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採用CBN刀具切削加工燒結合金
 
日期：2011-3-2　 來源：《工具展望》 

現今，鋁合金材高效高速數控加工機床技術已相當成熟，並得到了廣泛應用。隨著鈦合金材整體構件在大型飛機上的應用增多，其切削加工的低效已成為大型飛機快速製造的瓶頸，配置有高功率高轉矩主軸的鈦合金材高速數控MC機床已成為許多航宇製造業用戶特別關注和優先考慮的現代化先進關鍵製造裝備之一。所有這些，促使工業界更加關注鈦合金材HEM-HSM加工技術及其裝備的發展與工業應用。世界許多著名數控機床和主軸製造商也都加強了對該技術領域的開發研究力度，一些機床製造商甚至還成立專門的研發中心，積極為航宇製造業推出了多種類型用於大型複雜鈦合金材整體結構件HEM-HSM加工應用的數控加工機床。
眾所周知，直到目前為止工業界對高速加工技術HSM還未有一種統一、明確、權威和公認的定義。實際上，HSM 技術中“高速”是為一種相對性概念，對不同工件材料或不同切削工藝類型其HSM定義的“高速”速度範圍則是不同的。鈦合金材相對材料可加工性Kr僅為0.22~0.35，屬很難切削加工之金屬材，其高速切削速度範圍（100~1,200m/min）遠低於鋁合金材（2,500~7,500m/min）。比如一把直徑50mm刀具，在主軸轉速4,000r/min時其切削速度為628m/min，對鋁合金材而言，這挨不上高速的邊，但對鈦合金材而言，這已是較高速了。顯然，用於鈦合金材HEM-HSM加工應用的高速數控加工機床明顯不同於鋁合金材場合，簡單地講，對鋁合金材需要高功率高轉速主軸的數控加工機床，對鈦合金材則需要高功率高轉矩主軸的數控加工機床。

