住友ac800p系列刀片介绍.pdf

1 车削用涂层材质 ACE涂层 AC800P系列的开发 1 前言 用于切削加工的机夹式刀片中 在硬质合 金母材的表面涂覆硬质陶瓷涂层膜的材质 下 文统称涂层材质 相比其他刀具材质能体现出 更好的耐磨损性与耐崩损性的平衡 因此被使 用的比率逐年上升 现在已占全体机夹式刀片 材质的70 图1 使用涂层材质进行切削加工的被削材中 有碳钢 合金钢 不锈钢 铸铁等种类 其中 以碳钢 合金钢为代表的钢类又是汽车 钢 铁 建机产业中最核心的被削材 最近 机械加工部件为对应多样化的用途而 呈少量多品种化 为对应环保无铅化 难削化 也 在被推进 并且切削加工参数还体现出干式切削 化 高效率加工化等倾向 在此种严酷的切削环 境下刀具被要求具有稳定 高信赖性的特点 本 公司开发了广泛网罗钢件车削领域 可对应上述 需求的高速用材质 ACE涂层 AC810P 通 用材质 ACE涂层 AC820P 与重 断续用材 质 ACE涂层 AC830P 并开始了销售 在 此 就其开发经纬及性能做如下报告 2 AC810P AC820P AC830P的开发 目标和新技术 本公司的钢件车削用涂层材质的种类如图 2所示 钢部件加工中的高速 连续加工 低 速 断续加工的所有领域皆由 AC810P AC820P AC830P 3种材质所覆盖 AC810P 是高速 连续加工时耐磨损性优 异的材质 AC820P 在3种材质中位于中心 的位置 是能覆盖从中速领域的连续到断续加 工的广泛领域的通用材质 AC830P 是高 强度的耐冲击性优异的重 断续用材质 0 20 40 60 80 100 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 1 四 百万片 月 刀片不同材质的比例 0 0 5 0 10 0 15 0 20 0 25 0 出货数量 涂层WC系金属陶瓷陶瓷合计出货数量 图1 机夹式刀片按材质分类的出货比例 日本 1 图2 钢件车削用涂层材质的种类与使用领域 连续部份断续断续 100 200 300 400 切削速度 m min AC700G AC3000 AC2000 AC810P AC820P AC830P 2 2 1 高速用材质AC810P的开发目标 我们从既存产品 AC700G 的客户处回 收了使用过的刀片并分析了损伤情况 发现大 约一半为月牙洼磨损 所谓月牙洼磨损 如照 片1所示 是刀具前刀面发生的损伤形态 主 因为切削加工时的切屑擦过 伴随着月牙洼磨 损的进展 将引起切削处理恶化 刃口强度降 低所导致的崩损等情况 特别是钢件连续车削 时由于切屑不断地与前刀面接触 因摩擦热导 致刃口温度上升 通常随着温度上升 硬质合 金母材与涂层膜的硬度会降低 从而月牙洼磨 损的发展会有加速倾向 而高效率加工 干式 加工时上述倾向则更为显著 令月牙洼磨损成 为最主要的损伤形态 为了提高耐月牙洼磨损 性 降低与钢的亲和性 高温下不易发生化学 反应 阻热性优异的氧化铝膜的厚膜化是重要 技术 AC700G虽然在低速 中速领域有较好 的耐磨损性 但由于氧化铝膜较薄因此在高速 加工领域经常因月牙洼磨损导致达到寿命 因 此我们将AC810P的开发目标定为 高效率加 工 干式加工时耐月牙洼磨损性为以往材质 AC700G的1 5倍以上 2 2 通用材质AC820P的开发目标 为了明确其通用材质的开发目标 我们从 客户处回收了使用过的刀片 并对使用条件和 损伤状态进行了调查 我们将从大约100个客 户处回收的刀片以切削速度和被削材为区分 调查了刀具寿命要因 调查发现 使用条件 中 中碳钢 渗碳钢 轴承钢的切削速度在 250m min以下的领域最多 超过了全体的半 数 次之的是相同被削材的250m min以上的 领域 这2种使用条件占了全体的8成 在此种 使用条件下影响刀具寿命的要因是涂层膜的微 小崩损 占了超过半数 整体来看此种微小崩 损的损伤也是最多的 据此结果 我们将通用 材质开发中最重要的课题定为减轻微小崩损 并将性能目标定为耐崩损性达到以前材质的 1 5倍以上 另外 关于客户呼声很高的高效 率加工 鉴于前刀面损伤占了近3成 为了在 高效率加工下延长寿命 我们判断对比以前材 质1 5倍以上的耐前刀面损伤性是必要的 2 3 