氮化硅陶瓷刀具

隨著新技術(shù)革命的發(fā)展.要求不斷提高切削加工生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本.特別是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展.要求開發(fā)比硬質(zhì)合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫的難以切削的新材料日益增多。據(jù)文獻(xiàn)估計.這類材料己占國際上加工總數(shù)的50%以上.硬質(zhì)合金刀具對其中不少新材料的加工難以勝任。另一方面.現(xiàn)在國際上硬質(zhì)合金產(chǎn)量己達(dá)20 000一 25 000 t.每年消耗大量的金屬.如W ,Co ,Ta和Nb等。這些金屬的礦產(chǎn)資源正日益減少.價格上漲.按日前消耗速度.用不了幾十年.有些資源將耗盡。陶瓷刀具就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。

1、硬度高，一般為HRA93-94.因此耐磨性好.可加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度達(dá)HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵。因而可免除退火加工所消耗的電力；并因此也可提高工件的硬度，加長機(jī)器設(shè)備的使用壽命；

2、陶瓷刀片切削時與金屬摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易產(chǎn)生積屑瘤.加上可以進(jìn)行高速切削.所以在條件相同時.工件表而粗糙度比較低。

3、耐高溫.紅硬性好.可在1 200℃下連續(xù)切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬質(zhì)合金高很多?？蛇M(jìn)行高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車、銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具高3-10倍，達(dá)到節(jié)約工時、電力、機(jī)床數(shù)30-70%或更高的效果；

4、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很豐富的氮和硅.用它代替硬質(zhì)合金.可節(jié)約大量W ,Co ,Ta和Nb等重要的金屬。

早在1912-1913年.英國和德國己出現(xiàn)了氧化鋁陶瓷刀具.但其在生產(chǎn)上的應(yīng)用則始于1950年。由于其強(qiáng)度、韌度低.較長時期內(nèi)僅限于做連續(xù)切削精加工用.且切削速度和進(jìn)給量都較低。直到1968年才出現(xiàn)第2代陶瓷刀具-復(fù)合氧化鋁刀具.在強(qiáng)度和韌度上較之氧化鋁刀具有了明顯提高.可以在較高的速度和較大的進(jìn)給量下切削各種工件.得到了較廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代末80年代初國際出現(xiàn)了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。這類陶瓷刀具有比復(fù)合氧化鋁刀具更高的韌性、抗沖擊性、高溫強(qiáng)度和抗熱震性。陶瓷刀片在各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)量增長很快。

我國自20世紀(jì)60年代中開始批量生產(chǎn)復(fù)合氧化鋁刀片.目前年生產(chǎn)量為14-15萬片。氧化硅陶瓷刀片雖自20世紀(jì)70年代中就開始研究.由于性能欠佳.不能滿足需求。近幾年來.隨著對高溫結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域研究的不斷深入.使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高.從而使氮化硅陶瓷刀具在我國迅速發(fā)展起來。

氮化硅陶瓷刀具(Si3N4)

傳統(tǒng)的陶瓷材料一般取自自然界.如景德鎮(zhèn)的土.經(jīng)過混料、成形和焙燒等工序制成各種日用品。而現(xiàn)代高技術(shù)陶瓷.也稱特種陶瓷.它的材料是人工合成的.如氮化硅粉.純度高。利用現(xiàn)代粉末冶金工藝制造.制成的產(chǎn)品具有硬度高和耐高溫等性能。

材料可分為金屬材料和非金屬材料.非金屬材料又分為無機(jī)材料和有機(jī)材料。不論何種材料.其性質(zhì).如熔點、硬度和導(dǎo)電性等主要取決于內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu).即取決于內(nèi)部質(zhì)點的結(jié)合方式和結(jié)合力。有機(jī)材料靠較弱的分子結(jié)合力.所以熔點低、硬度小。金屬材料靠金屬鍵結(jié)合.它的結(jié)合力較分子鍵強(qiáng).但較共價鍵和離子鍵弱.因此熔點和硬度仍不算高。硬質(zhì)合金采用金屬將WC等硬質(zhì)相聯(lián)系起來.其性能介于金屬和陶瓷之間。陶瓷材料主要是離子鍵和共價鍵結(jié)合.其結(jié)合力是比較強(qiáng)的正負(fù)離子間的靜電引力或共用電子對.所以熔點高、硬度高、具有好的絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性。這就是陶瓷材料能成為切削刀具的原因。

