李怡然，丁 科，晏 然，龍果銳

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410021)

硬質(zhì)合金是一種硬度、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性都非常優(yōu)良的合金材料，最為常見的硬質(zhì)合金為碳化鎢基體的硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金因?yàn)槠湮锢硖匦?，主要用于制造切削工具和耐磨零部件，被廣泛應(yīng)用于軍工、航天航空、機(jī)械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、電子通訊、建筑等領(lǐng)域。硬質(zhì)合金與工業(yè)的發(fā)展的密切相關(guān)，被譽(yù)為“工業(yè)牙齒”。

數(shù)控刀片是可轉(zhuǎn)位車削刀片的總稱，是現(xiàn)代金屬切削應(yīng)用領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。主要應(yīng)用在金屬的車削、銑削、切斷切槽、螺紋車削等領(lǐng)域。硬質(zhì)合金數(shù)控刀片是最主要的一種數(shù)控刀片，應(yīng)用最為廣泛，市場(chǎng)流通量最大。1969年瑞典研制了基于硬質(zhì)合金基體的碳化鈦涂層刀具，通過表面幾微米厚的碳化鈦涂層，提高了刀片的使用壽命近3倍，切削速度提高25%～50%。近年來(lái)，隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，硬質(zhì)合金涂層刀片的性能進(jìn)一步提升，涂層刀片的流通量也進(jìn)一步提高，目前市場(chǎng)流通的數(shù)控刀片中約70%以上為涂層數(shù)控刀片。

我國(guó)在硬質(zhì)合金行業(yè)的起步于上世紀(jì)五十年代，伴隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展不斷進(jìn)取，取得了較多的優(yōu)秀成果，但客觀而言整體技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平仍具有一定差距。尤其在硬質(zhì)合金數(shù)控刀片領(lǐng)域，我國(guó)起步較晚，與國(guó)際先進(jìn)水平差距較為明顯。21世紀(jì)初我國(guó)才開始自主建設(shè)硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線，距今僅十余年。但近年來(lái)隨著行業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的積累與發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)了多個(gè)硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線，相應(yīng)崛起了多個(gè)自主品牌的數(shù)控刀片生產(chǎn)企業(yè)。我國(guó)自主生產(chǎn)的部分硬質(zhì)合金數(shù)控刀片產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了替代進(jìn)口，并逐步擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。本文對(duì)我國(guó)近年來(lái)建設(shè)的多個(gè)硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線項(xiàng)目進(jìn)行了歸納總結(jié)，整理出符合當(dāng)前生產(chǎn)工藝技術(shù)的生產(chǎn)線建設(shè)方案，為行業(yè)發(fā)展提供參考。

1 硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)工藝

1.1 生產(chǎn)工藝流程

硬質(zhì)合金數(shù)控刀片的生產(chǎn)是在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金粉末冶金生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，并在合金刀片的基礎(chǔ)上進(jìn)行磨削加工和涂層工序，最終形成質(zhì)量合格的硬質(zhì)合金數(shù)控刀片。其主要工序包括混合料制備、壓制成型、燒結(jié)、磨削加工、表面處理、涂層、成檢包裝。硬質(zhì)合金數(shù)控刀片的生產(chǎn)通常由混合料制備工序開始，主要是由于混合料長(zhǎng)途運(yùn)輸過程容易發(fā)生質(zhì)量損壞，直接影響數(shù)控刀片產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，由于混合料制備工序使用較多酒精，為保證生產(chǎn)的安全性，結(jié)合國(guó)家相關(guān)工程法規(guī)的要求，通常將混合料制備工序與后段工序獨(dú)立設(shè)置。

（1）混合料制備工藝流程如下：檢驗(yàn)、鑒定原材料→配料計(jì)算、確定球磨時(shí)間→配料→球磨→噴霧干燥（或真空干燥）→混合料檢驗(yàn)鑒定→包裝入庫(kù)。

（2）硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)工藝流程如下：合格混合料→模具設(shè)計(jì)與制造→壓制成型→真空快冷燒結(jié)→試驗(yàn)室毛坯性能檢測(cè)→毛坯產(chǎn)品外觀尺寸檢查→合格毛坯產(chǎn)品→數(shù)控刀片加工基面→周邊、刃口加工→噴砂、清洗→CVD/PVD涂層→試驗(yàn)室涂層性能檢測(cè)→涂層產(chǎn)品外觀質(zhì)量檢查→包裝入庫(kù)。