本篇文章來源於 “切削技術網站”網址：http://www.e-cuttech.com/ReadNews/9569.html
 
在MAG的低溫加工系統中，溫度為-196℃的液氮通過主軸、刀柄和刀體內部的管道流動，然後通過在切削刀片中用放電加工方式加工的出口，到達距剪切面不到1mm處。

刀具選擇和切削用量的確定

　刀具的選擇和切削用量的確定是數控加工工藝中的重要內容，它不僅影響數控機床的加工效率，而且直接影響加工品質。CAD/CAM技術的發展，使得在數控加工中直接利用CAD的設計資料成為可能，特別是微機與數控機床的聯接，使得設計、工藝規劃及編程的整個過程全部在電腦上完成，一般不需要輸出專門的工藝檔。
　　現在，許多CAD/CAM套裝軟體都提供自動編程功能，這些軟體一般是在編程介面中提示工藝規劃的有關問題，比如，刀具選擇、加工路徑規劃、切削用量設定等，編程人員只要設置了有關的參數，就可以自動生成NC程式並傳輸至數控機床完成加工。因此，數控加工中的刀具選擇和切削用量確定是在人機交互狀態下完成的，這與普通機床加工形成鮮明的對比，同時也要求編程人員必須掌握刀具選擇和切削用量確定的基本原則，在編程時充分考慮數控加工的特點。本文對數控編程中必須面對的刀具選擇和切削用量確定問題進行了探討，給出了若干原則和建議，並對應該注意的問題進行了討論。
　　一、數控加工常用刀具的種類及特點
　　數控加工刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯接刀具並裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數控刀具的分類有多種方法。根據刀具結構可分為：①整體式；②鑲嵌式，採用焊接或機夾式連接，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；③特殊型式，如複合式刀具，減震式刀具等。根據製造刀具所用的材料可分為：①高速鋼刀具；②硬質合金刀具；③金剛石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。從切削工藝上可分為：①車削刀具，分外圓、內孔、螺紋、切割刀具等多種；②鑽削刀具，包括鑽頭、鉸刀、絲錐等；③鏜削刀具；④銑削刀具等。為了適應數控機床對刀具耐用、穩定、易調、可換等的要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到廣泛的應用，在數量上達到整個數控刀具的30%～40%，金屬切除量占總數的80%～90%。
　　數控刀具與普通機床上所用的刀具相比，有許多不同的要求，主要有以下特點：
　　⑴剛性好(尤其是粗加工刀具)，精度高，抗振及熱變形小；
　　⑵互換性好，便於快速換刀；
　　⑶壽命高，切削性能穩定、可靠；
　　⑷刀具的尺寸便於調整，以減少換刀調整時間；
　　⑸刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利於切屑的排除；
　　⑹系列化，標準化，以利於編程和刀具管理。
　　二、數控加工刀具的選擇
　　刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀態下進行的。應根據機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相關因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：安裝調整方便，剛性好，耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，儘量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。
　　選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應。生產中，平面零件周邊輪廓的加工，常採用立銑刀；
　　銑削平面時，應選硬質合金刀片銑刀；加工凸台、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常採用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。
　　在進行自由曲面加工時，由於球頭刀具的端部切削速度為零，因此，為保證加工精度，切削行距一般取得很能密，故球頭常用於曲面的精加工。而平頭刀具在表面加工品質和切削效率方面都優於球頭刀，因此，只要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工還是精加工，都應優先選擇平頭刀。另外，刀具的耐用度和精度與刀具價格關係極大，必須引起注意的是，在大多數情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工品質和加工效率的提高，則可以使整個加工成本大大降低。
　　在加工中心上，各種刀具分別裝在刀庫上，按程式規定隨時進行選刀和換刀動作。因此必須採用標準
　　刀柄，以便使鑽、鏜、擴、銑削等工序用的標準刀具，迅速、準確地裝到機床主軸或刀庫上去。編程人員應瞭解機床上所用刀柄的結構尺寸、調整方法以及調整範圍，以便在編程時確定刀具的徑向和軸向尺寸。目前我國的加工中心採用TSG工具系統，其刀柄有直柄(三種規格)和錐柄(四種規格)兩種，共包括16種不同用途的刀柄。
　　在經濟型數控加工中，由於刀具的刃磨、測量和更換多為人工手動進行，佔用輔助時間較長，因此，必須合理安排刀具的排列順序。一般應遵循以下原則：①儘量減少刀具數量；②一把刀具裝夾後，應完成其所能進行的所有加工部位；③粗精加工的刀具應分開使用，即使是相同尺寸規格的刀具；④先銑後鑽；⑤先進行曲面精加工，後進行二維輪廓精加工；⑥在可能的情況下，應盡可能利用數控機床的自動換刀功能，以提高生產效率等。
　　三、數控加工切削用量的確定
　　合理選擇切削用量的原則是，粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工品質的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，並結合經驗而定。

為滿足人骨的要求，應使用高度耐腐蝕和耐磨損的鈦合金、不銹鋼和特殊合金，這對於目前現有的刀具進行有效加工提出了極大的挑戰。
　　山特維克可樂滿針對植入體例如接骨螺釘或髖關節開發了一系列出色的刀具解決方案，為實現當今醫學領域最尖端的複雜零件的高效加工提供了極大的便利。
山特維克可樂滿已經開發了適用于此類應用的先進刀具及價格策略，以滿足醫療行業的嚴格品質標準。
　　山特維克可樂滿創新的切削刀具可以將公差控制在微米範圍內，並將各個零件的成本降到最低。

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對於模具製造商來說，高效而經濟地加工零件是對其生產能力的永恆要求。在粗加工中，為了去除大量金屬材料，過去車間遵循的傳統常識是基於其金屬切除率的大小來選擇刀具，這將導致選用切除率盡可能最大的刀具來開始粗加工，然後工件尺寸逐漸減小，直至達到要求的形狀和光潔度。粗銑加工通常採用球頭立銑刀或紐扣銑刀。然而，這種加工方法可能會產生很大的應力，因此需要採用剛性極好的加工中心、牢固的夾具和具有良好韌性的切削刀具。

