金剛石刀具、人才需同步前進(jìn)
發(fā)布時(shí)間:2015-05-18 21:33:04 刀具是一門(mén)復(fù)雜的學(xué)科，現(xiàn)代切削技術(shù)是在材料科學(xué)、裝備制造技術(shù)和信息技術(shù)等學(xué)科和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的，其覆蓋的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)切削技術(shù)專(zhuān)業(yè)的范疇，專(zhuān)業(yè)人才的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)有較大的變化。尤其是硬質(zhì)合金、超硬刀具材料和涂層工藝在現(xiàn)代切削技術(shù)中具有的重要地位，必須引進(jìn)新的專(zhuān)業(yè)人才。
由于在大學(xué)本科的專(zhuān)業(yè)設(shè)置中已沒(méi)有金屬切削和刀具專(zhuān)業(yè)，大量新進(jìn)的本科大學(xué)生普遍缺乏切削技術(shù)和刀具的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，而切削技術(shù)和刀具的基礎(chǔ)知識(shí)是刀具行業(yè)的看家本領(lǐng)，不只是搞刀具設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的人員需要，而且搞材料開(kāi)發(fā)的、搞涂層牌號(hào)開(kāi)發(fā)的、甚至搞營(yíng)銷(xiāo)的都要具備，要能用切削技術(shù)和刀具的基礎(chǔ)知識(shí)從刀具的切削效果中分析出存在的問(wèn)題、改進(jìn)的方向和創(chuàng)新的切入點(diǎn)。
由此可以看出，一支復(fù)合型的數(shù)控工具行業(yè)人才隊(duì)伍對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展而言至關(guān)重要。伴隨著企業(yè)的轉(zhuǎn)型，還要培養(yǎng)一支具有切削加工工藝系統(tǒng)知識(shí)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師隊(duì)伍，做營(yíng)銷(xiāo)人員的技術(shù)支撐。
這是由于刀具知識(shí)涵蓋面很廣，要培養(yǎng)出一個(gè)熟練的人員一般都需要在本行業(yè)從業(yè)六七年以上，而因?yàn)樯畹膲毫�，難有年輕人能堅(jiān)持下來(lái)。
先進(jìn)刀具助力高速加工
我們知道，根據(jù)被加工材料的不同，也需要相應(yīng)的刀具進(jìn)行加工制造。比如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是飛機(jī)的主要受力部件，其外形與飛機(jī)曲面外形、風(fēng)道外形、翼身溶合體外形等理論外形有關(guān)，零件內(nèi)、外形角度變化較大。
該類(lèi)零件在國(guó)內(nèi)外均采用數(shù)控加工，尤其是五軸聯(lián)動(dòng)加工，數(shù)控加工零件約占全部機(jī)加工零件的85％；整體結(jié)構(gòu)件都是用厚板加工而成，材料去除率達(dá)到90%以上，因此切削加工量極大。
同時(shí)，為了減輕飛機(jī)重量，結(jié)構(gòu)件的腹板和壁厚越來(lái)越薄，腹板厚度通常為1.5mm左右，在加工中非常容易變形，增大了零件的加工難度；飛機(jī)結(jié)構(gòu)件作為主要承力部件，裝配協(xié)調(diào)面、交點(diǎn)孔等精度要求高，以滿(mǎn)足精確裝配的需要，如腹板最高精度達(dá)到±0.1mm。因此航空整體結(jié)構(gòu)件具有尺寸大、壁薄、易變形以及切削加工難度大、零件精度高等工藝特點(diǎn)。
另外，隨著新一代戰(zhàn)機(jī)性能的逐步提高，新型高性能材料不斷引入，高強(qiáng)度難加工材料和低密度輕質(zhì)材料成為航空結(jié)構(gòu)件的兩大類(lèi)主要材料，結(jié)構(gòu)件材料逐漸由鋁合金為主轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金、鈦合金、復(fù)合材料并重的局面。
目前，高速加工依然是實(shí)現(xiàn)這些飛機(jī)結(jié)構(gòu)件高效加工的主要途徑。高速加工技術(shù)不僅成倍地提高了生產(chǎn)效率，改善了零件的加工精度和表面質(zhì)量，而且有效地解決了低速加工中一些難解決的問(wèn)題，如超薄零件的加工和某些特殊材料（如纖維增強(qiáng)塑料等）的高效加工等。
這些都對(duì)數(shù)控加工提出了很高的要求，可以說(shuō)裝備對(duì)數(shù)控加工水平起著決定性的作用，直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。
當(dāng)然這里所講的裝備包含兩層含義，一方面指各種類(lèi)型的機(jī)床設(shè)備、工裝夾具，另一方面則指加工過(guò)程中涉及的各種刀具產(chǎn)品。
就飛機(jī)結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，刀具的正確選用和使用有時(shí)顯得尤為關(guān)鍵，其質(zhì)量、加工效率經(jīng)常成為制約零部件加工品質(zhì)和交貨周期的首要因素。成飛數(shù)控廠(chǎng)就針對(duì)產(chǎn)品材質(zhì)范圍廣的特點(diǎn)，形成針對(duì)不同材料的高效加工解決方案。例如，針對(duì)鈦合金材料，采用大功率、大扭矩機(jī)床和硬質(zhì)合金刀具或涂層刀具等高效刀具；針對(duì)鋁合金材料，采用高轉(zhuǎn)速機(jī)床和高速鋼或整體硬質(zhì)合金刀具，配合微量潤(rùn)滑技術(shù)。
