數控機床

 在標準行程和單位時間的切削體積方（fāng）麵，對市場上常見的塗層和無塗層硬金屬刀具與（yǔ）所（suǒ）研發（fā）的（de）陶瓷刀具的對比結果表明，采用全陶瓷銑刀的生產效率可以提高八倍

      對全陶（táo）瓷銑刀的研發開（kāi）啟（qǐ）了鎳基合金（jīn）材料加工的美（měi）好前景。與硬金屬刀具（jù）相比，全陶瓷刀具的加工（gōng）效率可以提高八倍。　

   　材（cái）料科學領（lǐng）域的技術進步和繼續發展不斷促進（jìn）對高難度工件加工的能力和效率。采用鎳基合金（jīn）材料可以（yǐ）極大提高汽輪機的整體效用（yòng）。由鎳基合金材（cái）料（liào）構成的單晶汽輪機鬥輪配備有一個複雜的冷卻槽與陶瓷隔熱層係（xì）統，它將在高達1450℃的溫度條件下（xià）投入使用。這種獨特（tè）的機械和耐熱性能卻向機械加工提出了極大的要求。僅在加（jiā）工一件噴氣推進裝置上，就需耗用大約3000件轉位刀片，相對而言，對一輛轎車（chē）的製造（zào），則平均卻隻需耗用兩件轉位刀片。　

    　實現更高的切削速度　　鎳基合金材料（liào）的耐熱性高、導熱性差，因此可造成切削表麵的溫度很（hěn）高。這會（huì）促使切削材料變軟。由於在其微結構中含有易磨損（sǔn）的碳化物，在溫度和機械過負荷的情況下，刀（dāo）具往往容易失靈。經塗層的硬金屬刀具（jù）隻在20m/min以下的切削速（sù）度作業時，工作穩定。各種試驗表明，通（tōng）過（guò）采用陶瓷材料切削，切削速度有望提高30～50倍。關鍵性的因（yīn）素是陶瓷具有優越的耐熱性能。因此，可以在切削流程中，把溫（wēn）度提升到足夠高（gāo），使工件材料變軟，變得容易被切削。由此可以跨入到高速切削（HSC）技術領域。與采（cǎi）用陶瓷材料的轉位刀（dāo）片相匹配的銑刀在市場上已有供應，這種刀具還可用在汽輪機（jī）鬥輪的粗加工上。但是，出於設計方麵的原因，刀具的最小規格仍有所限製。目前商用最（zuì）小刀具的直徑為32mm。針對要求更（gèng）小刀具直徑或（huò）複雜的切削輪廓麵的加工任務，除了采用（yòng）硬金屬刀具和HSS刀具之外，還可以采取研磨工藝和線（xiàn）切割工藝（yì）。

 
圖1  硬金屬刀具與全陶瓷刀具在銑削MAR M247鎳（niè）基合金上的對比　　

      把現代陶瓷切削材料的切（qiē）割能力引用到這（zhè）些（xiē）應用場合上來，已成為位於柏（bǎi）林的（de）Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik（IPK）研究機構的研究重點。早在2006年，第一批陶（táo）瓷銑刀（dāo）試（shì）驗樣品在Fraunhofer-Allianz高（gāo）效陶（táo）瓷公司的“Cercut”項目中問世。這些刀具在試驗性應用中獲得（dé）了成功。鑒於刀具製造廠商（shāng）和用（yòng）戶予以（yǐ）的積極反響，聯合機構將繼續向前推進業已展開的研發工作。　　推進全陶瓷刀具的研發　　在2008年1月，“製造（zào）全陶瓷帶柄刀具工藝（Tech-Volk）”項目啟動。此後，項目（mù）小組全力以赴地投入到對切（qiē）削外形與應用場合相適應的全陶瓷（cí）銑刀的（de）研發工作中。由於項目中的各（gè）合作單位都有各（gè）自不同的優勢和工作重心，因此，整（zhěng）個工藝流程環節可以得到通盤的考慮。從陶（táo）瓷坯（pī）料的生產、磨削策（cè）略應用和磨削刀具的加工，直至現代化HSC加工中心對（duì）具體工件的切削（xuē）應用，工件材料的品（pǐn）種範圍涵蓋了鎳（niè）基鍛造合金（如Nimonic 90）和鑄造合金（如MAR M247）等。

