刀具厂商提高加工效率，涂层与形状飞速进化

　　【编者按】挑战难加工材料的不只是用户，还有刀具厂商。就拿超硬合金“能削，还是不能削”来说，其实，切削超硬合金的刀具早已存在，但由于价格高、加工耗时长，因此很少用到。

　　为此，刀具企业正在努力开发能够以更高的效率切削硬质材料的工具。在本文中，笔者将为大家介绍两家公司的相关举措，这两家公司分别是为了能在短时间内完成超硬合金切削加工而开发低成本刀具的优能刀具公司，以及把目光瞄准广泛作为模具材料使用的高硬度钢、扩充高硬度钢直雕加工刀具品种的日立刀具公司。

　　提高涂层的粘附强度

　　加工超硬合金时，一般需要组合使用放电加工与研磨抛光。优能刀具公司刀具技术部立铣刀开发课主任渡边英人介绍说：“切削工件的刀具要比工件硬。也就是说，要想切削超硬合金工件，就必须具备更高的硬度。”

　　就这一点而言，使用单晶金刚石、CBN（立方氮化硼）等材料的刀具就能加工超硬合金。但是，一个单晶金刚石刀具的价格高达十几万日元（15万日元约合9300元人民币），而且，使用这种刀具进行加工的切削深度只有几μm。因此在目前，这种刀具的用途主要是抛光。在这种情况下，以超硬合金为母材，通过在超硬刀具上覆盖涂层来加工超硬合金的方法成为了一种比较现实的方法。

　　优能刀具在10多年前就推出了利用自主开发的热CVD（化学气相沉积）法在超硬刀具上覆盖金刚石涂层的刀具。据渡边介绍，“最初的目的是加工石墨电极”。这种刀具的维氏硬度在HV9000左右，也可用于玻璃纤维强化树脂（GFRP）、碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的加工。

　　该公司对这种金刚石涂层技术进行了改进，为超硬合金加工用途开发出了“UDC涂层”。UDC涂层的硬度和韧性比之前的金刚石涂层“DIA涂层”更高。渡边介绍说，UDC涂层“通过控制涂层的微细组织，大幅提高了黏附强度和耐磨性”*1。膜厚缩小到了用来切削石墨的DIA涂层的一半左右。这是因为“缩小膜厚能够防止内部应力造成的剥离”。

　　*1 在优能刀具实施的喷砂测试中，在喷砂介质的冲击下，UDC涂层的涂层剥离、磨损的时间延长到了DIA涂层的2.5倍。

　　该公司在2012年推出了加工有UDC涂层的“UDC”系列立铣刀和钻头（图1）。该系列刀具价格低廉，“价格还不到单晶金刚石刀具的1/6”（该公司立铣刀部国内立铣刀课课长小林孝一）。

图1 优能刀具的超硬合金加工刀具覆盖自主开发的金刚石涂层“UDC涂层”的刀具。通过控制金刚石涂层的微细组织提高硬度和韧性，增强了耐磨性。

　　切削深度达到100μm

　　而且，UDC系列还能缩短加工时间。这主要是因为其切削深度可达到100μm，这是过去的超硬合金加工方法想都没想过的。

　　优能刀具介绍说，“大约2年前，我们在一场展会上展出了能够切削超硬合金的刀具，但被告知‘这样的刀具在量产中派不上用场’”。如果只能完成切削加工，使用方式自然也就与单晶金刚石刀具相同。因此，该公司定下了使加工效率远远超过其他刀具的目标。

　　实际上，使用UDC系列进行切削时，排出的是扇型切屑（图2）。而在过去，由于切削深度微小，排出的所谓“切屑”，只能称作是“切粉”。通过加大切削深度，以前需要数十个小时的放电加工的加工时间可大幅缩短。

图2 超硬合金切削加工排出的切屑使用覆盖金刚石涂层的球头铣刀“UDCB”（球半径：0.5mm，刃长：0.7mm）加工超硬合金（洛氏硬度：HRA90）。当轴向切削深度为100μm（主轴转速为30000rpm，进给速度为300mm/分）时，产生的切屑为扇形，与切削钢材时相同。

　　小林介绍说，需要切削超硬合金的除了冷锻和透镜成形使用的模具之外，“其实夹具也比较多”。例如，图3（a）是加工洛氏硬度为HRA90以上的无粘结相硬质合金的示例。只使用UDC系列的5件刀具，完成25×25mm区域从粗加工到精加工的全部过程共耗时8小时49分钟。粗加工的切削深度为100μm。

图3 超硬合金的加工事例（a）加工部位尺寸为25×25mm的无粘结相硬质合金（洛氏硬度：HRA90以上）制成的透镜阵列。在五轴加工中心上安装球头铣刀（R0.5与R1两种），5道工序共耗时8小时49分钟。（b）利用长颈球头铣刀“UDCLB”（R0.5），把超微颗粒物超硬合金（洛氏硬度：HRA92.5）加工成了剑山形状。加工部位的尺寸为宽6×深6×高5mm，针的直径为尖端0.2mm，根部0.34mm。使用2件刀具，加工耗时1小时31分钟。

　　 切削加工的精度比放电加工更高，使用UDC系列进行切削加工可以缩短研磨工序所需时间。“用户可以先使用UDC系列刀具进行加工，然后再使用单晶金刚石刀具，使表面达到更好的品质”（小林）。

