金剛石刀具、人才需同步前進
發布時間:2015-05-18 21:33:04 刀具是一門復雜的學科，現代切削技術是在材料科學、裝備制造技術和信息技術等學科和技術發展的基礎上形成的，其覆蓋的專業領域已遠遠超出了傳統切削技術專業的范疇，專業人才的結構也相應有較大的變化。尤其是硬質合金、超硬刀具材料和涂層工藝在現代切削技術中具有的重要地位，必須引進新的專業人才。
由于在大學本科的專業設置中已沒有金屬切削和刀具專業，大量新進的本科大學生普遍缺乏切削技術和刀具的專業基礎知識，而切削技術和刀具的基礎知識是刀具行業的看家本領，不只是搞刀具設計和開發的人員需要，而且搞材料開發的、搞涂層牌號開發的、甚至搞營銷的都要具備，要能用切削技術和刀具的基礎知識從刀具的切削效果中分析出存在的問題、改進的方向和創新的切入點。
由此可以看出，一支復合型的數控工具行業人才隊伍對整個行業的發展而言至關重要。伴隨著企業的轉型，還要培養一支具有切削加工工藝系統知識的現場服務工程師隊伍，做營銷人員的技術支撐。
這是由于刀具知識涵蓋面很廣，要培養出一個熟練的人員一般都需要在本行業從業六七年以上，而因為生活的壓力，難有年輕人能堅持下來。
先進刀具助力高速加工
我們知道，根據被加工材料的不同，也需要相應的刀具進行加工制造。比如飛機結構件是飛機的主要受力部件，其外形與飛機曲面外形、風道外形、翼身溶合體外形等理論外形有關，零件內、外形角度變化較大。
該類零件在國內外均采用數控加工，尤其是五軸聯動加工，數控加工零件約占全部機加工零件的85％；整體結構件都是用厚板加工而成，材料去除率達到90%以上，因此切削加工量極大。
同時，為了減輕飛機重量，結構件的腹板和壁厚越來越薄，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；飛機結構件作為主要承力部件，裝配協調面、交點孔等精度要求高，以滿足精確裝配的需要，如腹板最高精度達到±0.1mm。因此航空整體結構件具有尺寸大、壁薄、易變形以及切削加工難度大、零件精度高等工藝特點。
另外，隨著新一代戰機性能的逐步提高，新型高性能材料不斷引入，高強度難加工材料和低密度輕質材料成為航空結構件的兩大類主要材料，結構件材料逐漸由鋁合金為主轉變為鋁合金、鈦合金、復合材料并重的局面。
目前，高速加工依然是實現這些飛機結構件高效加工的主要途徑。高速加工技術不僅成倍地提高了生產效率，改善了零件的加工精度和表面質量，而且有效地解決了低速加工中一些難解決的問題，如超薄零件的加工和某些特殊材料（如纖維增強塑料等）的高效加工等。
這些都對數控加工提出了很高的要求，可以說裝備對數控加工水平起著決定性的作用，直接影響著產品質量。
當然這里所講的裝備包含兩層含義，一方面指各種類型的機床設備、工裝夾具，另一方面則指加工過程中涉及的各種刀具產品。
就飛機結構件來說，刀具的正確選用和使用有時顯得尤為關鍵，其質量、加工效率經常成為制約零部件加工品質和交貨周期的首要因素。成飛數控廠就針對產品材質范圍廣的特點，形成針對不同材料的高效加工解決方案。例如，針對鈦合金材料，采用大功率、大扭矩機床和硬質合金刀具或涂層刀具等高效刀具；針對鋁合金材料，采用高轉速機床和高速鋼或整體硬質合金刀具，配合微量潤滑技術。
來自鈦合金的挑戰
鈦合金憑借優異的綜合力學性能、密度小、抗腐蝕性強等特點，成為飛機發動機理想的制造材料。
在航空發動機燃油控制系統中，鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料，成為各類連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰，尤其是切削刀具，因鈦合金的切削性差而導致刀具磨損快等加工難題頻繁出現，嚴重影響了加工精度和效率。
其次，鈦合金在切削加工中所產生的局部高溫，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。這就會造成工件加工表面的加工硬化現象，而且加工硬化速度快，使得刀具表面產生嚴重的劃痕，容易在切削過程中產生崩刃現象。
除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學性能使其切削加工時與工件親和力大，切削加工時刀具與工件接觸時易產生黏刀現象，增大了刀具與工件間的摩擦，產生大量的切削熱。由此產生的大量切削熱無法及時通過切屑散發出去，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。