來(lái)自鈦合金的挑戰(zhàn)
鈦合金憑借優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、密度小、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)理想的制造材料。
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料，成為各類(lèi)連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時(shí)，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點(diǎn)也給加工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，尤其是切削刀具，因鈦合金的切削性差而導(dǎo)致刀具磨損快等加工難題頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了加工精度和效率。
其次，鈦合金在切削加工中所產(chǎn)生的局部高溫，使鈦很容易吸收大氣中的氧和氮，從而形成又硬又脆的外皮。這就會(huì)造成工件加工表面的加工硬化現(xiàn)象，而且加工硬化速度快，使得刀具表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕，容易在切削過(guò)程中產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。
除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學(xué)性能使其切削加工時(shí)與工件親和力大，切削加工時(shí)刀具與工件接觸時(shí)易產(chǎn)生黏刀現(xiàn)象，增大了刀具與工件間的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱。由此產(chǎn)生的大量切削熱無(wú)法及時(shí)通過(guò)切屑散發(fā)出去，大大降低了刀具的使用壽命。因此加工鈦合金的刀具必須具備高熱硬度。
從這個(gè)層面來(lái)看，鈦合金加工可以被看作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、冷卻液等多個(gè)角度進(jìn)行考慮。用于鈦合金加工的刀具材料的硬度及耐磨性要好，具有極好的耐熱性、在高溫下能保持較高的強(qiáng)度及韌性，以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。
而滿(mǎn)足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類(lèi)金剛石刀具（PCD）等。其中涂層硬質(zhì)合金刀具價(jià)格低廉，且具有良好的導(dǎo)熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方面也表現(xiàn)出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具（CBN）、類(lèi)金剛石刀具的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性要差一些，但比陶瓷和類(lèi)金剛石刀具具有較高的抗沖擊性和抗破壞性。因此已成為加工鈦合金的首選刀具。
在車(chē)削參數(shù)方面，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設(shè)定，過(guò)高的切削速度會(huì)導(dǎo)致切削熱升高，刀具切削刃過(guò)熱、黏結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具磨損加重，會(huì)縮短刀具使用壽命；同時(shí)會(huì)導(dǎo)致鈦合金工件表層開(kāi)裂或氧化，影響工件的力學(xué)性能，所以應(yīng)在保證較大的刀具耐用度下，選擇適當(dāng)較低的切削速度，降低加工成本并保證加工質(zhì)量。
其次是切削深度的設(shè)定，因鈦合金工件加工前須進(jìn)行預(yù)備熱處理，使得工件表面有一層氧化層，為提高刀具的耐用度應(yīng)采用相對(duì)較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機(jī)體未氧化的金屬層，提高刀具使用壽命。另外參數(shù)設(shè)定時(shí)需要考慮的是進(jìn)給量，進(jìn)給量的大小對(duì)產(chǎn)生切削溫度的大小影響不是很大，在保證加工效率的前提下，減小切削速度增大進(jìn)給量是合理的切削方式。
為保證加工質(zhì)量及提高刀具的耐用度，還應(yīng)考慮到冷卻液的使用，比如要充分對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低切削溫度，還可以減少切削時(shí)對(duì)刀具的黏結(jié)現(xiàn)象，提高效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命。