高速鋼（HSS, High SpeedSteel）是我進入刀具行業時接觸最多的一類刀具材料。那時最常見的被稱為“ㄙ18”（ㄙ的發音為拼音“si”），其來源應該是來自前蘇聯。
後來知道，我們當時所用的高速鋼應被稱為“普通高速鋼”，還有比它性能更好的，如從合金成分上要明顯優於它的鋁高速鋼，鈷高速鋼（HSS-Co）等，或從冶煉方法上要明顯優於它的粉末冶金高速鋼（PM-HSS，PowderMetallurgy High SpeedSteel）；當然也有比它性能更低一些的所謂“低合金高速鋼”。
現在有些人對“高速鋼”這個名字有些不解，因為它的速度比起眼下正在流行的硬質合金來要低許多。但就高速鋼誕生的時候，它的速度的確比原有的刀具材料高很多。
在大約1900年前後，當美國機械工程師泰勒（F•WTaylor）和冶金工程師懷特（M•White）發明它時，人們普遍用來切削的刀具是合金工具鋼。
1900年由美國匹茲堡伯利恒鋼鐵公司生產的W18Cr4V（即ㄙ18，又稱T1，18-4-1，現國際標準代號為18-0-1）高速鋼在巴黎博覽會上的公開演示，成為高速鋼發展史上第一個無可置疑的里程碑。十年後的1910年，一位英國人這樣寫道：“在1900年巴黎博覽會上，一些工程師看到了一部高速運轉的車床，上面裝有一個工具，正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍色碎片，工程師們意識到他們親眼見證了工具鋼和機床方面的一個革命的開始。”
高速鋼的發明使切削中碳鋼的速度提高到大約30m/min。拿一個直徑65mm，長度1000mm的45鋼工件來說，原來的加工時間需要100分鐘，而應用高速鋼只需要約25分鐘。因此，人們對它的速度驚歎不已，稱其為“高速鋼”。W18Cr4V作為一個經典的高速鋼牌號，一直延續使用至今。只是由於鎢資源的缺乏，以及高鎢高速鋼在熱成形工藝性方面的一些不足，在近20年裏，它的統治地位才逐漸被W6Mo5Cr4V2（即M2）所取代。
高速鋼刀具材料主要由兩種基本成分構成：一種是金屬碳化物（碳化鎢、碳化鉬或碳化釩），它賦予刀具較好的耐磨性；二是分佈在周圍的鋼基體，它使刀具具有較好的韌性和吸收衝擊、防止碎裂的能力。
碳化鎢（WC）在大幅度提高高速鋼的切削速度方面的貢獻是決定性的，我個人的看法，是這一發現對於以後硬質合金的發明也具有奠基石的作用。如今我們大量使用的鎢基硬質合金，其主要的硬質相（對刀具硬度、耐磨性其決定作用的成分）依然是碳化鎢。
高速鋼後來又被稱為“風鋼”。我在30年前進入上海工具廠時，絕大多數的工人師傅都是這麼稱呼高速鋼的。在學習有關熱處理的知識時，老師告訴我，其他許多鋼材在進行淬火時，當材料被加熱到完全奧氏體的相變溫度以後，必須放入水或其他介質中急速冷卻以得到堅硬的“馬氏體”組織，如果冷卻速度慢了（例如在空氣中冷卻），就會變成較軟的珠光體、滲碳體等組織，硬度就會比較低；而高速鋼在加熱到“奧氏體”組織後即使在空氣中冷卻，也會得到“馬氏體”組織，即高速鋼能夠在“風”中淬硬，它“風鋼”的名稱由此而來。
實踐發現高速鋼的晶粒大小對高速鋼的性能產生著巨大的影響。在網站上曾經發過一份資料，是《W18Cr4V鋼奧氏體晶粒度參考圖》，其中號碼數字較大的高速鋼（如11號）比號碼數位較小的（如8.5號）的性能優越許多。有資料稱，製備普通高速鋼時，是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄模，使其緩慢冷卻凝固。此時，金屬碳化物從溶液中析出，並形成較大的團塊。高速鋼中添加的合金含量越多，碳化物團塊就越大。達到某一臨界點時，可形成尺寸極大的碳化物團塊（直徑可達40μm）。出現大的碳化物團塊的臨界點根據鋼錠的尺寸以及其他因素而略有不同，但一般是在碳化釩含量達到約4%時發生。通過對鋼錠進行鍛造、軋製等後續加工，可以粉碎其中一部分碳化物團塊，但不可能將其完全消除。雖然增加鋼材中金屬碳化物顆粒的數量可以改善材料的耐磨性，但隨著合金含量的增加，碳化物的尺寸及團塊數量也會隨之增加，這對於鋼材的韌性會產生極其不利的影響，因為大的碳化物團快可能成為產生裂紋的起始點。因此，國外很早就開展研究，追求高速鋼的細晶粒化。
