硬質合金數控刀片生產線建設方案探討

李怡然，丁 科，晏 然，龍果銳

(中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410021)

硬質合金是一種硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性都非常優良的合金材料，最為常見的硬質合金為碳化鎢基體的硬質合金。硬質合金因為其物理特性，主要用于制造切削工具和耐磨零部件，被廣泛應用于軍工、航天航空、機械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、電子通訊、建筑等領域。硬質合金與工業的發展的密切相關，被譽為“工業牙齒”。

數控刀片是可轉位車削刀片的總稱，是現代金屬切削應用領域的主流產品。主要應用在金屬的車削、銑削、切斷切槽、螺紋車削等領域。硬質合金數控刀片是最主要的一種數控刀片，應用最為廣泛，市場流通量最大。1969年瑞典研制了基于硬質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，隨著涂層技術的發展，硬質合金涂層刀片的性能進一步提升，涂層刀片的流通量也進一步提高，目前市場流通的數控刀片中約70%以上為涂層數控刀片。

我國在硬質合金行業的起步于上世紀五十年代，伴隨著我國工業的發展不斷進取，取得了較多的優秀成果，但客觀而言整體技術水平與國際先進水平仍具有一定差距。尤其在硬質合金數控刀片領域，我國起步較晚，與國際先進水平差距較為明顯。21世紀初我國才開始自主建設硬質合金數控刀片生產線，距今僅十余年。但近年來隨著行業技術基礎的積累與發展，全國范圍內建設了多個硬質合金數控刀片生產線，相應崛起了多個自主品牌的數控刀片生產企業。我國自主生產的部分硬質合金數控刀片產品實現了替代進口，并逐步擴大市場占有率。本文對我國近年來建設的多個硬質合金數控刀片生產線項目進行了歸納總結，整理出符合當前生產工藝技術的生產線建設方案，為行業發展提供參考。

1 硬質合金數控刀片生產工藝

1.1 生產工藝流程

硬質合金數控刀片的生產是在傳統硬質合金粉末冶金生產工藝的基礎上進行優化和升級，并在合金刀片的基礎上進行磨削加工和涂層工序，最終形成質量合格的硬質合金數控刀片。其主要工序包括混合料制備、壓制成型、燒結、磨削加工、表面處理、涂層、成檢包裝。硬質合金數控刀片的生產通常由混合料制備工序開始，主要是由于混合料長途運輸過程容易發生質量損壞，直接影響數控刀片產品質量。同時，由于混合料制備工序使用較多酒精，為保證生產的安全性，結合國家相關工程法規的要求，通常將混合料制備工序與后段工序獨立設置。

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

（2）硬質合金數控刀片生產工藝流程如下：合格混合料→模具設計與制造→壓制成型→真空快冷燒結→試驗室毛坯性能檢測→毛坯產品外觀尺寸檢查→合格毛坯產品→數控刀片加工基面→周邊、刃口加工→噴砂、清洗→CVD/PVD涂層→試驗室涂層性能檢測→涂層產品外觀質量檢查→包裝入庫。

1.2 主要工藝說明

混合料制備的主要工藝說明：

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

（2）球磨、噴霧干燥按工作區分開，但又能互相溝通和聯系。輔助系統與主體工藝分開，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可比擬的優勢：①瞬間干燥；②物料本省不承受高溫，從而使產品質量好，混合料呈球狀，粉末流動性好，選擇適當的工藝參數，可使顆粒為空心球，這種粉末具有良好的成形性能；③生產控制方便，噴霧干燥系統易于實現自動化，消除了人為因素的影響，生產過程和產品質量穩定。

硬質合金數控刀片生產的主要工藝說明：

（1）模具制造：根據數控刀片產品的外形尺寸和性能特點，針對性設計并制造壓制模具。

（2）壓制工序：將原料庫中的混合料通過拖車運送至壓制間，采用自動壓制成型工藝分別通過進口自動壓機獲得刀片毛坯，并對毛坯進行初檢，合格品進入燒結工序，不合格品回收。

（3）燒結工序：采用壓力燒結工藝對硬質合金刀片毛坯進行加壓燒結，可獲得高質量、高密度、幾乎無空隙的制品。燒結完的產品需進行檢測，不合格品回收，合格品進入研磨生產工序。

（4）研磨工序：采用端面磨、周邊磨等加工工藝對燒結后的刀片毛坯深加工，以獲得不同型號及規格的產品。

（5）鈍化清洗工序：采用鈍化清洗工藝對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、提高表面質量、延長刀具壽命。

（6）涂層工序：采用化學氣相沉積（CVD）技術使氣態的初始化合物之間發生氣相化學反應或采用物理氣相沉積（PVD）技術產生金屬粒子與反應氣體反應，形成固體物質沉積刀片基體表面，從而獲得不同要求的涂層數控刀片。