正是由于一個(gè)小小的刀片蘊(yùn)含著各方面的知識(shí)，因此對(duì)于各大刀具生產(chǎn)商或者刀具經(jīng)銷(xiāo)商而言，拜訪(fǎng)客戶(hù)，了解其訴求并為之做出相應(yīng)的方案是他們必修的功課，從這個(gè)意義上而言，刀具行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力在于其服務(wù)能力，而這離不開(kāi)專(zhuān)業(yè)人才的支持。
由于在大學(xué)本科的專(zhuān)業(yè)設(shè)置中已沒(méi)有金屬切削和刀具專(zhuān)業(yè)，大量新進(jìn)的本科大學(xué)生普遍缺乏切削技術(shù)和刀具的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，而切削技術(shù)和刀具的基礎(chǔ)知識(shí)是刀具行業(yè)的看家本領(lǐng)，不只是搞刀具設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的人員需要，而且搞材料開(kāi)發(fā)的、搞涂層牌號(hào)開(kāi)發(fā)的、甚至搞營(yíng)銷(xiāo)的都要具備，要能用切削技術(shù)和刀具的基礎(chǔ)知識(shí)從刀具的切削效果中分析出存在的問(wèn)題、改進(jìn)的方向和創(chuàng)新的切入點(diǎn)。
由此可以看出，一支復(fù)合型的數(shù)控工具行業(yè)人才隊(duì)伍對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展而言至關(guān)重要。伴隨著企業(yè)的轉(zhuǎn)型，還要培養(yǎng)一支具有切削加工工藝系統(tǒng)知識(shí)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師隊(duì)伍，做營(yíng)銷(xiāo)人員的技術(shù)支撐。
這是由于刀具知識(shí)涵蓋面很廣，要培養(yǎng)出一個(gè)熟練的人員一般都需要在本行業(yè)從業(yè)六七年以上，而因?yàn)樯畹膲毫�，難有年輕人能堅(jiān)持下來(lái)。
先進(jìn)刀具助力高速加工
我們知道，根據(jù)被加工材料的不同，也需要相應(yīng)的刀具進(jìn)行加工制造。比如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是飛機(jī)的主要受力部件，其外形與飛機(jī)曲面外形、風(fēng)道外形、翼身溶合體外形等理論外形有關(guān)，零件內(nèi)、外形角度變化較大。
該類(lèi)零件在國(guó)內(nèi)外均采用數(shù)控加工，尤其是五軸聯(lián)動(dòng)加工，數(shù)控加工零件約占全部機(jī)加工零件的85％；整體結(jié)構(gòu)件都是用厚板加工而成，材料去除率達(dá)到90%以上，因此切削加工量極大。
同時(shí)，為了減輕飛機(jī)重量，結(jié)構(gòu)件的腹板和壁厚越來(lái)越薄，腹板厚度通常為1.5mm左右，在加工中非常容易變形，增大了零件的加工難度；飛機(jī)結(jié)構(gòu)件作為主要承力部件，裝配協(xié)調(diào)面、交點(diǎn)孔等精度要求高，以滿(mǎn)足精確裝配的需要，如腹板最高精度達(dá)到±0.1mm。因此航空整體結(jié)構(gòu)件具有尺寸大、壁薄、易變形以及切削加工難度大、零件精度高等工藝特點(diǎn)。
另外，隨著新一代戰(zhàn)機(jī)性能的逐步提高，新型高性能材料不斷引入，高強(qiáng)度難加工材料和低密度輕質(zhì)材料成為航空結(jié)構(gòu)件的兩大類(lèi)主要材料，結(jié)構(gòu)件材料逐漸由鋁合金為主轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金、鈦合金、復(fù)合材料并重的局面。
目前，高速加工依然是實(shí)現(xiàn)這些飛機(jī)結(jié)構(gòu)件高效加工的主要途徑。高速加工技術(shù)不僅成倍地提高了生產(chǎn)效率，改善了零件的加工精度和表面質(zhì)量，而且有效地解決了低速加工中一些難解決的問(wèn)題，如超薄零件的加工和某些特殊材料（如纖維增強(qiáng)塑料等）的高效加工等。
這些都對(duì)數(shù)控加工提出了很高的要求，可以說(shuō)裝備對(duì)數(shù)控加工水平起著決定性的作用，直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。
當(dāng)然這里所講的裝備包含兩層含義，一方面指各種類(lèi)型的機(jī)床設(shè)備、工裝夾具，另一方面則指加工過(guò)程中涉及的各種刀具產(chǎn)品。
就飛機(jī)結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，刀具的正確選用和使用有時(shí)顯得尤為關(guān)鍵，其質(zhì)量、加工效率經(jīng)常成為制約零部件加工品質(zhì)和交貨周期的首要因素。成飛數(shù)控廠(chǎng)就針對(duì)產(chǎn)品材質(zhì)范圍廣的特點(diǎn)，形成針對(duì)不同材料的高效加工解決方案。例如，針對(duì)鈦合金材料，采用大功率、大扭矩機(jī)床和硬質(zhì)合金刀具或涂層刀具等高效刀具；針對(duì)鋁合金材料，采用高轉(zhuǎn)速機(jī)床和高速鋼或整體硬質(zhì)合金刀具，配合微量潤(rùn)滑技術(shù)。
來(lái)自鈦合金的挑戰(zhàn)
鈦合金憑借優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、密度小、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)理想的制造材料。