20世紀60年代後期，粉末冶金高速鋼製造工藝在瑞典開發成功，並於70年代初期進入市場。該工藝可在高速鋼中加入較多合金元素而不會損害材料的強韌性或易磨性，從而可製成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削衝擊、適合高切除率加工和斷續切削加工的刀具。粉末冶金高速鋼的製備工藝與普通高速鋼的製備工藝不同，熔化的鋼水不是直接注入鑄模，而是通過一個小噴嘴將其吹入氮氣流中進行霧化，噴出的霧狀鋼水迅速冷卻為細小的鋼粒（直徑小於1μm）。由於鋼水溶液中的碳化物在快速冷卻過程中來不及沉澱和形成團快，因此獲得的鋼粒中碳化物顆粒細小且分佈均勻。將這些鋼粉過篩後置入一個鋼桶中，並將鋼粉中間的空氣抽淨形成真空狀態，然後在高溫、高壓下將鋼桶中的鋼粉壓制成型，即可得到緻密度為100%的粉末冶金高速鋼毛坯。這一製備工藝被稱為熱等靜壓 （hotisostaticpressing,HIPing）成型。然後可對毛坯進行鍛造、軋製等後續加工。利用熱等靜壓成型工藝製備的粉末冶金高速鋼中的碳化物顆粒非常細小，而且不管其合金含量為多少，這些碳化物顆粒都可均勻分佈於整個高速鋼基體中。
採用粉末冶金高速鋼製備工藝，鋼材生產商可以充分增加鋼中的金屬碳化物含量，而不會對材料的韌性或易磨性造成有害影響。雖然一些偏愛粉末冶金高速鋼的人喜歡將其譽為高速鋼與整體硬質合金的“混血兒”，但實際上它只是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和細化的鋼基體粒子結構的高速鋼。不過，它確實將高速鋼良好的韌性與硬質合金的高耐磨性很好地結合於一身。由於粉末冶金高速鋼中碳化物顆粒細小且分佈均勻，因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比，其強韌性大大提高。憑藉這一優勢，粉末冶金高速鋼刀具非常適合用於切削衝擊大和金屬切除率高的加工場合（如撓曲切削、斷續切削等）。此外，由於粉末冶金高速鋼的強韌性不會因金屬碳化物含量的增加而削弱，因此鋼材生產商可以在鋼中添加大量合金元素，以提高刀具材料的性能。
同時，由於鎢（W）資源屬於戰略性資源，現代的硬質合金又比較大量地使用鎢資源，低鎢高速鋼成為高速鋼研發的一個方向。科學家們發現了鉬（Mo）可以作為鎢的良好的替代品。研究發現，在高速鋼中一份鉬可以與兩份鎢的作用基本相當，因此開發出高速鋼的另一個經典牌號W6Mo5Cr4V2（即美國牌號M2，中國又有許多人將其簡稱為6-5-4-2，國際標準代號為6-5-2）。在中國使用M2高速鋼的過程中，許多人認識到其熱成形工藝性要比經典的 W18Cr4V（也稱為18-4-1）更好。我在上海工具廠工作時，該廠長期生產軋製直柄麻花鑽和扭制錐柄麻花鑽。我發現在熱成形時6-5-4-2的廢品率要遠遠低於18-4-1。因此，他們在生產熱成形鑽頭時基本上都使用6-5-4-2。但在其他產品上還有許多使用18-4-1，因為當時18-4-1似乎價格更低一些。
國外大量發展的是含鈷高速鋼（HSS-Co），後來國際上統一認定含鈷量在2%以上的含鈷高速鋼為高性能高速鋼（HSSE）。鈷對於提高高速鋼的性能的作用也是明顯的，它能促使碳化物在淬火加熱時更多地溶解在基體內，利用高的基體硬度來提高耐磨性。這種高速鋼硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好。國際上常規的鈷高速鋼的含鈷量通常是5%和8%。例如W2Mo9Cr4VCo8（美國牌號M42），其特點為含釩量不高（1%），含鈷量高（8%），熱處理硬度可達 67-70HRC，但也有採取特殊熱處理方法，得到67-68HRC硬度，使其切削性能（特別是間斷切削）得到改善，提高衝擊韌性。鈷高速鋼可製成各種刀具，用於切削難加工材料效果很好，又因其磨削性能好，可製成複雜刀具，國際上用得很普遍。但中國鈷資源缺乏，鈷高速鋼價格昂貴，約為普通高速鋼的5-8 倍。
因此，中國發展了鋁高速鋼。鋁高速鋼的牌號為 W6Mo5Cr4V2Al（又稱501鋼）、W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W10Mo4Cr4VAl（又稱5F6鋼）等,主要加入鋁（Al）和矽 （Si）、鈮（Nb）元素，來提高熱硬性、耐磨性。適合中國資源情況，價格較低。熱處理硬度可達到68HRC，熱硬性也不錯。但是這種鋼易氧化及脫碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改進。國內鋁高速鋼的工藝沒有得到普遍的解決，似乎只有原貴陽工具廠（現應屬於西南工具總廠）能夠批量生產鋁高速鋼刀具（主要是銑刀）。但目前似乎在國際上，並不認為鋁高速鋼可以作為高性能高速鋼，因為沒有證據表明，它在各方面可以與鈷高速鋼相提並論——雖然在個別領域上可以。
來源:全球數控刀具網
刀具材料的高速鋼應用
2011-10-13
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資料來源：中國小金屬資源信息網
 