雖然我國陶瓷刀具的研究水平不比國外差，但實際應(yīng)用發(fā)展較慢。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，目前國內(nèi)陶瓷刀具占總刀具使用量的比例不超過1%。氮化硅陶瓷刀具是近年來才在生產(chǎn)中推廣使用的一種新型刀具。因此，不論在刀具的幾何參數(shù)、切削用量以及使用技術(shù)方面，均缺乏成熟的經(jīng)驗。陶瓷刀具的實際應(yīng)用是一項需要綜合各方面技術(shù)的系統(tǒng)工程，決不是只要買了陶瓷刀具換上就可以解決問題。加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工時的切削性能與普通刀具有著相當(dāng)大的差別，因此在應(yīng)用時，必須考慮以下幾個方面的問題。

3.1 對機(jī)床的要求陶瓷刀具材料對沖擊和振動載荷比較敏感，這是陶瓷刀具材料在耐沖擊和抗振性方面的最大弱點。機(jī)床—工件—刀具工藝系統(tǒng)剛性弱是促使陶瓷刀具壽命降低或崩刃的主要原因。其中除工件和刀具本身的剛性因素外，機(jī)床剛性愈小，則振動愈大，而刀具壽命也就愈低。需要特別指出，在分析機(jī)床剛性時，一定要綜合考慮機(jī)床—工件—刀具工藝系統(tǒng)的剛性，而不是孤立地考慮機(jī)床的剛性，必須同時考慮工件、夾具、頂尖及刀具的剛性等。任何環(huán)節(jié)的剛性不足都將大幅度地降低陶瓷刀具的切削性能和效率。實踐證明，適于陶瓷刀具加工的機(jī)床必須具有良好的剛性、足夠的功率和高的轉(zhuǎn)數(shù)。分析國內(nèi)目前機(jī)床情況可以看出，中型機(jī)床在精、半精加工時這三方面都基本滿足要求。對淬硬鋼或硬鎳鑄鐵等難加工材料的加工，由于其選用的切削速度較低，即使采用陶瓷刀具來加工，其功率也是足夠的，而在普通鋼材或鑄鐵粗加工時往往這三方面都不容易滿足。重型機(jī)床的剛性好，有足夠的轉(zhuǎn)速及功率，只要使用得當(dāng)，在重型工件的加工中，采用陶瓷刀具的成功率往往較高。

3.2 對被加工零件的要求

（1）雖然陶瓷刀具對大多數(shù)鑄、鍛件不退火就能進(jìn)行毛坯扒荒加工，但硬鑄件毛坯上的嚴(yán)重夾砂和砂眼將會引起許多不必要的打刀，增加了陶瓷刀具的消耗。如果能在切削加工前對毛坯進(jìn)行適當(dāng)處理，如切削前先用手砂輪對缺陷部分進(jìn)行清理、修正，就會得到比較好的加工效果。

（2）高速轉(zhuǎn)動的高硬毛坯的任何一點毛邊都有可能打壞陶瓷刀具，而從已車圓了的毛坯開始切削，卻可以長期穩(wěn)定地切削。因此對于那些硬度高而形狀不規(guī)則的毛胚，應(yīng)注意必須先倒角后再用陶瓷刀具切削。毛坯切入處的倒角，可避免陶瓷刀具剛接觸工件時承受過大的沖擊載荷。毛坯切出處的倒角，主要是為避免陶瓷刀具切離零件時被留下的一圈料邊打壞。

