硬质合金刀具近净成形生坯加工与 PcBN 刀片修磨的能耗优化研究

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：The Optimization of Severe Shot Peening Coverage for Enhanced Fatigue Performance of AISI 4140 Steel: A Combined Experimental and FE-Cell Approach Mohsen Forouzanmehr, Kazem Reza Kashyzadeh, Reza Namdar, Hadi Salavati, Hossein Darijani and Mahmoud Chizari

　　

高性能切削材料是现代生产工程的核心。硬质合金在工业刀具领域占据主导地位，而聚晶立方氮化硼（PcBN）则已确立用于镍基合金的硬车削和精加工。相关的刀具制造链属于高能耗和高投入过程，这激发了减少材料损失和一次能源需求的研究方法。本研究量化了整体硬质合金切削刀具生产过程中的能耗，重点关注近净成形生坯加工（green machining）、其对后续磨削及材料再循环的影响，并量化了 PcBN 切削刀具修磨过程中的能耗。研究记录了生坯加工和刀具磨削期间的功率测量数据，对比了圆柱形毛坯与预成形（生坯加工）毛坯，并包含了硬质合金刀具操作期间的冷却单元能耗。硬质合金刀具的性能通过 42CrMo4 材料的铣削测试进行评估；修磨后的 PcBN 刀片则在 Inconel 718 材料上进行评估。在硬质合金刀具的工艺链中，尽管生坯加工增加了 0.461 kWh/kg 的能耗，但单位特定能耗从 6.98 kWh/kg 降至 6.36 kWh/kg（降低 8.88%）；生坯加工材料的直接再循环额外节省了 5.861 kWh/kg 的能耗。修磨后的 PcBN 刀片实现了与新刀片相当的刀具寿命，同时单个刀片的能耗降低了约 85%。降低能耗的主要杠杆在于缩短高机器基础负载和高冷却剂基础负载情况下的磨削时间，以及对高隐含能刀具进行系统性修磨。

在当前的工业制造体系中，机械加工是众多工业价值链的核心环节，而硬质合金因其优异的韧性、硬度及化学热稳定性，成为最主要的切削材料之一。然而，硬质合金刀具的生产伴随着极高的能源消耗，主要源于碳化钨（WC）粉末制备的高能耗以及复杂的后处理工艺。此外，关键资源的地理分布局限性也促使业界迫切需要在生态和经济层面提升资源与能源效率。传统的硬质合金刀具制造链涵盖粉末生产、压制、烧结、磨削、精加工及涂层等步骤，其中粉末生产占据了最大的能耗比例。针对这一现状，研究人员提出并验证了一种结合近净成形生坯加工与材料再循环的优化策略，旨在通过减少磨削量和直接回用切削粉末来降低整体能耗。同时，对于难以通过粉末回收再利用的超硬材料聚晶立方氮化硼（PcBN），由于其高压高温（HPHT）合成过程极其耗能，研究人员探讨了通过修磨延长其使用寿命以降低单位切削刃累积能耗的可行性。该研究发表于《Journal of Manufacturing and Materials Processing》，其核心发现表明，通过工艺链的创新设计，可在不牺牲刀具性能的前提下显著降低制造能耗，为实现切削工具行业的可持续发展提供了重要的数据支撑和技术路径。

为开展此项研究，研究人员采用了实验测量与工艺流程分析相结合的方法。在硬质合金刀具方面，研究选用了 K40-UF 混合物的挤压态生坯，利用 Sauer Ultrasonic 10 铣床进行生坯加工，使用聚晶金刚石（PCD）球头铣刀在特定切削参数下对直径 16 mm 的生坯进行型面预加工。随后，将经过烧结和外圆磨削的预成形毛坯与标准圆柱形毛坯，在 Walter Helitronic Vision 400L 磨床上使用不同几何形状的金刚石砂轮进行最终成型磨削。研究过程中，使用 ZES Zimmer LMG450 功率计实时记录了机床及冷却系统的能耗数据，并通过在 42CrMo4 材料上的铣削测试评估了刀具的切削性能与磨损情况。在 PcBN 刀片方面，研究对象为 CNGA 120408 规格的刀片，在 Gildemeister CTX520 车床上对 Inconel 718 合金进行车削实验，采用 80 bar 高压冷却以延长寿命。磨损后的刀片在 Wendt WAC 715 Centro 刀片磨床上进行后刀面修磨，并利用 Keyence 数字显微镜监测磨损形态。整个研究通过对比新旧工艺链中各工序的能耗数据及刀具寿命表现，量化了节能潜力。

研究结果主要包含以下几个方面：

**生坯加工的能耗分析**
研究人员通过功率测量发现，生坯加工过程中机床的空载功率较低，但主轴旋转会显著增加功耗。计算表明，虽然生坯加工本身增加了 0.461 kWh/kg 的能耗，但由于加工时间中装夹待机占比较大，优化空间有限。关键在于，生坯加工产生的切削粉末可直接回用于挤压工艺，避免了重新制粉的高能耗过程，从而实现了 5.861 kWh/kg 的巨大节能量。

**预成形毛坯磨削的能耗表现**
对比圆柱形毛坯与预成形毛坯的磨削过程，结果显示预成形毛坯由于去除了大量余量，允许采用更高的进给速度（从 50 mm/min 提升至 180 mm/min），使得磨削时间从 700 秒大幅缩短至 320 秒以上。尽管磨削过程中的峰值功率因去除率增加而波动，但总能耗从 1.65 kWh 降至 0.73 kWh，降幅达 56%。即使在相同进给参数下，预成形毛坯也因去除体积小而节省 8.75% 的能耗。这表明在高基础负载的磨削系统中，缩短加工时间是降低单件能耗的主导因素。

**刀具切削性能评估**
通过对 42CrMo4 材料的铣削测试，研究人员发现，由预成形生坯制造的铣刀与圆柱形毛坯制造的铣刀在统计力学性能上无显著差异（p=0.42）。虽然预成形刀具的平均进给路径略短，可能归因于生坯加工造成的微小损伤，但其磨损分布更为均匀，且未出现裂纹或整体失效，证明该工艺未损害刀具的核心性能。

**PcBN 刀片修磨的节能潜力**
针对 PcBN 刀片，实验表明修磨后的刀片在加工 Inconel 718 时，其刀具寿命与新刀片相当。由于 PcBN 尖端的制造能耗极高（约 2.675 kWh），而修磨过程的能耗相对较低，计算得出修磨 PcBN 刀片相比制造新刀片可节省约 85% 的能源。此外，在切削速度 200 m/min 和进给量 0.1 mm 的工艺参数下，加工效率最高。

综上所述，研究结论指出：硬质合金生坯的近净成形加工结合材料再循环，以及 PcBN 刀片的系统性修磨，能够在不降低刀具性能的前提下显著降低切削刀具制造全生命周期的能耗。具体而言，生坯预成形虽增加少量工序能耗，但通过大幅缩短磨削时间和实现粉末直接回用，使整体工艺链的比能耗降低了 17.7%。对于 PcBN 刀具，修磨是降低其高昂隐含能的最有效手段。未来的工作应进一步拓展验证范围，整合全生命周期评估（LCA），并探索setup 过程的自动化及数字化双胞胎技术在碳足迹追踪中的应用，以持续推动制造过程的绿色转型。