鈷是具有光澤的鋼灰色金屬，熔點1493℃、比重8.9,比較硬而脆，鈷是鐵磁性的,在硬度、抗拉強度、機械加工性能、熱力學性質、電化學行為方面與鐵和鎳相類似。加熱到1150℃時磁性消失。鈷的化合價為2價和3價。在常溫下不和水作用，在潮濕的空氣中也很穩定。在空氣中加熱至300℃以上時氧化生成CoO，在白熱時燃燒成Co3O4。氫還原法制成的細金屬鈷粉在空氣中能自燃生成氧化鈷。 

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刀具材質的改良和發展是今日金屬加工發展的重要課題之一，因為良好的刀具材料能有效、迅速的完成切削工作，並保持良好的刀具壽命。一般常用車刀材質有下列幾種：

資料來源：中國刀具網 
鹿角（STAG）：原自野生牡鹿，經火烤之後呈現輕微的烤色，是一種非常優雅的隨身小折刀材料。

來源:中國刀具網
 
車刀的刃磨是切削加工中一項具有較高技術含量的基本操作，操作者需要熟悉相關理論知識和刃磨原理，熟練掌握刃磨方法及操作技巧。為便於初學者儘快熟悉和記憶車刀刃磨的概念、方法與技巧，筆者特將相關內容編寫為以下口訣：
1 常用車刀種類和材料，砂輪的選用
常用車刀五大類，切削用途各不同，
外圓內孔和螺紋，切斷成形也常用；
車刀刃形分三種，直線曲線加複合；
車刀材料種類多，常用碳鋼氧化鋁，
硬質合金碳化矽，根據材料選砂輪；
砂輪顆粒分粒度，粗細不同勿亂用；
粗砂輪磨粗車刀，精車刀選細砂輪。
2 車刀刃磨操作技巧與注意事項
刃磨開機先檢查，設備安全最重要；
砂輪轉速穩定後，雙手握刀立輪側；
兩肘夾緊腰部處，刃磨平穩防抖動；
車刀高低須控制，砂輪水準中心處；
刀壓砂輪力適中，反力太大易打滑；
手持車刀均勻移，溫高燙手則暫離；
刀離砂輪應小心，保護刀尖先抬起；
高速鋼刀可水冷，防止退火保硬度；
硬質合金勿水淬，驟冷易使刀具裂；
先停磨削後停機，人離機房斷電源。
3 90°、75°、45°等外圓車刀刃磨步驟
粗磨先磨主後面，杆尾向左偏主偏；
刀頭上翹 38 度，形成後角摩擦減；
接著磨削副後面，最後刃磨前刀面；
前角前面同磨出，先粗後精順序清；
精磨首先磨前面，再磨主後副後面；
修磨刀尖圓弧時，左手握住前支點；
右手轉動杆尾部，刀尖圓弧自然成；
面平刃直穩中求，角度正確是關鍵；
樣板角尺細檢查，經驗豐富可目測。

【經濟日報╱記者李珣瑛／新竹報導】

2011.07.06 04:25 am

 

 

工研院長徐爵民昨（5）日表示，將運用工研院研發的新科技，推動工研院各院區成為綠色低碳園區，目標三年內減碳30%。

徐爵民指出，工研院積極推動院區成為綠色低碳園區，從推動電動公務機車、碳足跡員工餐廳、智慧綠建築及智慧電網等，希望成為綠色低碳院區示範指標。

工研院先將自有研發的「智能電表」相關技術，汰換掉院區內的電表，並建置回收水澆灌系統；此外也展開全面抓漏，並在所有宿舍裝置太陽能熱水器。工研院並將展開老建築改造為「綠建築」示範作業，從綠能所及IEK所在的二棟建物做起。

工研院昨天舉行38周年院慶頒獎典禮，獲頒「工研菁英獎」的金牌傑出研發團隊，都搭上環保節能的列車，包括「新型雙模式彩色電子書與智慧窗技術」、「建材整合型全透明發電玻璃窗」創新技術，顯示綠活科技已在工研院蔚為風潮。

【2011/07/06 經濟日報】@ http://udn.com/