（3）機(jī)床與被加工零件的情況要匹配，避免“小馬拉大車”等現(xiàn)象。

3.3 氮化硅陶瓷刀具合理幾何參數(shù)的選擇雖然氮化硅陶瓷刀具是一種切削性能優(yōu)良的刀具，但是如果不能在使用中合理地選擇其幾何參數(shù)，仍然不能很好地發(fā)揮其作用。所謂刀具的合理幾何參數(shù)，是指能保證粗加工或半精加工刀具有較高的生產(chǎn)率和刀具壽命，精加工刀具能保證加工出符合預(yù)定尺寸精度和表面質(zhì)量的工件，同時也具有較高的刀具壽命相應(yīng)的刀具幾何參數(shù)。 在選擇陶瓷刀具的合理幾何參數(shù)時，除要考慮刀具的一般規(guī)律外，同時也必須考慮某些屬于陶瓷刀具所特有的規(guī)律。氮化硅陶瓷刀具是一種硬而脆的刀具，如何保證其使用的穩(wěn)定可、不發(fā)生崩刃仍然是選擇氮化硅陶瓷刀具合理幾何參數(shù)的主要依據(jù)；氮化硅陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)主要是機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，所以必須結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點來考慮選擇合理幾何參數(shù)。

3.4 合理選擇切削用量合理選擇切削用量，是充分發(fā)揮陶瓷刀具切削性能的基本問題之一。切削用量直接影響加工生產(chǎn)率、加工成本、加工質(zhì)量和刀具壽命。因為陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性高等優(yōu)點以及脆性較大、強(qiáng)度較低等缺點，所以必須充分考慮這些特點來選擇合適的切削用量，以達(dá)到提高生產(chǎn)率、保證加工質(zhì)量的目的。

（1）切削深度ap的選擇用陶瓷刀具加工時，為了縮短加工時間，應(yīng)盡可能選擇較大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。由于切削深度受機(jī)床功率和工藝系統(tǒng)剛性的限制，一般粗加工鋼和鑄鐵時，允許的最大切削深度為2～6mm，通常取ap>1.5mm；精加工時取ap<0.5mm；加工淬硬鋼時，一般都是半精加工或精加工，余量和切削深度較小。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性比較差時，應(yīng)選取較小的切削深度，否則容易引起振動，使刀片破損。

（2）進(jìn)給量f的選擇合理選擇進(jìn)給量是成功應(yīng)用陶瓷刀具的關(guān)鍵。進(jìn)給量主要受陶瓷刀片強(qiáng)度及工藝系統(tǒng)剛性的影響，精加工時還要受被加工表面粗糙度的影響。"_blank" href="/item/硬質(zhì)合金刀片/6189314" data-lemmaid="6189314">硬質(zhì)合金刀片低，所以進(jìn)給量也應(yīng)低些。一般可預(yù)選得小一些，通過實踐逐步增加。精車普通鋼和鑄鐵，進(jìn)給量f選取為0.10～0.75mm/r；精加工選取f=0.05～0.25mm/r，端銑時可選取每齒進(jìn)給量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬鋼時根據(jù)硬度不同而選取不同的進(jìn)給量，一般車削選取f=0.1～0.3mm/r；端銑選取每齒進(jìn)給量af=0.05～0.15mm/z。進(jìn)給量對刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進(jìn)給量，有利于防止或減少刀具的破損，因此，對于陶瓷刀具應(yīng)選用較小的進(jìn)給量和盡可能高的切削速度。