重断续材质AC830P的开发目标 被削材中含断续部分的加工由于反复发生 冲击 令刀具突发性的发生崩损 另外 不仅 是断续加工 被削材的稳定性 组织 硬度 表面粗糙度等 不好时 以及车床 治具 刀 杆等装夹自身的刚性较低时也会较容易发生突 发性的刀具问题 其结果导致了刀具寿命的不 稳定性变大 需要不定期更换刀具 需要持续 有人看管机床 理论上不会发生崩损的少量加 工也需更换刀具 最终造成了生产性的低下与 加工成本的增加 因此 我们将重 断续用材 质的性能目标定为耐崩损性达到以前材质的2 倍以上 2 4 高速用材质AC810P的开发 AC810P是由新开发的高强度厚膜氧化铝 与本公司独有的CVD涂层膜 超级FF涂层 所组成的 图3 照片1 图3 AC810P的截面图 AC700G AC810P 12 m 18 m 厚膜化厚膜化 FF TiCN 氧化铝 3 为了提高耐月牙洼磨损性 我们使用高精 度分析仪器对月牙洼磨损形态做了详细调查 发 现氧化铝膜强度低时 损伤发展并非呈磨损性 而是呈破坏性 若氧化铝膜呈破坏性发展下去 损伤将加速进展 因此厚膜化的效果在还未充足 发挥时刀具即已达到了寿命 我们为了提高涂层 膜自身的性能 将结晶粒度进行最适化 开发了 可控制氧化铝膜中龟裂经路的高强度氧化铝膜 图4 成功将前刀面损伤转化为平滑的磨损性 发展 而且通过将高强度氧化铝最大限厚膜化 实现了耐月牙洼磨损性的大幅提高 图5表示了AC810P 以往产品AC700G 以及其他公司的P10级材质的V T线图 即使在低速 中速加工时AC810P在达到 Vb 0 20mm时的寿命也比其他公司长1 5 倍 特别是在V 300m min的高速条件下 AC810P可发挥优异的耐磨损性 从图5可以 看出 AC810P与其他产品相比 在同条件下 可达1 5倍以上的长寿命化 或者可提高10 的加工速度 通过对以往产品AC700G的市场 调查 我们提出了另一个课题 即耐崩损性的 提高 通过对崩损以及膜剥离的损伤结构的解 析 我们明白了损伤是从刃口棱线部为起点开 始的 AC810P在涂覆了耐磨损性优异的厚膜 涂层的同时 为提高耐崩损性还采用了特殊表 面处理 即 将作为崩损与膜剥离损伤起点的 刃口棱线部的氧化铝膜进行薄膜化 从而提高 耐崩损性 成功克服了伴随着厚膜涂层的欠 缺 从图6可以看出AC810P相比其他公司同级 别材质 耐崩损性达到1 5倍以上 2 5 通用材质AC820P的开发 AC820P是由新开发的硬质合金母材与本 公司独有的CVD Chemical vapor deposition 涂层膜 超级FF涂层 所组成的 图7 图4 高强度氧化铝的特性 4 05 06 07 08 09 0 40 50 45 60 55 Al2O3膜破坏韧性KIC MPa m1 2 膜硬度 Gpa AC700GAC810P 强度50 UP 耐Kt磨损型提高 耐剥离性提高 250 300 350 400 100101 相比其他公司P10等级材质 加工速度可提高10 寿命为其他公司P10等级材质的1 5倍 其他公司 P10 AC700G AC810P 达到VB 0 2mm时的切削时间 分 切削速度 m min 被削材 SCM435圆棒 切削参数 f 0 3 ap 1 5 wet 图5 AC810P的高速V T线图 图6 断续加工时AC810P的耐崩损性 刀具型号 CNMG120408 被削材 SCM435断续材 HRC32 切削参数 Vc 270 300m min f 0 18mm rev ap 1 5mm wet 010002000300040005000 其他公司市售材质 本公司以前材质 AC810P 达到崩损时的冲击次数 次 图7 AC820P的截面图 AC820P 以往涂层 高精度 新开发硬质合金 母材 耐磨损型 耐剥离性 优异的超微粒 FF TiCN涂层 通过新开发的平滑 氧化铝和膜厚控制技术 大幅提高了耐粘屑性和 耐崩损性的FF 氧化铝 涂层 1 m 4 1 耐崩损性的提高 为了抑制微小崩损 必须保证涂层膜的强 度 图8所示为用以前技术涂层的TiCN膜和超 级FF涂层技术成膜的TiCN膜的组织对比 超 级FF涂层技术令TiCN膜的颗粒大幅微粒化 并且形成了非常微密且均一的组织 从而提高 了TiCN膜的硬度并且提高了耐崩损性 