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過去七十年，制造業(yè)經歷了一場史無前例的技術革命，金屬零件的加工數(shù)量提高了成百上千倍，而加工時間大大縮短。通過提高金屬去除率、延長刀具壽命、減少停機次數(shù)、改善刀具拆裝的便捷性、提高運行性能，從而使加工成本大幅降低。
金屬切削是工業(yè)生產的重要組成部分，通過提高生產效率，該領域的技術創(chuàng)新對整個經濟的發(fā)展起著十分積極的作用。它可以促進社會繁榮，改善生活質量。
刀具材質，尤其是硬質合金，是金屬切削中最主要的因素之一。這是因為金屬加工時，切削刃的性能在提升整個制造業(yè)生產效率方面發(fā)揮著十分巨大的作用。
作為行業(yè)先鋒，山特維克可樂滿從五十年代開始，不斷加快材質研發(fā)步伐，相繼推出大量創(chuàng)新技術。
現(xiàn)代切削刀具問世
十九世紀初，所有金屬加工公司必須自制刀具或購買非標刀具。沒有任何刀具和解決方案的標準程序。刀具材料主要是高速鋼，焊接硬質合金刀具逐漸開始使用。以后，機床、設備、數(shù)控和刀具取得了突飛猛進的發(fā)展，生產效率和加工質量水平顯著提高。
山特維克可樂滿自五十年代開始推出可轉位刀具以來，加工產量已經成倍翻番。我們從現(xiàn)成標準化刀具的思路著手，一路引領高科技刀具和加工方法新潮流。在研發(fā)制造工藝時，同樣需要刀具材料的創(chuàng)新，需要材料科學技術知識。通過充分利用刀具材料，我們在刀片的制作過程中設定并實現(xiàn)了材質目標。
質量和創(chuàng)新
眾所周知，1942年山特維克開始涉足金屬切削行業(yè)。山特維克可樂滿是在開發(fā)硬質合金作為優(yōu)質刀具材料的經營理念基礎上成立的。這種合成刀具材料已經為人們所熟知幾十年，但是能充分利用其特性的應用還十分有限，主要用于巖石鉆孔。然而，硬質合金后來取得的成功，全都歸功于接二連三的創(chuàng)新技術。進入1943年，山特維克可樂滿新研制出了六種合金刀具材質，而十年后，它就研發(fā)出了多達十二種可應用于多種領域的可優(yōu)化像焊接刀具之類的金屬切削材質。
如何把控用于切削刀具的硬質合金的質量是山特維克可樂滿最開始面臨的技術難題，這也是與客戶不斷交流得到的反饋。1954年，山特維克可樂滿建立了一座專門的硬質合金工廠，引進了大量的研發(fā)設施，為實現(xiàn)嚴格質量控制，邁出了最關鍵的一步。質量控制一直被視為全世界可樂滿刀具的重要基石。
1957年，山特維克可樂滿推出了第一批可轉位刀片刀具——T-Max車削刀具系列。盡管開始可轉位刀片的市場很小，但是當一些制造業(yè)行業(yè)巨頭們開始采用這種刀片時，刀片工具系統(tǒng)的應用迎來了希望的曙光，并在日后的使用中飛速發(fā)展。加工車間已經采用效率高、產量大的加工技術，不再需要重磨的焊接刀具。
早期（1956年）非涂層材質的創(chuàng)新是一種被稱為Coromant S1 Premium的刀片材質——世界上第一個提高生產效率的“助推器”。S1P大幅提高切削參數(shù)并延長使用壽命，在車床行業(yè)首屈一指，超群絕倫，大幅縮短了精加工和輕粗加工的加工時間。同時，采用優(yōu)質材質刀具車削各類鋼件甚至合金鑄鐵時，無需任何冷卻液。這種材質特別適合可轉位刀片，確實使業(yè)界人員大開眼界，并期盼通過刀具材料創(chuàng)新，改善加工環(huán)境。
六十年代，還研發(fā)了適合其他應用的刀片和材質，例如銑削、鉆削和螺紋切削。1963年，可樂滿已經有十八種（非涂層）刀片材質上市，覆蓋加工業(yè)的多個領域。
涂層理念實現(xiàn)質的飛躍
可轉位刀片理念是1970年以后的重大創(chuàng)新。這種理念完全不用考慮硬質合金的可焊接性和可磨性等特性，打開了研發(fā)硬質合金的新思路。研究結果表明，在刀片上涂上一層很薄的涂層，對提高切削速度和延長刀具使用壽命有顯著效果。采用化學氣相沉積法（CVD），在刀片基材上可形成一層幾微米厚的堅硬碳化鈦。第一款涂層合金刀片由此誕生：GC125這種開創(chuàng)性創(chuàng)新技術，使改善加工性能向前邁出了一大步。
