Forward：超硬合金加工前置期缩短至1/3，切入深度达到亚微米级

　　【编者按】日本精密加工企业Forward（总部：日本长野县诹访市）从2012年开始超硬合金切削业务。尽管尚未形成稳定的业务，但该公司仍积极在展会上展出加工样品加以宣传（图1）。“如果有合作伙伴愿意共同开发，我们非常愿意合作”（Forward代表董事社长堀内岩夫）。

图1 超硬合金切削加工样品
（a）为伞齿轮模具形状，（b）为旋转叶片形状。
（b）为铝合金等材料时，进行表面加工之后，还可
以进行背面加工，但目前超硬合金只能进行表面加工。

　　采用直接雕刻方式切削材料

　　Forward此前一直从事钛（Ti）合金、铬镍铁合金、哈氏合金等一般被视为难切削材料的金属切削加工和研磨加工业务。而且十分擅长以较高的平坦度（10μm）加工不锈钢、铝（Al）合金及钛合金等的研磨加工。用途为半导体、飞机、办公设备、液晶显示器等生产线的夹具及精密部件等。

　　雷曼危机发生后，Forward加大了开展高精度加工业务的力度，通过进给驱动系统采用线性马达的立式加工中心（MC）“iQ300”（牧野铣床制作所）及“YMC430”（安田工业）积累了加工业绩。据该公司介绍，在这种情况下，牧野铣床制作所向其提出建议，称“可以使用优能工具生产的金刚石涂层立铣刀‘UDCB’系列，对超硬合金进行切削加工”。以此为契机，Forward开始结合使用iQ300和UDCB进行多种加工尝试。

　　Forward试制出了伞齿轮模具形状和旋转叶片形状（图1）。伞齿轮模具形状采用了碳化钨（WC）-钴（Co）类超硬合金“VM40”（洛氏硬度为HRA89左右），旋转叶片形状则采用了“VF20”（洛氏硬度为HRA92.5左右），均以直接雕刻方式切削而成。尽管“才处于刚刚能够切削的阶段”（堀内），但却可以获得与高硬度钢切削加工等同等的形状。

　　Forward还启动了给超硬合金打孔加工的业务。使用单晶金刚石钻头在超硬合金上打出了直径70μm的孔，现已能顺利地打出256个孔。

　　“能够切实缩短前置期”

　　以前也能通过放电加工和研磨加工技术来加工超硬合金部件。但是，放电加工需要花费很长时间，而且加工面会生成劣化层，因此需要进行二次加工，也就是研磨。研磨时使用的砂轮会导致形状受到限制。与这些加工方式相比，切削加工的优点是“没有形状限制，可以加工出复杂的形状”（堀内）。

　　据Forward介绍，加工类似于样品的工件时（2～3cm见方），前置期可以缩短至原来的1/3左右。进行放电加工时，对多根电极进行切削加工后，还需要花费时间使用这些电极来放电。与之相比，超硬合金切削加工技术只需在MC上一次装夹后，即可完成整个加工过程，在工时方面非常有利。虽然刀具价格仍高（5～6万日元）是存在的瓶颈，但今后随着金刚石涂层技术的进步，刀具价格会不断下滑，而且能够通过改进刀具路径来延长刀具寿命，因此“应用范围很有可能扩大”（堀内）。

　　堀内认为同样有意义的是，通过去掉研磨工序，提高了形状精度。“就算好不容易通过放电加工等使其接近了最终形状，研磨也会导致尺寸精度等恶化。研磨等同于破坏尺寸”（堀内）。Forward认为，如果没有研磨，就能大幅提高精度。反过来说，只有在对精度要求极高（甚至通过研磨去除材料也会成为问题）的用途中，超硬合金切削加工技术才能真正发挥作用。

　　切入深度为0.1μ～0.2μm

　　虽说只是尝试，但切削超硬合金时仍需要花费很多心思。切入深度很浅，要控制在0.1μ～0.2μm左右。也就是说，必须实现“亚微米级路径”（堀内），Forward利用以前该公司面向难切削材料制成的路径，在此基础上进行了扩展。CAD和CAM使用了2D的“WinMAX”〔Tactics（总部：名古屋市）〕以及3D的“GOelan”（法国Missler Software），但一般认为“可以支持亚微米级路径的CAM有限”（堀内）。

　　因为切入深度有这样的要求，所以刀具的跳动精度达到10μm的话就会完全失去意义。于是，Forward为了将其控制在1μm左右，采用了热装方式刀柄。而且通过完全发挥“iQ300”的性能，使主轴转速提高到了4.5万转。

　　机床采用了线性马达驱动机型。这是为了获得高精度的加工结果所不可缺少的。Forward同时利用线性马达驱动的MC和滚珠四缸驱动的MC，加工了在凹形曲面上刻出1μm左右文字的工件（钢），并验证了线性马达驱动的效果（图2）。在用滚珠丝杠驱动的机床加工出来的工件中，曲面底部出现了细纹，但使用线性马达驱动的机床加工时，则未见细纹。

图2 采用线性马达的进给驱动系统的效果（基于钢工件）
微细的高精度加工用途比较适合切削超硬合金，适合使用装
有线性马达进给驱动系统的机床。（a）和（b）由采用滚珠
丝杠进给驱动系统的机床加工而成，凹形底部有细纹。（c）由
采用线性马达驱动系统的机床加工而成，凹形底部看不到细纹。

　　滚珠丝杠的螺纹轴和螺母之间存在很小的间隙。这一间隙是滚珠丝杠发挥功能所不可缺少的，但螺纹轴反向旋转时，空隙会导致轴略微空转。因此会造成进给不连续，在加工面产生细微的凹凸不平。如果认为适合切削超硬合金的是精度要求非常高的部件，那么前提就是要使用线性马达驱动的机床。

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