   　為了能夠適應複雜的HSC銑削工藝的負荷狀況（kuàng），切削材料必須要滿足一些特（tè）殊的要求。切削過程中斷可導致（zhì）刀刃邊緣很高的負荷變換（huàn）和溫度波動。在一定的時間間隔中，刀刃可能不處（chù）於切入狀態，此時刀刃的表（biǎo）麵溫度會比心層內部的溫度更容易冷卻下來。由於存在熱膨脹狀態差異，在刀具邊緣區域會形成拉應力，從而很（hěn）容易致（zhì）使裂（liè）紋產生。陶瓷對（duì）拉應力更為敏感，因此，麵對這種機理，陶瓷顯得尤為脆弱。對（duì）於這（zhè）種切削材料來說（shuō），采用幹式加工變得非常必（bì）要，因（yīn）為冷卻潤滑將會加劇刀具的冷（lěng）卻（què）效果，對刀（dāo）具的使用狀態（tài）將（jiāng）造成額外的負（fù）麵影（yǐng）響。采用經碳化矽觸須強化（huà）的Al2O3和SiAlON，其內部（bù）成分和結構就決（jué）定了此類材料具有阻止裂紋生成、提高斷裂韌性的特點。這（zhè）兩（liǎng）種切削陶瓷材料作為轉位刀片，已（yǐ）經被投放到市場上，並在使用中表現良好。　

   　給人希望的後續發展主要是指所謂的分級陶瓷的生產。對此，通過後續加工，可以有針對性（xìng）地改變這種材料的強度特性。如同鋼材通過淬火處理一樣，對陶瓷也可以製成耐磨性強的邊（biān）緣部位和（hé）不易斷裂的心層區域。　　

    在全陶瓷研（yán）發過程之前，即對這兩種陶瓷材料作為轉位（wèi）刀（dāo）片（piàn）的使用特性，進行了分析。其間，對（duì）材（cái）料的耐磨特性也進行了研（yán）究和評價。通過（guò）在工件上（shàng）進行力學測定並（bìng）結（jié）合FEM模（mó）擬（nǐ）試驗，可以實（shí）現對刀具設計（jì）的詳細分析。從實際試驗中所獲得的認知（zhī）與數字測定的負荷極限相輔相成。由（yóu）此，可以識別出那些不利（lì）於陶（táo）瓷強（qiáng）度特性的負荷狀況（kuàng）。同時，也考慮到了不同刀具形（xíng）狀所具有的不同的自振動特性。通過對刀具和工藝流程（chéng）的有針對性的設（shè）定，不僅可以極大降低刀具（jù）的磨損程度，提高使用壽命（mìng），而且也極（jí）大改善了工件表麵的幾何形狀質量。

 
圖2  陶瓷銑刀（dāo）上粘附（fù）切屑材料，加工（gōng）軌跡數量增多（duō）　

  　對（duì）於一家研究（jiū）結構來說，很關鍵的一點便是它（tā）擁有得天獨（dú）厚的好條件，即在自（zì）家的高精密磨床上製造刀具，隨後（hòu）也在（zài）刀具測量設（shè）備上測量刀具，並在動力（lì）性強的HSC加工中心上對刀具（jù）進行測試。由此可（kě）以（yǐ）達（dá）到很短的研（yán）發周期（qī）和（hé）對工藝（yì）流程的深度認知。　　切（qiē）削速（sù）度可達600m/min且工（gōng）藝穩定　　以（yǐ）往的銑刀（dāo）直徑為4～8mm。其外（wài）形（xíng）輪廓適（shì）合於端（duān）麵加（jiā）工（gōng）和圓周加工。其間（jiān）在雙刃外形的基礎上，也對最多擁有十刃的（de）精細刀（dāo）具進行（háng）了研製和測試。最大切削速度可（kě）達600m/min，最大進給速度可達（dá）10000mm/min，且工藝穩（wěn）定。為了測定陶瓷刀具的能（néng）力和經濟性，對陶瓷刀具和硬金屬刀具進行了對比性試驗。加工任務為銑槽（cáo），所（suǒ）選用刀具的直徑為4mm。在標準行程和單位時間的切削體積方麵，對（duì）市（shì）場上常見的塗層和無塗層硬金屬（shǔ）刀具與（yǔ）所研發的陶瓷刀具進行了對（duì）比（bǐ）。迄今為止的結果表明，采用全（quán）陶瓷銑（xǐ）刀的生產效率可以提（tí）高八倍（圖1）。在這裏，工藝流程的匹配至關重要。僅僅依靠提高（gāo）切削速度（dù），並不能獲得真正的成功（gōng）。研究結果同時也表明，陶瓷刀具的潛力尚未得到充分（fèn）發揮。　

   　很高的（de）工藝流（liú）程溫度造成切削下的材料粘附在（zài）刀具和工件上（圖2）。除了工件材（cái）質和切削參數之外，切削（xuē）材質也是非常重要的。目前正在探索有效避免切屑粘附的技術工（gōng）藝。另一個工（gōng）作重點在於對磨削加工對刀具邊緣質量和表（biǎo）麵質量的影響的研究。此外，通過流體研（yán）磨工序，促使刀具變得（dé）圓潤和平滑。可以實現對刀片邊緣和表麵特征的有針對（duì）性（xìng）的（de）調整。在項（xiàng）目的後續（xù）執行中，除（chú）了繼續研（yán）發刀具的幾何外（wài）形、優化刀具生產之外，特別要把刀具的使用和普及列為重中之重.