高性能切削刀具材料在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

隨著國內(nèi)外汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，如何在保證汽車質(zhì)量的前提下提升制造效率并有效降低制造成本已成為當(dāng)前人們共同關(guān)注的重點(diǎn)。研究表明，取代傳統(tǒng)切削刀具材料(主要是普通高速鋼、硬質(zhì)合金)，利用高性能切削刀具材料對汽車發(fā)動機(jī)、變速器、傳動軸和車橋等關(guān)鍵零部件加工這一技術(shù)因具有大幅度提高切削效率并實(shí)現(xiàn)精密生產(chǎn)等優(yōu)勢，被視為實(shí)現(xiàn)汽車制造降本增效的一種有效途徑。

高速切削刀具材料的類型和性能

刀具是完成汽車零部件切削加工的“牙齒”，其性能的優(yōu)劣取決于刀具的本征材料、外形結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)。其中，刀具的本征材料對刀具性能的影響最為關(guān)鍵。近年來，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家無一不在致力于開發(fā)與高效、高速且高質(zhì)切削加工相匹配的先進(jìn)切削刀具材料。目前，已可應(yīng)用于汽車零部件的先進(jìn)高速切削刀具材料主要有：超硬材料、高性能硬質(zhì)合金和新型陶瓷材料等。

1.超硬材料

金剛石是目前人們在自然界中所發(fā)現(xiàn)的硬度最高的材料(顯微硬度104 kg/mm2)，然而，金剛石較低的熱穩(wěn)定性和高溫易石墨化特性制約了這類材料作為刀具材料的進(jìn)一步發(fā)展。與金剛石硬度相比擬的超硬材料因具有較高的熱穩(wěn)定性和抗石墨化特性受到了人們的高度重視。超硬刀具材料主要包括人造金剛石和立方氮化硼(CBN)。

人造金剛石是指在高溫高壓下由人工制造而成，其中最具典型的是聚晶金剛石(PCD)，它通常由金剛石粉和鈷粉首先加以混合壓制成型，再經(jīng)真空處理后于高溫高壓下燒結(jié)在硬質(zhì)合金基板上制備獲得。基于其基體與載體的復(fù)合構(gòu)造，PCD具有硬度大、抗沖擊能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)汽車光學(xué)元件或非鐵鏡面組件的超精密加工;在對高硬度、耐磨的有色金屬加工方面具有優(yōu)越性;相比于傳統(tǒng)刀具材料壽命可提高20多倍。與PCD材料類似，CBN材料也是采用高溫高壓技術(shù)研制而成，通常在CBN刀具材料中，人們往往將聚晶立方氮化硼(PCBN)材料焊接在硬質(zhì)合金基體上得到。在性能優(yōu)勢方面，與PCD材料大致相同，部分PCBN刀具切削鋁合金速度可達(dá)7000 m/min以上，能夠進(jìn)行高穩(wěn)定性加工;PCBN能夠以極高的精度和準(zhǔn)度對汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線上的灰鑄鐵缸體的鋼孔進(jìn)行加工。

2.高性能硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物(主要是WC、TiC等)和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料，切削效率為高速鋼的5～10倍，是當(dāng)前切削領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的刀具材料。然而隨著社會的發(fā)展，迫切需要開發(fā)出綜合性能更加優(yōu)異的新型硬質(zhì)合金以滿足實(shí)際需求。其中，對刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。涂層硬質(zhì)合金刀具是指在韌性較好的刀體上涂覆一層或多層耐磨性好的難溶化合物，保證刀具既有較好的韌性，也有很高的硬度和耐磨性。由此獲得的涂層硬質(zhì)刀具比未涂層的硬質(zhì)合金刀具壽命要高2～5倍，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前，人們已相繼開發(fā)出單涂層、多涂層、金剛石薄膜涂層和納米涂層硬質(zhì)合金刀具，不僅沖擊了普通硬質(zhì)合金刀具市場，而且還成為了PCBN材料的強(qiáng)有力競爭對手。