另外 还采用了能够对应高效率加工 高温稳定性好 的高硬度 型氧化铝 以前的 型氧化铝膜的 颗粒度较大 表面也比较粗糙 因此随之带来 了易粘屑 易产生小崩口的缺点 为了改善此 欠缺 我们将CVD涂层条件进行了最优化 成 功得到了表面粗糙度为以前1 2的平滑的 型 氧化铝 图9 最终 我们成功提高了 型氧化铝的耐崩 损性 2 耐前刀面损伤性的提高 除了TiCN膜和 型氧化铝膜的高强度 平 滑化 我们还将TiCN膜增厚至以前的1 3倍 氧化铝膜增厚至原来的4倍 从而实现了耐 磨损性的提高 图6所示为高效率加工条件 下的耐磨损性评价结果 我们对新开发的 AC820P 以前材质AC2000 和市售的其他公 司的材质进行了耐磨损性对比 AC820P相比 以前材质与其他公司材质皆达到了2倍以上的 耐前刀面损伤性和耐后刀面磨损性 3 耐崩损性和耐磨损性的并存 虽然通过加厚涂层膜提高了耐磨损性 但是 耐崩损性随之降低 为了解决这个问题 我们新 开发了去除作为崩损及剥离的损伤基点的刃口稜 线部的氧化铝膜的膜厚控制技术 从而成功令耐 崩损性和耐磨损性得到并存 图11所示为耐崩损 性的评价结果 我们以刃口到达崩损时的冲击次 数来评价耐崩损性 AC820P相比以前材质 其 他公司材质 耐崩损性达到了1 5倍以上 图8 超级FF涂层TM FF TiCN 的特长 表面组织截面组织 以前陶瓷涂层超级FF涂层 图9 超级FF涂层TM FF 型氧化铝 的特长图9 超级FF涂层TM FF型氧化铝 的特长 Al2O3 膜截面图 膜截面图 Al2O3 MT TiCN MT TiCN 以往 型氧化铝 压入硬度 新开发 平滑 型氧化铝 以往 氧化铝 表面粗糙度 Ra m 图10 连续 高进给加工时的耐磨损性切削结果 本公司以往 材质 AC820P 其他公司 市售材质 0 2mm 刀具型号 CNMG120408 被削材 S45C圆棒 HRC27 切削参数 Vc 270m min f 0 4mm rev ap 1 2mm WET 耐磨损性 2倍以上 切削时间 min 后刀面磨损宽度 mm 12分时的刃口损伤 5 2 6 重 断续材质AC830P的开发 在本领域使用的硬质合金母材重视耐崩损 性 因此结合剂Co的含量较多 约有10wt 硬质合金自身的尺寸精度有降低倾向 使用 这种刀片时 刀尖的位置随刀角更换变化较大 从而导致加工精度低下 与刀杆的装夹也不稳 定 会产生突发性的崩损等影响刀具寿命的问 题 为了实现加工精度及刀具寿命的稳定化 我们并没有减少AC830P中的Co含量 而是将 组织及烧结条件做了最优化处理 达成了相比 以前2 3的刃口位置精度 图12 实现了加工精 度及刀具寿命的稳定化 另外 AC830P是本公司独有的CVD涂 层 超级FF涂层 即采用了细微且平滑的 TiCN膜和平滑的高耐粘屑性的K型氧化铝膜的 层积膜 相比以前的涂层大幅提高了耐磨损性 和耐剥离性 而且 我们新开发了涂层膜的内 部应力控制技术 成功降低了CVD涂层膜所特 有的残留扩张应力 耐崩损性相比以往材质有 了飞跃性的提高 图11 断续加工时的耐崩损性切削结果 AC820P 刀具型号 CNMG120408 被削材 SCM435断续材 HRC32 切削参数 Vc 320m min f 0 25mm rev ap 1 5mm WET 耐崩损性 2倍以上 到达蹦损时的冲击次数 次 断续切削时的评价结果如图13所示 我 们用以往材质AC3000和市售的以往刀具来与 AC830P做对比 切削性能以达到崩损的冲击 次数来评价 测试结果显示了AC830P相比以 往材质2倍以上的耐崩损性 另外 低碳钢的强断续切削的评价结果 如图14所示 以往刀具在走第20刀时即出现 涂层膜剥离与磨损扩散进而达到刀具寿命 而 AC830P在走了30刀后还保持良好的损伤形态 因此 在断续加工时AC830P更为适用 达成了相比以往材质2倍以上的长寿命化 图12 刃口位置精度 AC830P 以往材质 0 20 40 20 40 位置精度 m 跳动 83 m 跳动 53 m 位置精度达到 以往材质的2 3 图13 断续加工时的切削结果 AC830P 到达崩损时的冲击次数 次 本公司 以往材质 其他公司 市售材质 刀具型号 CNMG120408 被削材 