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国际金属加工网 2018年06月22日

几乎所有金属制品都用刀片加工而成。无论是航空工业能源行业,还是消费品领域,均无例外。

刀片使用规模大、应用范围广,大型发动机缸体铣削,运动鞋制造商使用的模具,切削表盘加工……这些都离不开刀片的使用。

对刀片的要求也很多:高耐磨性、长刀具寿命、高金属去除率和高可靠性,甚至还要求在严酷条件(例如复杂的走刀和深型腔)下、干切或者湿切都具有高性能,保证工件尺寸的小公差且表面质量出色。

为了能够在极端受热和受力的情况下达到这种完美的性能,刀片采用世界上最坚硬的材质制成。毫无疑问,不折不扣的精密度绝对是成功的关键。

刀片的生产制作过程是一种艺术。山特维克可乐满的基默工厂是两座制造产品基体粉末的工厂之一。这种粉末被送到其它生产工厂或用于内部生产。

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山特维克可乐满基默工厂

刀片的精准之旅

典型的刀片由80%碳化钨和金属基体制成,金属基体的作用是将坚硬的硬质合金粉末粘接在一起,其中钴最常见。生产刀片的过程非常复杂,需要花两天以上的时间才能完成,会遇到大量的挑战。除了绝对精密和可靠外,清洁度是一个先决条件。整个过程必须做好质量保证,容不得丝毫的马虎。

第一步是保证每种具体粉末的成分配比恰到好处。钨是一种有限的原材料,来源于山特维克位于奥地利的矿山或再生刀片。钴、钛及其它所有成分来自经过精心挑选的供应商,他们可以保证质量一致,从而不会影响成品的质量。尽管如此,为了安全,每个批次都要在实验室进行一丝不苟的测试。然后主要成分自动分配到沿称重线不同站点的容器中。对于某些刀片,需要手动添加少量特殊成分。经过所有不同站点后,满箱的重量将达数百千克。

下一步是研磨,将容器内的成分与乙醇、水和有机化合物混合,并将它们研磨至所需的粒度:通常直径为0.1~5微米。此过程耗时8~55小时,具体取决于成品的配方。合成物是一种灰色的浆料,其稠度与酸奶饮料差不多。然后将浆料泵入喷雾干燥器中,喷雾干燥器用热氮气蒸发乙醇和水的混合物。

当粉末干燥时,它由直径约100微米的球形颗粒组成。样品被送到实验室进行质量检查。然后,将现成的粉剂填充到较小的桶中,并使用压制机加工,由其中有机化合物充当粘接剂,在压制后将粉末粘接在一起。特定刀片的模具就位后,模具内腔就会充满粉末,机床在制造单个刀片时,可施加50吨的压力。即使整个过程的自动化很高,每张刀片仍会被称重,然后操作人员以一定的时间间隔进行外观控制,以确保最高的质量和精度。在此阶段,刀片仍然非常脆弱,所以下一步就是进入烧结炉。

烧   结

烧结炉一次可烧结数千片刀片。刀片被加热到大约1,500℃,其中工艺过程耗时约13小时,并使压制的粉末熔化成硬质合金,这种合金是一种极其坚硬的材质。然而,这个过程会导致严重的收缩:烧结刀片的尺寸只有压制件尺寸的一半左右。在再次送往实验室进行质量检查后,将刀片的顶部和底部磨削至正确的厚度。因为硬质合金非常坚硬,要使用含有1.5亿颗工业金刚石小颗粒的砂轮,才能将其磨至正确厚度。通常情况下,刀片还要再次打磨,以达到其精确的槽型和尺寸。

这是制造过程中的关键一步,使用6轴磨床,可确保非常严格的公差,以至于在基默工厂一直流传着这样一则笑话:“如果你打个喷嚏,公差马上就会发生变化”。

刀片打磨好后,马上清洁并涂层。为了避免任何油脂或灰尘,拿取刀片时必须戴好手套。刀片涂层有化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两种不同的涂覆方式。在典型的CVD中,刀片基体接触一种或多种挥发性涂覆气体,涂覆气体在刀片基体表面上反应,以生成所需的沉积物。物理气相沉积工艺在低压炉中进行,将刀片放置在旋转式传送带上并进行涂覆,使刀片变得更加坚硬、更加强韧,甚至更加耐磨。

完成此工步后,刀片随时可包装和运输,但装运前还要进行一次彻底的质量检查。即使在整个过程中经过多次检验,但还是要用肉眼进行手动检查。另外,还要与蓝图和批次订单进行比较,用激光打上正确的材质标记。

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基默工厂的生产线

 

重视环保

但是,这仅仅是刀片的开端。与此过程中使用的其他原材料一样,钨也是一种有限的资源,回收再利用是至关重要的。刀片的使用寿命期间,实际上刀片只有很少的一部分被磨损,大部分材料可再利用。回收有价值的天然资源的方式有多种,其选择取决于所使用的刀片组成成分:通过锌工艺的直接再循环,废旧硬质合金通过化学手段和/或物理手段分离成粉末而不改变其实际组成成分,最大限度地降低能耗和减少化学废弃物; 通过间接的化学回收,所有材料都溶解成原子组分,通过提纯、萃取和结晶工艺后,得到初制品,然后进行热粉末冶金工艺。

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在其它工步中,保护环境的可持续解决方案也已到位:例如,烧结炉排出的多余热量被回收后,用于大楼冬季制热或夏季制冷。此外,我们还回收打磨过程中收集的多余硬质合金以及用作切削液的油。

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基默工厂生产的GC4335刀片

山特维克可乐满技术平台研发总监Marco Zwinkels说:“我们的重点是确保不折不扣的产品质量,因此,我们制定了非常完善的质量保证过程。与此同时,我们深刻意识到,我们不能浪费珍贵的原材料,所以我们竭尽所能让生产工艺更加环保。这就是现在用于制造刀片的大多数材料都来自回收工艺的真正原因。”

(山特维克可乐满 )

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