從這個層面來看，鈦合金加工可以被看作是一項系統工程，需要從加工設備、切削刀具、切削參數、冷卻液等多個角度進行考慮。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度及韌性，以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。
而滿足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類金剛石刀具（PCD）等。其中涂層硬質合金刀具價格低廉，且具有良好的導熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方面也表現出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具（CBN）、類金剛石刀具的耐熱性和化學穩定性要差一些，但比陶瓷和類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。
在車削參數方面，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設定，過高的切削速度會導致切削熱升高，刀具切削刃過熱、黏結現象嚴重，刀具磨損加重，會縮短刀具使用壽命；同時會導致鈦合金工件表層開裂或氧化，影響工件的力學性能，所以應在保證較大的刀具耐用度下，選擇適當較低的切削速度，降低加工成本并保證加工質量。
其次是切削深度的設定，因鈦合金工件加工前須進行預備熱處理，使得工件表面有一層氧化層，為提高刀具的耐用度應采用相對較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機體未氧化的金屬層，提高刀具使用壽命。另外參數設定時需要考慮的是進給量，進給量的大小對產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給量是合理的切削方式。
為保證加工質量及提高刀具的耐用度，還應考慮到冷卻液的使用，比如要充分對加工區域進行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低切削溫度，還可以減少切削時對刀具的黏結現象，提高效率，延長刀具使用壽命。
正是由于一個小小的刀片蘊含著各方面的知識，因此對于各大刀具生產商或者刀具經銷商而言，拜訪客戶，了解其訴求并為之做出相應的方案是他們必修的功課，從這個意義上而言，刀具行業的競爭力在于其服務能力，而這離不開專業人才的支持。
由于在大學本科的專業設置中已沒有金屬切削和刀具專業，大量新進的本科大學生普遍缺乏切削技術和刀具的專業基礎知識，而切削技術和刀具的基礎知識是刀具行業的看家本領，不只是搞刀具設計和開發的人員需要，而且搞材料開發的、搞涂層牌號開發的、甚至搞營銷的都要具備，要能用切削技術和刀具的基礎知識從刀具的切削效果中分析出存在的問題、改進的方向和創新的切入點。
由此可以看出，一支復合型的數控工具行業人才隊伍對整個行業的發展而言至關重要。伴隨著企業的轉型，還要培養一支具有切削加工工藝系統知識的現場服務工程師隊伍，做營銷人員的技術支撐。
這是由于刀具知識涵蓋面很廣，要培養出一個熟練的人員一般都需要在本行業從業六七年以上，而因為生活的壓力，難有年輕人能堅持下來。
先進刀具助力高速加工
我們知道，根據被加工材料的不同，也需要相應的刀具進行加工制造。比如飛機結構件是飛機的主要受力部件，其外形與飛機曲面外形、風道外形、翼身溶合體外形等理論外形有關，零件內、外形角度變化較大。
該類零件在國內外均采用數控加工，尤其是五軸聯動加工，數控加工零件約占全部機加工零件的85％；整體結構件都是用厚板加工而成，材料去除率達到90%以上，因此切削加工量極大。
同時，為了減輕飛機重量，結構件的腹板和壁厚越來越薄，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；飛機結構件作為主要承力部件，裝配協調面、交點孔等精度要求高，以滿足精確裝配的需要，如腹板最高精度達到±0.1mm。因此航空整體結構件具有尺寸大、壁薄、易變形以及切削加工難度大、零件精度高等工藝特點。
另外，隨著新一代戰機性能的逐步提高，新型高性能材料不斷引入，高強度難加工材料和低密度輕質材料成為航空結構件的兩大類主要材料，結構件材料逐漸由鋁合金為主轉變為鋁合金、鈦合金、復合材料并重的局面。
目前，高速加工依然是實現這些飛機結構件高效加工的主要途徑。高速加工技術不僅成倍地提高了生產效率，改善了零件的加工精度和表面質量，而且有效地解決了低速加工中一些難解決的問題，如超薄零件的加工和某些特殊材料（如纖維增強塑料等）的高效加工等。