1.2 主要工藝說(shuō)明

混合料制備的主要工藝說(shuō)明：

（1）混合料制備采用PEG作為成型劑、酒精作球磨介質(zhì)的噴霧干燥制取混合料的工藝技術(shù)。

（2）球磨、噴霧干燥按工作區(qū)分開，但又能互相溝通和聯(lián)系。輔助系統(tǒng)與主體工藝分開，避免相互干擾。

（3）采用噴霧干燥工藝，噴霧干燥有著其他干燥方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：①瞬間干燥；②物料本省不承受高溫，從而使產(chǎn)品質(zhì)量好，混合料呈球狀，粉末流動(dòng)性好，選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，可使顆粒為空心球，這種粉末具有良好的成形性能；③生產(chǎn)控制方便，噴霧干燥系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，消除了人為因素的影響，生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)的主要工藝說(shuō)明：

（1）模具制造：根據(jù)數(shù)控刀片產(chǎn)品的外形尺寸和性能特點(diǎn)，針對(duì)性設(shè)計(jì)并制造壓制模具。

（2）壓制工序：將原料庫(kù)中的混合料通過拖車運(yùn)送至壓制間，采用自動(dòng)壓制成型工藝分別通過進(jìn)口自動(dòng)壓機(jī)獲得刀片毛坯，并對(duì)毛坯進(jìn)行初檢，合格品進(jìn)入燒結(jié)工序，不合格品回收。

（3）燒結(jié)工序：采用壓力燒結(jié)工藝對(duì)硬質(zhì)合金刀片毛坯進(jìn)行加壓燒結(jié)，可獲得高質(zhì)量、高密度、幾乎無(wú)空隙的制品。燒結(jié)完的產(chǎn)品需進(jìn)行檢測(cè)，不合格品回收，合格品進(jìn)入研磨生產(chǎn)工序。

（4）研磨工序：采用端面磨、周邊磨等加工工藝對(duì)燒結(jié)后的刀片毛坯深加工，以獲得不同型號(hào)及規(guī)格的產(chǎn)品。

（5）鈍化清洗工序：采用鈍化清洗工藝對(duì)加工后的刀片毛坯去毛刺、刃口倒圓、切削槽平整和拋光，以改善切削流、降低切削阻力、提高表面質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命。

（6）涂層工序：采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)使氣態(tài)的初始化合物之間發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)或采用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)產(chǎn)生金屬粒子與反應(yīng)氣體反應(yīng)，形成固體物質(zhì)沉積刀片基體表面，從而獲得不同要求的涂層數(shù)控刀片。

2 設(shè)備選擇

關(guān)鍵設(shè)備選擇。

2.1 噴霧干燥塔

噴霧干燥系統(tǒng)主要包括噴霧干燥塔、導(dǎo)熱油系統(tǒng)、產(chǎn)品回收系統(tǒng)、球磨液回收系統(tǒng)和CIP自動(dòng)清洗系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。加熱用氮?dú)饨?jīng)油氣熱交換加熱后進(jìn)入干燥塔，物料經(jīng)噴咀噴入干燥塔，酒精經(jīng)淋洗/冷凝后回收，抽出的物料經(jīng)旋風(fēng)除塵器后回收。此噴霧干燥塔具有自動(dòng)清洗功能，可以清洗到干燥室、旋風(fēng)除塵器的各個(gè)部分，不需人工進(jìn)行清洗，清洗質(zhì)量高。

2.2 自動(dòng)粉末壓機(jī)

伴隨設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的提升，目前硬質(zhì)合金數(shù)控刀片行業(yè)普遍更新為自動(dòng)粉末壓機(jī)。自動(dòng)粉末壓機(jī)可以有效的提高生產(chǎn)效率，并減少工作人員。選用設(shè)計(jì)優(yōu)良、精度高的模具，可以提高燒結(jié)后制品的質(zhì)量和精度，能較大程度的減少數(shù)控刀片毛坯的加工余量，甚至部分產(chǎn)品毛坯可以減免加工工序。

2.3 真空壓力燒結(jié)爐

硬質(zhì)合金指標(biāo)選用的加壓燒結(jié)爐是集正壓脫蠟、負(fù)壓脫蠟、真空燒結(jié)、托瓦克燒結(jié)、分壓燒結(jié)、加壓燒結(jié)、氣氛控制、冷卻等功能于一體，整個(gè)工藝過程全自動(dòng)控制。為滿足不同的工藝要求，可以實(shí)現(xiàn)在不同壓力和溫度下導(dǎo)入Ar、H2、CH4、N2等氣體或氣體組合。近五年我國(guó)自主品牌的壓力燒結(jié)爐技術(shù)實(shí)現(xiàn)較大突破，基本可以替代進(jìn)口。