（3）切削速度v的選擇氮化硅陶瓷刀具適于高速切削。對一定的工件材料，切削速度主要受機(jī)床功率限制。結(jié)合已選定的切削深度ap和進(jìn)給量f，如因機(jī)床功率不足，而使切削速度選得過低，則不僅不利于發(fā)揮陶瓷刀具的優(yōu)越性，而且容易發(fā)生崩刃。應(yīng)當(dāng)適應(yīng)減少進(jìn)給量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，雖然有的國家最高到1500r/min，但加工普通鋼和鑄鐵，大多數(shù)仍然采用v=200～600m/min；加工硬度<65HRC的鋼材時v=60～200/min；銑削一般鋼和鑄鐵時v=200～500m/min；銑削耐熱合金v=100～250m/min。切削速度對切削屑形狀影響很大，特別在v=350～1500m/min范圍內(nèi)，往往可以獲得良好的切削形狀，如在高速車削淬硬鋼時，可能形成酥化的易于碎斷的假帶狀切屑，而使切屑易于清理。用陶瓷刀具作低速切削時，不但與硬質(zhì)合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工藝系統(tǒng)的振動，使刀具發(fā)生崩刃。例如：在v<50m/min時車削抗拉強(qiáng)度為800～850MPa的鋼材，陶瓷刀具很容易發(fā)生崩刃，甚至無法切削。在一定速度范圍內(nèi)高速切削時，切削溫度的升高能改變工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韌性，從而減少其破損，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。而用陶瓷刀具斷續(xù)切削時，如果切削速度提高太多，溫差很大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導(dǎo)致刀具破損。 使用復(fù)合氮化硅陶瓷刀具，可以解決難加工材料的切削加工問題，改變傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝，提高加工效率，節(jié)約工時及電力，同時可節(jié)約大量的生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具所需要的貴重金屬W、Co及Ti等，因此推廣和應(yīng)用新型陶瓷刀具具有廣闊的發(fā)展前景.

陶瓷刀具雖然有很多優(yōu)點.但性能脆。近年來.人們從陶瓷刀具的制造、使用和刃磨等方而采取了許多措施.使其脆性得到抑制.從而使陶瓷刀具進(jìn)入了實用階段。

(1)在原料上盡可能使用超細(xì)粉.在生產(chǎn)工藝上采取各種措施抑制晶粒長大.從而得到盡可能高的強(qiáng)度和韌性。

(2)刀片形狀盡量簡單如不開斷屑槽.這樣有利于生產(chǎn)使用和提高刀具壽命。降低刀片表而粗糙度可抑制微裂紋生長。采用負(fù)倒棱可增大刀刃強(qiáng)度。選擇刀具角度可參考表1。

(3)在使用上對不同材料的工件.合理地使用不同的切削參數(shù).可提高刀具的耐用度。選擇切削用量見表2

(4)選擇轉(zhuǎn)數(shù)高、功率大、工件-機(jī)床-刀具系統(tǒng)剛性好的機(jī)床進(jìn)行加工.以減小振動.采用高速切削充分發(fā)揮陶瓷刀具的性能。

我國陶瓷刀具在可轉(zhuǎn)位刀具中比重很小.年產(chǎn)量不到硬質(zhì)合金的0. 1%。從切削性能上看.我國陶瓷刀具正向高硬度合金鑄鐵粗加工、斷續(xù)切削方向發(fā)展。北京科技大學(xué)研制的ST新型復(fù)合陶瓷刀具能斷續(xù)切削HRC63以上的高速鋼滾刀。在刀具品種中除各種車刀外還正在開發(fā)銑刀和刨刀等。

雖然我國陶瓷刀具的研究水平不比國外差，但實際應(yīng)用發(fā)展較慢。據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，目前國內(nèi)陶瓷刀具占總刀具使用量的比例不超過1%。氮化硅陶瓷刀具是近年來才在生產(chǎn)中推廣使用的一種新型刀具。因此，不論在刀具的幾何參數(shù)、切削用量以及使用技術(shù)方面，均缺乏成熟的經(jīng)驗。

我國陶瓷刀具在可轉(zhuǎn)位刀具中比重很小，年產(chǎn)量不到硬質(zhì)合金的0. 1%。從切削性能上看，我國陶瓷刀具正向高硬度合金鑄鐵粗加工、斷續(xù)切削方向發(fā)展。北京科技大學(xué)研制的ST新型復(fù)合陶瓷刀具能斷續(xù)切削HRC63以上的高速鋼滾刀。在刀具品種中除各種車刀外還正在開發(fā)銑刀和刨刀等。