這些都對數控加工提出了很高的要求，可以說裝備對數控加工水平起著決定性的作用，直接影響著產品質量。
當然這里所講的裝備包含兩層含義，一方面指各種類型的機床設備、工裝夾具，另一方面則指加工過程中涉及的各種刀具產品。
就飛機結構件來說，刀具的正確選用和使用有時顯得尤為關鍵，其質量、加工效率經常成為制約零部件加工品質和交貨周期的首要因素。成飛數控廠就針對產品材質范圍廣的特點，形成針對不同材料的高效加工解決方案。例如，針對鈦合金材料，采用大功率、大扭矩機床和硬質合金刀具或涂層刀具等高效刀具；針對鋁合金材料，采用高轉速機床和高速鋼或整體硬質合金刀具，配合微量潤滑技術。
來自鈦合金的挑戰
鈦合金憑借優異的綜合力學性能、密度小、抗腐蝕性強等特點，成為飛機發動機理想的制造材料。
在航空發動機燃油控制系統中，鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料，成為各類連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰，尤其是切削刀具，因鈦合金的切削性差而導致刀具磨損快等加工難題頻繁出現，嚴重影響了加工精度和效率。
其次，鈦合金在切削加工中所產生的局部高溫，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。這就會造成工件加工表面的加工硬化現象，而且加工硬化速度快，使得刀具表面產生嚴重的劃痕，容易在切削過程中產生崩刃現象。
除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學性能使其切削加工時與工件親和力大，切削加工時刀具與工件接觸時易產生黏刀現象，增大了刀具與工件間的摩擦，產生大量的切削熱。由此產生的大量切削熱無法及時通過切屑散發出去，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。
從這個層面來看，鈦合金加工可以被看作是一項系統工程，需要從加工設備、切削刀具、切削參數、冷卻液等多個角度進行考慮。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度及韌性，以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。
而滿足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類金剛石刀具（PCD）等。其中涂層硬質合金刀具價格低廉，且具有良好的導熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方面也表現出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具（CBN）、類金剛石刀具的耐熱性和化學穩定性要差一些，但比陶瓷和類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。
在車削參數方面，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設定，過高的切削速度會導致切削熱升高，刀具切削刃過熱、黏結現象嚴重，刀具磨損加重，會縮短刀具使用壽命；同時會導致鈦合金工件表層開裂或氧化，影響工件的力學性能，所以應在保證較大的刀具耐用度下，選擇適當較低的切削速度，降低加工成本并保證加工質量。
其次是切削深度的設定，因鈦合金工件加工前須進行預備熱處理，使得工件表面有一層氧化層，為提高刀具的耐用度應采用相對較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機體未氧化的金屬層，提高刀具使用壽命。另外參數設定時需要考慮的是進給量，進給量的大小對產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給量是合理的切削方式。
為保證加工質量及提高刀具的耐用度，還應考慮到冷卻液的使用，比如要充分對加工區域進行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低切削溫度，還可以減少切削時對刀具的黏結現象，提高效率，延長刀具使用壽命。
正是由于一個小小的刀片蘊含著各方面的知識，因此對于各大刀具生產商或者刀具經銷商而言，拜訪客戶，了解其訴求并為之做出相應的方案是他們必修的功課，從這個意義上而言，刀具行業的競爭力在于其服務能力，而這離不開專業人才的支持。
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