2.4 涂層爐

目前國(guó)產(chǎn)涂層設(shè)備技術(shù)還有一定程度的不足，行業(yè)內(nèi)使用的生產(chǎn)設(shè)備基本依賴于進(jìn)口。涂層工序分為CVD和PVD兩種，CVD涂層爐通常采用Ionbond生產(chǎn)的設(shè)備，PVD涂層爐通常采用Oerlikon Balzers、Ionbond、CemeCon三個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備。

3 土建和公用配套

3.1 土建

混合料廠房生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)類別為甲類，耐火等級(jí)常按二級(jí)考慮。結(jié)構(gòu)形式采用輕鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土柱+鋼排架結(jié)構(gòu)，廠房屋架下弦高6m，局部噴霧大廳下弦高為12.5m。生產(chǎn)區(qū)域采用防塵不發(fā)火重載地面，地面載荷按5t/m2。

數(shù)控刀片廠房生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)類別為丁類，耐火等級(jí)常按二級(jí)考慮。結(jié)構(gòu)形式采用輕鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土柱+鋼排架結(jié)構(gòu)，廠房屋架下弦高6m。生產(chǎn)區(qū)域采用環(huán)氧樹脂自流平地面，地面載荷按5t/m2。

3.2 動(dòng)力

混合料噴霧制粒工序使用大量氮?dú)?，用氣量較大，通常設(shè)置制氮機(jī)組。燒結(jié)工序使用大量高壓氬氣，設(shè)置液氬站降壓后供應(yīng)。涂層工序使用甲烷、硫化氫、氯化氫、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、乙晴、四氯化鈦等特種氣體或液體，根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)能情況，產(chǎn)能較大時(shí)用氣量較大，通常獨(dú)立設(shè)置特種氣體站房，產(chǎn)量較少時(shí)可在廠房?jī)?nèi)設(shè)置特種氣體間。噴砂、清洗工序使用大量壓縮空氣，通常獨(dú)立設(shè)置空壓機(jī)房供應(yīng)。

3.3 暖通

球磨、壓制、模具精加工等生產(chǎn)工段需設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)，采用帶轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的組合式空氣處理機(jī)組。研磨、涂層、清洗、成檢包裝工段需設(shè)置舒適性空調(diào)，采用風(fēng)機(jī)盤管/吊頂式空氣處理機(jī)組+新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。

球磨機(jī)、噴霧干燥塔、PVD涂層爐、CVD涂層爐等設(shè)備需要使用工藝?yán)鋬鏊?，通常在廠房輔助間內(nèi)設(shè)水冷式冷水機(jī)組供應(yīng)。

3.4 給排水

除常規(guī)生產(chǎn)和消防用水外，硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線需要配置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和純水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要供壓力燒結(jié)爐冷卻用水，設(shè)備對(duì)水質(zhì)有要求，需要使用軟化水，設(shè)計(jì)采用閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。純水系統(tǒng)供超聲波清洗機(jī)使用。

3.5 電氣和弱電

壓力燒結(jié)爐、涂層爐、噴霧塔等設(shè)備用電負(fù)荷較大，廠房配電負(fù)荷中心在燒結(jié)工段，通常就近設(shè)置配電房。混合料廠房為甲類廠房，不宜設(shè)置配電房，通常有數(shù)控刀片廠房變配電房兼顧配電。

混合料廠房的球磨間、噴霧大廳設(shè)酒精可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)，數(shù)控刀片廠房燒結(jié)區(qū)、涂層間、特種氣體間設(shè)可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)。爆炸性危險(xiǎn)區(qū)按《危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣防爆安全規(guī)范》（Q 3009-2007）考慮電氣防爆措施。

4 總結(jié)

根據(jù)硬質(zhì)合金數(shù)控刀片工藝特點(diǎn)，結(jié)合近年來(lái)對(duì)數(shù)控刀片生產(chǎn)線項(xiàng)目設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線項(xiàng)目建設(shè)方案進(jìn)行了系統(tǒng)性的介紹，分析并探討了硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)所需條件，包括生產(chǎn)工藝流程、主要設(shè)備選型、工程及公輔系統(tǒng)配套需求，為硬質(zhì)合金數(shù)控刀片生產(chǎn)線項(xiàng)目建設(shè)提供了一個(gè)全面的參考方案。