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料，成為各類(lèi)連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時(shí)，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點(diǎn)也給加工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，尤其是切削刀具，因鈦合金的切削性差而導(dǎo)致刀具磨損快等加工難題頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了加工精度和效率。
其次，鈦合金在切削加工中所產(chǎn)生的局部高溫，使鈦很容易吸收大氣中的氧和氮，從而形成又硬又脆的外皮。這就會(huì)造成工件加工表面的加工硬化現(xiàn)象，而且加工硬化速度快，使得刀具表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕，容易在切削過(guò)程中產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。
除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學(xué)性能使其切削加工時(shí)與工件親和力大，切削加工時(shí)刀具與工件接觸時(shí)易產(chǎn)生黏刀現(xiàn)象，增大了刀具與工件間的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱。由此產(chǎn)生的大量切削熱無(wú)法及時(shí)通過(guò)切屑散發(fā)出去，大大降低了刀具的使用壽命。因此加工鈦合金的刀具必須具備高熱硬度。
從這個(gè)層面來(lái)看，鈦合金加工可以被看作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、冷卻液等多個(gè)角度進(jìn)行考慮。用于鈦合金加工的刀具材料的硬度及耐磨性要好，具有極好的耐熱性、在高溫下能保持較高的強(qiáng)度及韌性，以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。
而滿(mǎn)足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類(lèi)金剛石刀具（PCD）等。其中涂層硬質(zhì)合金刀具價(jià)格低廉，且具有良好的導(dǎo)熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方面也表現(xiàn)出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具（CBN）、類(lèi)金剛石刀具的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性要差一些，但比陶瓷和類(lèi)金剛石刀具具有較高的抗沖擊性和抗破壞性。因此已成為加工鈦合金的首選刀具。
在車(chē)削參數(shù)方面，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設(shè)定，過(guò)高的切削速度會(huì)導(dǎo)致切削熱升高，刀具切削刃過(guò)熱、黏結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具磨損加重，會(huì)縮短刀具使用壽命；同時(shí)會(huì)導(dǎo)致鈦合金工件表層開(kāi)裂或氧化，影響工件的力學(xué)性能，所以應(yīng)在保證較大的刀具耐用度下，選擇適當(dāng)較低的切削速度，降低加工成本并保證加工質(zhì)量。
其次是切削深度的設(shè)定，因鈦合金工件加工前須進(jìn)行預(yù)備熱處理，使得工件表面有一層氧化層，為提高刀具的耐用度應(yīng)采用相對(duì)較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機(jī)體未氧化的金屬層，提高刀具使用壽命。另外參數(shù)設(shè)定時(shí)需要考慮的是進(jìn)給量，進(jìn)給量的大小對(duì)產(chǎn)生切削溫度的大小影響不是很大，在保證加工效率的前提下，減小切削速度增大進(jìn)給量是合理的切削方式。
為保證加工質(zhì)量及提高刀具的耐用度，還應(yīng)考慮到冷卻液的使用，比如要充分對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低切削溫度，還可以減少切削時(shí)對(duì)刀具的黏結(jié)現(xiàn)象，提高效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命。
正是由于一個(gè)小小的刀片蘊(yùn)含著各方面的知識(shí)，因此對(duì)于各大刀具生產(chǎn)商或者刀具經(jīng)銷(xiāo)商而言，拜訪(fǎng)客戶(hù)，了解其訴求并為之做出相應(yīng)的方案是他們必修的功課，從這個(gè)意義上而言，刀具行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力在于其服務(wù)能力，而這離不開(kāi)專(zhuān)業(yè)人才的支持。
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