硬质合金数控刀片生产线建设方案探讨

李怡然，丁 科，晏 然，龙果锐

(中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 410021)

硬质合金是一种硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性都非常优良的合金材料，最为常见的硬质合金为碳化钨基体的硬质合金。硬质合金因为其物理特性，主要用于制造切削工具和耐磨零部件，被广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域。硬质合金与工业的发展的密切相关，被誉为“工业牙齿”。

数控刀片是可转位车削刀片的总称，是现代金属切削应用领域的主流产品。主要应用在金属的车削、铣削、切断切槽、螺纹车削等领域。硬质合金数控刀片是最主要的一种数控刀片，应用最为广泛，市场流通量最大。1969年瑞典研制了基于硬质合金基体的碳化钛涂层刀具，通过表面几微米厚的碳化钛涂层，提高了刀片的使用寿命近3倍，切削速度提高25%～50%。近年来，随着涂层技术的发展，硬质合金涂层刀片的性能进一步提升，涂层刀片的流通量也进一步提高，目前市场流通的数控刀片中约70%以上为涂层数控刀片。

我国在硬质合金行业的起步于上世纪五十年代，伴随着我国工业的发展不断进取，取得了较多的优秀成果，但客观而言整体技术水平与国际先进水平仍具有一定差距。尤其在硬质合金数控刀片领域，我国起步较晚，与国际先进水平差距较为明显。21世纪初我国才开始自主建设硬质合金数控刀片生产线，距今仅十余年。但近年来随着行业技术基础的积累与发展，全国范围内建设了多个硬质合金数控刀片生产线，相应崛起了多个自主品牌的数控刀片生产企业。我国自主生产的部分硬质合金数控刀片产品实现了替代进口，并逐步扩大市场占有率。本文对我国近年来建设的多个硬质合金数控刀片生产线项目进行了归纳总结，整理出符合当前生产工艺技术的生产线建设方案，为行业发展提供参考。

1 硬质合金数控刀片生产工艺

1.1 生产工艺流程

硬质合金数控刀片的生产是在传统硬质合金粉末冶金生产工艺的基础上进行优化和升级，并在合金刀片的基础上进行磨削加工和涂层工序，最终形成质量合格的硬质合金数控刀片。其主要工序包括混合料制备、压制成型、烧结、磨削加工、表面处理、涂层、成检包装。硬质合金数控刀片的生产通常由混合料制备工序开始，主要是由于混合料长途运输过程容易发生质量损坏，直接影响数控刀片产品质量。同时，由于混合料制备工序使用较多酒精，为保证生产的安全性，结合国家相关工程法规的要求，通常将混合料制备工序与后段工序独立设置。

（1）混合料制备工艺流程如下：检验、鉴定原材料→配料计算、确定球磨时间→配料→球磨→喷雾干燥（或真空干燥）→混合料检验鉴定→包装入库。

（2）硬质合金数控刀片生产工艺流程如下：合格混合料→模具设计与制造→压制成型→真空快冷烧结→试验室毛坯性能检测→毛坯产品外观尺寸检查→合格毛坯产品→数控刀片加工基面→周边、刃口加工→喷砂、清洗→CVD/PVD涂层→试验室涂层性能检测→涂层产品外观质量检查→包装入库。

1.2 主要工艺说明

混合料制备的主要工艺说明：

（1）混合料制备采用PEG作为成型剂、酒精作球磨介质的喷雾干燥制取混合料的工艺技术。

（2）球磨、喷雾干燥按工作区分开，但又能互相沟通和联系。辅助系统与主体工艺分开，避免相互干扰。

（3）采用喷雾干燥工艺，喷雾干燥有着其他干燥方式无可比拟的优势：①瞬间干燥；②物料本省不承受高温，从而使产品质量好，混合料呈球状，粉末流动性好，选择适当的工艺参数，可使颗粒为空心球，这种粉末具有良好的成形性能；③生产控制方便，喷雾干燥系统易于实现自动化，消除了人为因素的影响，生产过程和产品质量稳定。

硬质合金数控刀片生产的主要工艺说明：

（1）模具制造：根据数控刀片产品的外形尺寸和性能特点，针对性设计并制造压制模具。

（2）压制工序：将原料库中的混合料通过拖车运送至压制间，采用自动压制成型工艺分别通过进口自动压机获得刀片毛坯，并对毛坯进行初检，合格品进入烧结工序，不合格品回收。

（3）烧结工序：采用压力烧结工艺对硬质合金刀片毛坯进行加压烧结，可获得高质量、高密度、几乎无空隙的制品。烧结完的产品需进行检测，不合格品回收，合格品进入研磨生产工序。

（4）研磨工序：采用端面磨、周边磨等加工工艺对烧结后的刀片毛坯深加工，以获得不同型号及规格的产品。

（5）钝化清洗工序：采用钝化清洗工艺对加工后的刀片毛坯去毛刺、刃口倒圆、切削槽平整和抛光，以改善切削流、降低切削阻力、提高表面质量、延长刀具寿命。

（6）涂层工序：采用化学气相沉积（CVD）技术使气态的初始化合物之间发生气相化学反应或采用物理气相沉积（PVD）技术产生金属粒子与反应气体反应，形成固体物质沉积刀片基体表面，从而获得不同要求的涂层数控刀片。

