陶瓷刀具材料性能檢測(cè)方法

備案信息

備案號(hào)：53569-2016

備案公告： 2016年第4號(hào)(總第196號(hào))

氮化硅陶瓷刀具(Si3N4)

雖然我國(guó)陶瓷刀具的研究水平不比國(guó)外差，但實(shí)際應(yīng)用發(fā)展較慢。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，目前國(guó)內(nèi)陶瓷刀具占總刀具使用量的比例不超過(guò)1%。氮化硅陶瓷刀具是近年來(lái)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(yàn)。陶瓷刀具的實(shí)際應(yīng)用是一項(xiàng)需要綜合各方面技術(shù)的系統(tǒng)工程，決不是只要買(mǎi)了陶瓷刀具換上就可以解決問(wèn)題。加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工時(shí)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(shí)，必須考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

3.1 對(duì)機(jī)床的要求陶瓷刀具材料對(duì)沖擊和振動(dòng)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(diǎn)。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(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)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(guó)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(shí)這三方面都基本滿(mǎn)足要求。對(duì)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(lái)加工，其功率也是足夠的，而在普通鋼材或鑄鐵粗加工時(shí)往往這三方面都不容易滿(mǎn)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(duì)被加工零件的要求

（1）雖然陶瓷刀具對(duì)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(huì)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(duì)毛坯進(jìn)行適當(dāng)處理，如切削前先用手砂輪對(duì)缺陷部分進(jìn)行清理、修正，就會(huì)得到比較好的加工效果。

（2）高速轉(zhuǎn)動(dòng)的高硬毛坯的任何一點(diǎn)毛邊都有可能打壞陶瓷刀具，而從已車(chē)圓了的毛坯開(kāi)始切削，卻可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地切削。因此對(duì)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(shí)承受過(guò)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(shí)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(chē)”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(shí)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(shí)，除要考慮刀具的一般規(guī)律外，同時(shí)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(diǎn)來(lái)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(wèn)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?yàn)樘沾傻毒呔哂杏捕雀?、耐磨性好、耐熱性高等?yōu)點(diǎn)以及脆性較大、強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)，所以必須充分考慮這些特點(diǎn)來(lái)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(shí)，為了縮短加工時(shí)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(shí)，允許的最大切削深度為2～6mm，通常取ap>1.5mm；精加工時(shí)取ap<0.5mm；加工淬硬鋼時(shí)，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(shí)，應(yīng)選取較小的切削深度，否則容易引起振動(dòng)，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(shí)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(guò)實(shí)踐逐步增加。精車(chē)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(shí)可選取每齒進(jìn)給量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬鋼時(shí)根據(jù)硬度不同而選取不同的進(jìn)給量，一般車(chē)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guó)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(shí)v=60～200/min；銑削一般鋼和鑄鐵時(shí)v=200～500m/min；銑削耐熱合金v=100～250m/min。切削速度對(duì)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(chē)削淬硬鋼時(shí)，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(shí)，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(dòng)，使刀具發(fā)生崩刃。例如：在v<50m/min時(shí)車(chē)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(wú)法切削。在一定速度范圍內(nèi)高速切削時(shí)，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(shí)，如果切削速度提高太多，溫差很大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)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(wèn)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(shí)及電力，同時(shí)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.

雖然我國(guó)陶瓷刀具的研究水平不比國(guó)外差，但實(shí)際應(yīng)用發(fā)展較慢。據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，目前國(guó)內(nèi)陶瓷刀具占總刀具使用量的比例不超過(guò)1%。氮化硅陶瓷刀具是近年來(lái)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(yàn)。

我國(guó)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(guó)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(chē)刀外還正在開(kāi)發(fā)銑刀和刨刀等。