采用涂層刀片材質，通過加快切削速度和延長刀具使用壽命，大大縮短了加工時間。七十年代初，又開發(fā)了兩種涂層材質（GC135和GC315），與GC125分別用于不同應用領域。最初的這三種涂層材質，是使用標準材質的基體，后來被認為是這三種材質的局限所在。之后，又研發(fā)了專用刀片基體，用于涂覆專用涂層，從而改善了涂層刀片的性能。第一種材質是1973年推出的GC1025，這種材質采用涂層專用基體，是第二代涂層材質的代表。
其他刀具制造廠對這些創(chuàng)新技術的第一反應是持不信任態(tài)度，但是很快又不得不接受現(xiàn)實——因為性能確實得到明顯改善，這些創(chuàng)新為行業(yè)制定了新標桿。
創(chuàng)新層出不窮
七十年代是極不平凡的十年，切削刀具技術的新工藝、新方法大量涌現(xiàn)，加工性能日益提高。1969年，一般混合式走刀車削零件的切削時間是5.5分鐘。十年后，加工同樣的零件僅需要1.5分鐘。為什么在提高生產效率方面能取得如此驚人的進步？主要是因為持續(xù)研發(fā)涂層材質取得了顯著進步。同時，山特維克可樂滿七十年代研發(fā)出的多種創(chuàng)新型刀具解決方案也發(fā)揮了舉足輕重的作用。例如：山特維克可樂滿最早推出可轉位刀片切斷刀具，首創(chuàng)雙涂層刀片材質和減振鏜桿，率先設計出正前角車削刀片和開式波浪形斷屑槽，是可轉位刀片鉆頭的鼻祖等等。
七十年代中期，首次使用含氧化鋁涂層的刀片時，涂層材質向前邁出重大步伐——含氧化鋁的涂層是一種化學穩(wěn)定性很高的陶瓷材料，高溫耐磨性高、導熱系數(shù)小，可防止刀片基體受熱。因此，山特維克可樂滿研發(fā)并推出了用于車削領域的GC015，這款產品的主要特點是耐磨——通常用于高速車削精加工。這種材質首次使用可樂滿的專利技術——雙涂層解決方案，其中內層采用碳化鈦涂層。
此階段的局限之一是只能涂覆一層很薄的氧化鋁涂層。此前，研發(fā)刀具材料制造工藝一直是山特維克可樂滿科技創(chuàng)新的重要課題。1980年，催化化學氣相沉積法已經投入應用，催生了又一代新涂層材質：GC415，用于精加工。同時，研發(fā)了結實耐用的用于粗加工工序的材質GC435以及應用十分廣泛的GC425材質——此時，已經完成了整個材質系列的研發(fā)，覆蓋了鋼件車削的全部應用范圍，并加以優(yōu)化。八十年代，又研發(fā)出一種工藝，使碳化鈦和不同厚度的氧化鋁之間結合的更加牢固，采用這種工藝，生產出了性能更高的多層涂層刀片。
新一代刀片和新工藝
九十年代，研發(fā)出了二十多種新材質，其中大部分是涂層材質，并且大多數(shù)用于車削，工件材質不同，工序要求也不同。我們還研制了新一代涂層車削材質（GC4000系列），其中可使用更厚碳化鋁涂層的晶粒結構，強度大大改善，特別是GC4015材質，實現(xiàn)了更高切削速度的目標。
在研發(fā)涂層工藝的同時，我們的另一條思路是同時生產不同的材質。因為陶瓷材料固有的脆性，CVD涂層不能用于帶有鋒利切削刃的刀具。物理氣相沉積（PVD）工藝涂層采用新研發(fā)的材質（GC1025和GC1125），圓滿解決了這個問題。采用PVD涂層的切削刃韌度特別高，盡管這些涂層不能達到厚CVD涂層的耐磨水平，但是其耐磨性還是比非涂層刀具好很多。
從那時起，研發(fā)CVD和PVD工藝意味著兩類涂層材質的應用越來越相近，從而刀片材質的程序優(yōu)勢互補。隨著時間的推移，制造業(yè)應用場合、工況、工序、加工率、工件材料和零件質量的變化對研發(fā)這些新材質有著十分深遠的影響。
我們在刀具材料方面做了大量研發(fā)工作，已取得突破性創(chuàng)新成果。金剛石涂層刀片便是其中之一，這種材質通過采用合理的斷屑槽形，可以代替金剛石鑲尖刀片，用于車削鋁合金材料。此外還有用于精加工的金屬陶瓷刀片，用于超硬零件精加工的立方氮化硼刀片，用于耐熱合金加工的陶瓷刀片。以及一系列重要的刀片材質，用于銑削、鉆削、切斷和切槽、螺紋車削的可轉位刀片和整體硬質合金刀具。
工藝開發(fā)
九十年代中期，中溫（MT）CVD涂層工藝問世，這種工藝改善了需要涂覆的碳氮化鈦內層涂層晶體取向。我們還推出了細晶粒涂層，這種涂層對刀片性能發(fā)揮至關重要的作用。這些技術可以使多層涂層刀片材質強度更大，與刀片基體附著力更好，使用壽命更長，更安全，切削速度更快。