2 設備選擇

關鍵設備選擇。

2.1 噴霧干燥塔

噴霧干燥系統主要包括噴霧干燥塔、導熱油系統、產品回收系統、球磨液回收系統和CIP自動清洗系統及控制系統。加熱用氮氣經油氣熱交換加熱后進入干燥塔，物料經噴咀噴入干燥塔，酒精經淋洗/冷凝后回收，抽出的物料經旋風除塵器后回收。此噴霧干燥塔具有自動清洗功能，可以清洗到干燥室、旋風除塵器的各個部分，不需人工進行清洗，清洗質量高。

2.2 自動粉末壓機

伴隨設備自動化技術的提升，目前硬質合金數控刀片行業普遍更新為自動粉末壓機。自動粉末壓機可以有效的提高生產效率，并減少工作人員。選用設計優良、精度高的模具，可以提高燒結后制品的質量和精度，能較大程度的減少數控刀片毛坯的加工余量，甚至部分產品毛坯可以減免加工工序。

2.3 真空壓力燒結爐

硬質合金指標選用的加壓燒結爐是集正壓脫蠟、負壓脫蠟、真空燒結、托瓦克燒結、分壓燒結、加壓燒結、氣氛控制、冷卻等功能于一體，整個工藝過程全自動控制。為滿足不同的工藝要求，可以實現在不同壓力和溫度下導入Ar、H2、CH4、N2等氣體或氣體組合。近五年我國自主品牌的壓力燒結爐技術實現較大突破，基本可以替代進口。

2.4 涂層爐

目前國產涂層設備技術還有一定程度的不足，行業內使用的生產設備基本依賴于進口。涂層工序分為CVD和PVD兩種，CVD涂層爐通常采用Ionbond生產的設備，PVD涂層爐通常采用Oerlikon Balzers、Ionbond、CemeCon三個廠家生產的設備。

3 土建和公用配套

3.1 土建

混合料廠房生產火災危險類別為甲類，耐火等級常按二級考慮。結構形式采用輕鋼結構或鋼筋混凝土柱+鋼排架結構，廠房屋架下弦高6m，局部噴霧大廳下弦高為12.5m。生產區域采用防塵不發火重載地面，地面載荷按5t/m2。

數控刀片廠房生產火災危險類別為丁類，耐火等級常按二級考慮。結構形式采用輕鋼結構或鋼筋混凝土柱+鋼排架結構，廠房屋架下弦高6m。生產區域采用環氧樹脂自流平地面，地面載荷按5t/m2。

3.2 動力

混合料噴霧制粒工序使用大量氮氣，用氣量較大，通常設置制氮機組。燒結工序使用大量高壓氬氣，設置液氬站降壓后供應。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，根據生產線產能情況，產能較大時用氣量較大，通常獨立設置特種氣體站房，產量較少時可在廠房內設置特種氣體間。噴砂、清洗工序使用大量壓縮空氣，通常獨立設置空壓機房供應。

3.3 暖通

球磨、壓制、模具精加工等生產工段需設置恒溫恒濕空調，采用帶轉輪除濕機的組合式空氣處理機組。研磨、涂層、清洗、成檢包裝工段需設置舒適性空調，采用風機盤管/吊頂式空氣處理機組+新風系統的空調系統。

球磨機、噴霧干燥塔、PVD涂層爐、CVD涂層爐等設備需要使用工藝冷凍水，通常在廠房輔助間內設水冷式冷水機組供應。

3.4 給排水

除常規生產和消防用水外，硬質合金數控刀片生產線需要配置循環冷卻水系統和純水系統。循環冷卻水系統主要供壓力燒結爐冷卻用水，設備對水質有要求，需要使用軟化水，設計采用閉式循環冷卻系統。純水系統供超聲波清洗機使用。

3.5 電氣和弱電

壓力燒結爐、涂層爐、噴霧塔等設備用電負荷較大，廠房配電負荷中心在燒結工段，通常就近設置配電房。混合料廠房為甲類廠房，不宜設置配電房，通常有數控刀片廠房變配電房兼顧配電。

混合料廠房的球磨間、噴霧大廳設酒精可燃氣體報警系統，數控刀片廠房燒結區、涂層間、特種氣體間設可燃氣體報警系統。爆炸性危險區按《危險場所電氣防爆安全規范》（Q 3009-2007）考慮電氣防爆措施。

4 總結

根據硬質合金數控刀片工藝特點，結合近年來對數控刀片生產線項目設計的經驗，對硬質合金數控刀片生產線項目建設方案進行了系統性的介紹，分析并探討了硬質合金數控刀片生產所需條件，包括生產工藝流程、主要設備選型、工程及公輔系統配套需求，為硬質合金數控刀片生產線項目建設提供了一個全面的參考方案。