2 设备选择

关键设备选择。

2.1 喷雾干燥塔

喷雾干燥系统主要包括喷雾干燥塔、导热油系统、产品回收系统、球磨液回收系统和CIP自动清洗系统及控制系统。加热用氮气经油气热交换加热后进入干燥塔，物料经喷咀喷入干燥塔，酒精经淋洗/冷凝后回收，抽出的物料经旋风除尘器后回收。此喷雾干燥塔具有自动清洗功能，可以清洗到干燥室、旋风除尘器的各个部分，不需人工进行清洗，清洗质量高。

2.2 自动粉末压机

伴随设备自动化技术的提升，目前硬质合金数控刀片行业普遍更新为自动粉末压机。自动粉末压机可以有效的提高生产效率，并减少工作人员。选用设计优良、精度高的模具，可以提高烧结后制品的质量和精度，能较大程度的减少数控刀片毛坯的加工余量，甚至部分产品毛坯可以减免加工工序。

2.3 真空压力烧结炉

硬质合金指标选用的加压烧结炉是集正压脱蜡、负压脱蜡、真空烧结、托瓦克烧结、分压烧结、加压烧结、气氛控制、冷却等功能于一体，整个工艺过程全自动控制。为满足不同的工艺要求，可以实现在不同压力和温度下导入Ar、H2、CH4、N2等气体或气体组合。近五年我国自主品牌的压力烧结炉技术实现较大突破，基本可以替代进口。

2.4 涂层炉

目前国产涂层设备技术还有一定程度的不足，行业内使用的生产设备基本依赖于进口。涂层工序分为CVD和PVD两种，CVD涂层炉通常采用Ionbond生产的设备，PVD涂层炉通常采用Oerlikon Balzers、Ionbond、CemeCon三个厂家生产的设备。

3 土建和公用配套

3.1 土建

混合料厂房生产火灾危险类别为甲类，耐火等级常按二级考虑。结构形式采用轻钢结构或钢筋混凝土柱+钢排架结构，厂房屋架下弦高6m，局部喷雾大厅下弦高为12.5m。生产区域采用防尘不发火重载地面，地面载荷按5t/m2。

数控刀片厂房生产火灾危险类别为丁类，耐火等级常按二级考虑。结构形式采用轻钢结构或钢筋混凝土柱+钢排架结构，厂房屋架下弦高6m。生产区域采用环氧树脂自流平地面，地面载荷按5t/m2。

3.2 动力

混合料喷雾制粒工序使用大量氮气，用气量较大，通常设置制氮机组。烧结工序使用大量高压氩气，设置液氩站降压后供应。涂层工序使用甲烷、硫化氢、氯化氢、一氧化碳、二氧化碳、氧气、乙晴、四氯化钛等特种气体或液体，根据生产线产能情况，产能较大时用气量较大，通常独立设置特种气体站房，产量较少时可在厂房内设置特种气体间。喷砂、清洗工序使用大量压缩空气，通常独立设置空压机房供应。

3.3 暖通

球磨、压制、模具精加工等生产工段需设置恒温恒湿空调，采用带转轮除湿机的组合式空气处理机组。研磨、涂层、清洗、成检包装工段需设置舒适性空调，采用风机盘管/吊顶式空气处理机组+新风系统的空调系统。

球磨机、喷雾干燥塔、PVD涂层炉、CVD涂层炉等设备需要使用工艺冷冻水，通常在厂房辅助间内设水冷式冷水机组供应。

3.4 给排水

除常规生产和消防用水外，硬质合金数控刀片生产线需要配置循环冷却水系统和纯水系统。循环冷却水系统主要供压力烧结炉冷却用水，设备对水质有要求，需要使用软化水，设计采用闭式循环冷却系统。纯水系统供超声波清洗机使用。

3.5 电气和弱电

压力烧结炉、涂层炉、喷雾塔等设备用电负荷较大，厂房配电负荷中心在烧结工段，通常就近设置配电房。混合料厂房为甲类厂房，不宜设置配电房，通常有数控刀片厂房变配电房兼顾配电。

混合料厂房的球磨间、喷雾大厅设酒精可燃气体报警系统，数控刀片厂房烧结区、涂层间、特种气体间设可燃气体报警系统。爆炸性危险区按《危险场所电气防爆安全规范》（Q 3009-2007）考虑电气防爆措施。

4 总结

根据硬质合金数控刀片工艺特点，结合近年来对数控刀片生产线项目设计的经验，对硬质合金数控刀片生产线项目建设方案进行了系统性的介绍，分析并探讨了硬质合金数控刀片生产所需条件，包括生产工艺流程、主要设备选型、工程及公辅系统配套需求，为硬质合金数控刀片生产线项目建设提供了一个全面的参考方案。