　　直雕加工高硬度钢模具

　　虽然硬度不及超硬合金，但通过热处理（淬火）提高了硬度的高硬度钢是模具的常用材料，也是一种通常方式难以切削的难切削材料。

　　日立刀具扩充了能够对高硬度钢进行直雕加工的刀具。日立刀具成田工厂开发中心主任赤松猛史说，“如果能用直雕加工工艺来加工高硬度钢模具，仅加工时间就能缩短到1/3”。

　　下面来比较一下传统工艺与直雕加工工艺（图4）。过去，工厂在制造高硬度钢模具时，需要切削钢材进行粗加工，然后通过热处理提高硬度。在这个阶段，钢材将变成高硬度钢，难以再进行切削加工。在通过放电加工修正热处理造成的变形后，再经过研磨，模具就制成了。

图4 加工工艺对比过去，经过了热处理（淬火）的高硬度钢难以实现切削加工，因此是在粗加工之后再进行热处理。实现高硬度钢直接加工
后，不仅可以在接单前完成热处理工序，而且还可以利用放电加工进行高精度加工，因此能够缩短研磨工序所需时间。

　　而且，热处理大都交给其他企业代工。在接单到交货的过程中，包含着工厂自身难以控制的环节。为了安全起见，工厂只能在估算时间时留出余量，这也成了延长交货期的主要原因。

　　如果能对高硬度钢进行直雕加工，那么，只要事先准备好经过了热处理的钢材，在接单后就可以马上开始加工准备。而且，直雕加工的形状在准确度上高于放电加工，因此研磨工序也有望缩短。赤松举例说：“使用老式工艺制造某种模具的时候，不算热处理，所需时间为37个小时，而采用直雕加工只需要13个小时，大约缩短了2/3。”

　　涵盖部分工序还不足够

　　出于上述原因，日立刀具一直在大力开发能够对高硬度钢进行直雕加工的刀具。该公司开发出的维氏硬度达到HV3600的硅类涂层“TH涂层”使切削加工高硬度钢成为了可能*2。之后，该公司又不断改进涂层技术，将其应用到了各种各样的刀具之中（图5）。

图5 日立刀具的高硬度钢模具加工用刀具群刀具从粗加工到钻孔、切削螺纹、半精加工、精加工一应俱全，能够通过直雕加工把经过热处理（淬火）的钢材制成模具。

　　*2 TH涂层不仅坚硬，而且具有耐1000℃高温的特点。为了防止急剧的温度变化造成热裂纹，高硬度钢的加工大都采用干式加工，温度有时会上升到900℃。但为了排出切屑，直径小的刀具和钻头要使用冷却液。

　　赤松说，重要的是“网罗模具加工所需的所有刀具”。其实，日立刀具销售高硬度钢加工用刀具的历史可以追溯到10年以前。首先上市的是TH涂层立铣刀，但是，“考虑到整个模具加工工艺，单有立铣刀还不足以满足需求”（赤松）。

　　的确如此，这种立铣刀虽然能够切削高硬度钢，让切削加工取代部分放电加工，但并不能全面取代。即使能够完成半精加工和精加工，其他工序还要采用过去的工序，也就是说，不能替代的工序还是必须要在热处理之前完成。如果不能提供支持这些工序的刀具，就不能实现前面说的那种高硬度钢模具直雕工艺。

　　只追加涂层达不到目的

　　具体来说，这些刀具包括为冷却管和顶出针钻孔的钻头、加工螺纹槽的丝锥，以及能够对一定大小的模具实施必不可少的粗加工的刀片可换式刀具。如果凑不齐这些刀具，就不能用直雕工艺制造模具。其实，推出立铣刀不久以后，日立刀具就推出了采用TH涂层的钻孔用钻头，但在丝锥产品化之前，并没有受到太大的关注。

　　这些刀具并不是简单地在已有的刀具上覆盖涂层就行。以使用丝锥加工高硬度钢为例，在拔出刀具时，存在丝锥被折断并留在孔内的风险。一旦折断，想要取出难如登天，毕竟刀具的母材也是超硬合金。如果能通过放电加工去除还算万幸，但在某些情况下，只能返工重做。

　　为此，日立刀具为覆盖TH涂层的丝锥安装了逆向刀刃，可防止反转时被切屑卡住造成折断。

　　除此之外，该公司还在2010年开发出了可以加工超硬合金的螺纹铣刀*3。螺纹铣刀是直径比孔径还要小的刀具，通过自转来切削小孔的内表面，再借助螺旋式“公转”形成螺纹槽。赤松回忆当时说道，“在使用洛氏硬度HRC60的高硬度钢演示钻孔、切削螺纹后，很多人都大吃一惊”。

　　*3 还有带端刃的螺纹铣刀，能够同时在钻孔的同时切削出螺纹。覆盖的是ATH涂层。

　　螺纹铣刀就算折断，也很容易从孔中取出。另外，螺纹铣刀的涂层不是由TH涂层进化而来的ATH涂层*4，而是铝铬类的“PN涂层”。虽然硬度不及ATH涂层，但提高了润滑性。

　　*4 硬度提高到了维氏硬度HV3800，耐氧化温度提高到了1200℃。

　　最后是粗加工使用的刀片可换式刀具（刀柄和刀片）。其实，“这种刀具的开发难度最大”（赤松）。一体式的立铣刀可以调整刀具的整体形状，但可换式刀具的刀片只是最前端的刀刃部分，调整形状的余地很小。为此，日立刀具在提高刀柄精度、改进刀片的安装角度等方面下了一番功夫。例如，将刀片的前角设计为负角，扩大了间隙。

　　赤松说道：“据说模具加工中刀具的成本约占整体的5％。虽说有些高硬度钢用刀具的价格高于其他刀具，但借助模具加工工艺效率的提高，购买这种刀具完全划算。”日立刀具认为，高硬度钢直雕加工现在还鲜为人知，相应刀具的需求今后还将增加。

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