逐漸得到重視。此外，刀具軟涂層方向的自潤(rùn)滑刀具作為可以完成干切削、準(zhǔn)干式切削(MQL)的技能途徑之一現(xiàn)已受到重視。

非晶合金涂層刀具的前景

       刀具的切削功能是刀具資料、幾何結(jié)構(gòu)和涂層相互組合的成果，新資料、立異的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和涂層可以促進(jìn)刀具功能的改進(jìn)。我國(guó)的刀具制作技能依然與先進(jìn)國(guó)家存在很大的差距，研討刀具技能火燒眉毛，特別是基礎(chǔ)資料和結(jié)構(gòu)立異，需要打破傳統(tǒng)思維，斗膽立異，尋求刀具技能的新出路。

      “非晶中國(guó)大數(shù)據(jù)中心”信息標(biāo)明：我國(guó)科學(xué)家在刀具上進(jìn)行非晶態(tài)復(fù)合涂層技能攻關(guān)，并現(xiàn)已開端在企業(yè)試用，效果得到必定。未來，這將是非晶合金一個(gè)值得開發(fā)的高段應(yīng)用市場(chǎng)。

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