SCM435断续材 HRC30 切削参数 Vc 220m min f 0 3mm rev ap 1 5mm WET 1000200030004000500060000 耐崩损性 2倍以上 图14 低合金钢的强断续加工切削结果 刀具型号 CNMG120408 被削材 SCM415穴材 HRC25 切削参数 Vc 200m min f 0 2mm rev ap 1 0mm WET 0 2mm AC830P其他公司市售材质 切削长度 pass 102030 0 0 05 0 10 0 15 0 20 后刀面磨损宽度 mm 其他公司市售材质 AC830P 8pass时的刃口损伤 耐剥离性 大幅提高 6 3 高效率断屑槽 GE型的开发 在开发通用 重 断续材质的同时 我们 也开发了高速 高进给等高效率加工时可大幅 降低前刀面损伤的 GE型断屑槽 3 1 GE型的特长 在着手GE型的开发之前 我们实施了再 现实际前刀面损伤的模拟计算 确认了应力分 布状况 结论为 相比断屑槽与切屑的接触面 小且集中的情况 接触面分散且冲击角度小的 情况更能缓和应力 我们以此想到了在高效率 加工时降低前刀面损伤的方法 并且应用到了 GE型断屑槽中 图15 4 AC810P AC820P AC830P的切削 性能 4 1 AC810P的切削性能 图16为AC810P的使用实例 在进给速度 f 0 35 0 45mm rev 的高进给加工时 相比 其他公司的P10材质 在加工了1 4倍的距离时 月牙洼磨损也较轻微 刃口损伤也比较稳定 同时 V 400m min的高速干式加工时 相比 其他公司的P05材质 在加工了1 4倍的距离时 月牙洼磨损与后刀面磨损也较稳定 可见 在 相比P10等级对耐磨损性要求更高的P05等级 领域中也显示了优异的耐磨损性 MPa MPa 高效率加工时的 前刀面损伤减轻 月牙洼磨损 应力集中 断屑槽损伤 应力缓和 刀具 CNMG120408 被削材 SCM435 Vc 250m min f 0 4mm rev ap 1 0mm dry 15min加工后 模拟解析结果 图15 以往产品与GE型的模拟结果和损伤 以往产品GE型 图16 AC810P的使用实例 AC810P GE420个 c 其他公司市售材质 P10 300个 C 被削材 轴类 SCr415 刀具 DNMG150612 切削参数 Vc 204m min f 0 35 0 45mm rev ap 1 0 3 0mm Wet Vb 0 12mm Vb 0 17mm 寿命延长1 4倍 刃口稳定 被削材 传动轴 SNCM220H 刀具 WNMG080412 切削参数 Vc 400m min f 0 42 0 65mm rev ap 0 8 1 5mm Dry 高速干式加工时 现状刀具因月牙洼 磨损的发展 令刃口到达崩损 另一方面 提高了耐磨损性的 AC810P在加工了相同数量时月牙洼 磨损轻微 达成1 4倍的寿命 AC810P GE Vb 1 14mm Vb 0 67Vb 0 30mm 70个 c50个 c 其他公司市售材质 P05 50个 C 寿命延长1 4倍 刃口稳定 现状刀具由于月牙洼磨损导致 刃口塌落 刃口呈不稳定状态 另一方面 提高了耐月牙洼磨损性 的AC810P达成了1 4倍的寿命 并且降低了损伤的不稳定性 7 4 2 AC820P的切削性能 图17为AC820P的使用实例 耐崩损性 耐磨损性都得到了均衡提高 并且 AC820P 与GE型的结合使用 在高进给条件下也得出 了良好的结果 图17 AC820P的使用实例 其他公司材质 130个 C 前刀面磨损 刃口磨损大 去黑皮粗加工时 相比其 他公司材质改善了崩刃损 伤 寿命成功延长1 5倍 其他公司材质 200个 C SCM420H 输出轴 刀具型号 DNMG150408 切削参数 Vc 180m min f 0 4mm rev ap 3 0mm WET AC820P GE 200个 C 连续仿型加工时 相比其他公司 高速用材质耐磨损性良好 寿命 成功延长1 5倍 S48C 汽轮机轮毂 刀具型号 DNMG150408 切削参数 Vc 200m min f 0 3mm rev ap 1 3 1 4mm WET AC820P GU 300个 C 4 3 AC830P的