新的MT-CVD涂層工藝的另一大優(yōu)勢是基體不掉碳，在設計刀片基體時，選擇范圍更廣。新刀片基體對切削刃變形和熱裂不敏感——這兩種現(xiàn)象都具有破壞性，因此需要避免。采用這種技術生產的第一種材質是用于銑削的涂層材質：GC3020，然后是用于車削的材質LC25。但是，這也是GC4000系列車削材質成功背后的秘密。
梯度燒結技術成為山特維克可樂滿研發(fā)的重要源泉。這是形成功能梯度材料之處，例如富鈷表面層，可滿足基體性質的平衡要求。涂層刀片基體表面帶的組成成分是實現(xiàn)不同涂層刀片材質的重要考慮因素。這些先進技術主要用于改善切削刃的抗塑性變形能力。Gamma相主要分布在切削刃上，從而改善了硬性。切削刃以外，在碳化物中加入豐富的結合劑，可抑制開裂傾向，并提高了抗切屑沖擊性。
CVD涂層相對較厚，能與多種物質同時使用，達到不同效果。例如：碳氮化鈦硬度大、耐磨性好，加上氧化鋁的卓越性能，氮化鈦形成金黃色面涂層，增加耐磨性，方便檢查磨損情況。使用更薄、堅硬的PVD涂層的主要目的是通過連續(xù)或層狀涂層，增加耐磨性，增加涂層層數(shù)，粒徑可達納米級。
PVD涂層系列（例如綜合性能較好的氮化鈦）對碳氮化鈦進行了改進，具有較高的耐磨性；加入鈦－鋁氮化物，硬度和抗氧化性大大增加；采用氧化PVD，改善化學惰性和抗月牙洼磨損性。因此，CVD和PVD涂層刀片系列構成優(yōu)勢互補的應用系列，其中絕大多數(shù)性質可用于對加工工序進行全面優(yōu)化——切削刃的鋒利度是一個重要因素。
刀片材質研發(fā)的另一重要思路是后處理工藝的研發(fā)，主要包括涂層切削刃的噴砂和涂刷。這些工藝融入與涂層效果互補的不同刀片制造工藝中，對刀片表面具有顯著積極作用。
例如：采用噴砂作為后處理，涂層形成抗壓力，刀片韌度得到改善。
新世紀——新創(chuàng)新
始于本世紀初的硬質合金材質的研發(fā)表明涂層刀片仍然具有巨大潛力，我們還將繼續(xù)大規(guī)模研發(fā)。我們通過與加工車間保持密切聯(lián)系、從其加工需求中認識到這種巨大潛力。通過對材質要求的韌度和耐磨性以及抗變形能力、涂層附著力、厚度和切削刃紋路可靠性進行更加仔細的研究，加強了優(yōu)化應用和推薦應用范圍的準確定位。
二十一世紀，研發(fā)出了新一代刀片，繼續(xù)加大GC4000系列產品的研發(fā)步伐。
2005年，GC4225的問世標志著鋼件車削這種主導中間應用領域的材質改善躍上新臺階。明顯減小或完全消除磨損的研發(fā)取得重大進展。這種新材質的磨損機理截然不同，因此，刀具的使用壽命更長、更安全可靠。研發(fā)這種新材質的主要目標是在運用較高的切削速度時磨損進程慢、可預測、自然的后刀面磨損，并且這些目標已基本實現(xiàn)。新研發(fā)的材質如此圓滿成功并得到廣泛應用，以至于取代了ISO P15和P35刀片材質。已研發(fā)出的全新涂層和后處理涂層工藝，可提高性能，增加生產安全性。
繼續(xù)發(fā)掘涂層硬質合金的巨大潛力
為了實現(xiàn)刀片材質技術的下一步目標，山特維克可樂滿正在著力研發(fā)新的涂層技術、粉層技術、可轉位刀片壓制技術、切削刃處理技術、后處理技術和檢測新技術。下一代切削刀具將采用可轉位刀片和硬質合金刀具材料。
目的還是延長刀具使用壽命，使壽命更加可預測，同時尋求增加產量的機會。這些刀具材料還為全自動化無人加工工序和有限技術監(jiān)督提供解決方案，最根本的目的是降低用戶金屬切削加工的單件成本。
涂層硬質合金自1970年上市以來，盡管基本原理還是一樣，但是涂層刀片不斷改進，昔日的科幻故事最終變成現(xiàn)實。涉及的基礎研究以及工藝和研發(fā)方式方法都經歷了一段漫長發(fā)展過程，因為我們掌握了實際刀片材質研發(fā)的全部知識。當今可轉位刀片多層涂層以及專用的非涂層材質比先進的單涂層GC刀片的切削速度都要快很多，以前的材質根本無法相提并論。另外，提高這種刀具材料的通用性也還有巨大潛力。
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