另一方面，高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性兼?zhèn)涞某?xì)晶粒硬質(zhì)合金引起了人們的興趣。這類硬質(zhì)合金的晶粒尺寸小于0.5 μ m，只有普通硬質(zhì)合金的幾十分之一。如此微尺度的晶粒誘發(fā)了Hall-petch效應(yīng)，即晶粒尺寸減小，造成缺陷減少，粘接相的平均自由程變短，則合金的硬度和強(qiáng)度變高，同時韌性也獲得相應(yīng)的提高。整體切削性能的改善使其切削速度和刀具壽命遠(yuǎn)超過高速鋼。此外，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的另一優(yōu)點(diǎn)是刀具刃口鋒利，尤其適合高速切削粘而韌的材料。

3.新型陶瓷材料

采用人工合成的高純度無機(jī)化合物為原料，在嚴(yán)格控制的條件下經(jīng)成型、燒結(jié)和其他處理而制成具有微細(xì)結(jié)晶組織的新型陶瓷材料具有高的硬度、極優(yōu)的耐磨性能、良好的高溫力學(xué)性能及高的化學(xué)穩(wěn)定性。陶瓷刀具是將新型陶瓷材料高壓研制而成，可以用于加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的超硬材料，切削速度可達(dá)900 m/min。比較典型的是氮化硅陶瓷，該刀具能對硬度小于65 HRC的難加工材料如淬硬鋼、冷硬鑄鐵等進(jìn)行高速精銑、精車，實(shí)現(xiàn)以車帶磨、以銑帶磨，從而改進(jìn)傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝，提高加工效率，節(jié)約工時及電力。氮化硅陶瓷刀具的耐熱性和抗高溫氧化性特別好，即使在1200～1450 ℃的切削溫度時仍能進(jìn)行長時間切削。在一定范圍內(nèi)高速車削時，切削溫度的升高能改變工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韌性，從而減少其破損，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。此外，陶瓷刀具使用的氧化鋁、氧化硅等主要原料在地殼中含量豐富，對節(jié)約貴重金屬也具有重要的意義。國際上已經(jīng)將陶瓷材料刀具視為進(jìn)一步提高生產(chǎn)率的最有希望的刀具之一。

高性能刀具材料研發(fā)中的關(guān)鍵問題

目前，汽車構(gòu)造中所涉及的零件材料主要有高硅鋁合金、高硬度鋼、普通鋼、鑄鐵、鎳基高溫合金、鈦基合金和玻璃鋼復(fù)合材料。基于刀具材料性質(zhì)和工作環(huán)境，表中列出了高性能刀具材料所適合加工的工件材料。盡管這些高性能刀具材料在汽車制造領(lǐng)域中能夠?qū)崿F(xiàn)降本增效，但是要想在很大程度上獲得令人滿意的效果還需要人們從機(jī)理上對這幾類材料進(jìn)行更為深入的開發(fā)：

1.超硬刀具材料的強(qiáng)度和韌性仍然存在不足。結(jié)合涂層技術(shù)、納米技術(shù)以

及復(fù)合技術(shù)對材料成分和結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，去調(diào)控這類刀具材料的性能應(yīng)成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。

2.高性能硬質(zhì)合金材料在開發(fā)應(yīng)用中仍存在工藝性差、復(fù)雜刀具研制方面尚受到限制等不足。要想進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，還應(yīng)對涂層硬質(zhì)合金中涂層與基體接合面的柔性處理工藝、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金鋼的晶粒尺寸調(diào)控機(jī)理及其影響因素等關(guān)鍵性課題進(jìn)行深入研究。

3.盡管人們通過顆粒、晶須、相變和微裂紋等增韌機(jī)理的協(xié)同作用提高了新型陶瓷刀具材料的斷裂韌性，但是硬度、耐磨性與韌性、強(qiáng)度兼顧仍然是當(dāng)前存在的矛盾之處。從目前情況來看，如何突破正在興起的新型金屬基納米陶瓷刀具材料技術(shù)成為了一個關(guān)鍵。

高性能切削刀具技術(shù)的發(fā)展展望

隨著汽車制造技術(shù)的全球化，汽車制造業(yè)的競爭也日趨激烈。高速切削作為先進(jìn)汽車制造技術(shù)的一項(xiàng)全新的共性基礎(chǔ)技術(shù)，已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車零部件切削加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。高性能切削刀具材料的開發(fā)對發(fā)展和應(yīng)用高速切削技術(shù)具有決定性作用?？梢灶A(yù)見，隨著人們對高性能切削刀具材料技術(shù)的深入發(fā)展和大力推廣，勢必在不久的將來會在汽車制造領(lǐng)域中創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。