氮化硅陶瓷刀具

工业产品

氮化硅陶瓷刀具是硬度高，耐高温，红硬性好的新型刀具。

前言

随着新技术革命的发展.要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本.特别是数控机床的发展.要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。据文献估计.这类材料己占国际上加工总数的50%以上.硬质合金刀具对其中不少新材料的加工难以胜任。另一方面.现在国际上硬质合金产量己达20 000一 25 000 t.每年消耗大量的金属.如W ,Co ,Ta和Nb等。这些金属的矿产资源正日益减少.价格上涨.按日前消耗速度.用不了几十年.有些资源将耗尽。陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的。

发展历史

早在1912-1913年.英国和德国己出现了氧化铝陶瓷刀具.但其在生产上的应用则始于1950年。由于其强度、韧度低.较长时期内仅限于做连续切削精加工用.且切削速度和进给量都较低。直到1968年才出现第2代陶瓷刀具-复合氧化铝刀具.在强度和韧度上较之氧化铝刀具有了明显提高.可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件.得到了较广泛的应用。

20世纪70年代末80年代初国际出现了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。这类陶瓷刀具有比复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高温强度和抗热震性。陶瓷刀片在各工业发达国家的产量增长很快。

我国自20世纪60年代中开始批量生产复合氧化铝刀片.目前年生产量为14-15万片。氧化硅陶瓷刀片虽自20世纪70年代中就开始研究.由于性能欠佳.不能满足需求。近几年来.随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入.使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高.从而使氮化硅陶瓷刀具在我国迅速发展起来。

刀具的优点

1、硬度高，一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，加长机器设备的使用寿命；

2、陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤.加上可以进行高速切削.所以在条件相同时.工件表而粗糙度比较低。

3、耐高温.红硬性好.可在1 200℃下连续切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数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丰富的氮和硅.用它代替硬质合金.可节约大量W ,Co ,Ta和Nb等重要的金属。

优异性能

传统的陶瓷材料一般取自自然界.如景德镇的土.经过混料、成形和焙烧等工序制成各种日用品。而现代高技术陶瓷.也称特种陶瓷.它的材料是人工合成的.如氮化硅粉.纯度高。利用现代粉末冶金工艺制造.制成的产品具有硬度高和耐高温等性能。

材料可分为金属材料和非金属材料.非金属材料又分为无机材料和有机材料。不论何种材料.其性质.如熔点、硬度和导电性等主要取决于内部微观结构.即取决于内部质点的结合方式和结合力。有机材料靠较弱的分子结合力.所以熔点低、硬度小。金属材料靠金属键结合.它的结合力较分子键强.但较共价键和离子键弱.因此熔点和硬度仍不算高。硬质合金采用金属将WC等硬质相联系起来.其性能介于金属和陶瓷之间。陶瓷材料主要是离子键和共价键结合.其结合力是比较强的正负离子间的静电引力或共用电子对.所以熔点高、硬度高、具有好的绝缘性、化学稳定性和抗氧化性。这就是陶瓷材料能成为切削刀具的原因。

合理使用

陶瓷刀具虽然有很多优点.但性能脆。近年来.人们从陶瓷刀具的制造、使用和刃磨等方而采取了许多措施.使其脆性得到抑制.从而使陶瓷刀具进入了实用阶段。

(1)在原料上尽可能使用超细粉.在生产工艺上采取各种措施抑制晶粒长大.从而得到尽可能高的强度和韧性。

(2)刀片形状尽量简单如不开断屑槽.这样有利于生产使用和提高刀具寿命。降低刀片表而粗糙度可抑制微裂纹生长。采用负倒棱可增大刀刃强度。选择刀具角度可参考表1。

(3)在使用上对不同材料的工件.合理地使用不同的切削参数.可提高刀具的耐用度。选择切削用量见表2

(4)选择转数高、功率大、工件-机床-刀具系统刚性好的机床进行加工.以减小振动.采用高速切削充分发挥陶瓷刀具的性能。

实际应用

虽然我国陶瓷刀具的研究水平不比国外差，但实际应用发展较慢。据有关资料报导，目前国内陶瓷刀具占总刀具使用量的比例不超过1%。氮化硅陶瓷刀具是近年来才在生产中推广使用的一种新型刀具。因此，不论在刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面，均缺乏成熟的经验。陶瓷刀具的实际应用是一项需要综合各方面技术的系统工程，决不是只要买了陶瓷刀具换上就可以解决问题。加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工时的切削性能与普通刀具有着相当大的差别，因此在应用时，必须考虑以下几个方面的问题。

3.1 对机床的要求陶瓷刀具材料对冲击和振动载荷比较敏感，这是陶瓷刀具材料在耐冲击和抗振性方面的最大弱点。机床—工件—刀具工艺系统刚性弱是促使陶瓷刀具寿命降低或崩刃的主要原因。其中除工件和刀具本身的刚性因素外，机床刚性愈小，则振动愈大，而刀具寿命也就愈低。需要特别指出，在分析机床刚性时，一定要综合考虑机床—工件—刀具工艺系统的刚性，而不是孤立地考虑机床的刚性，必须同时考虑工件、夹具、顶尖及刀具的刚性等。任何环节的刚性不足都将大幅度地降低陶瓷刀具的切削性能和效率。实践证明，适于陶瓷刀具加工的机床必须具有良好的刚性、足够的功率和高的转数。分析国内目前机床情况可以看出，中型机床在精、半精加工时这三方面都基本满足要求。对淬硬钢或硬镍铸铁等难加工材料的加工，由于其选用的切削速度较低，即使采用陶瓷刀具来加工，其功率也是足够的，而在普通钢材或铸铁粗加工时往往这三方面都不容易满足。重型机床的刚性好，有足够的转速及功率，只要使用得当，在重型工件的加工中，采用陶瓷刀具的成功率往往较高。

3.2 对被加工零件的要求

（1）虽然陶瓷刀具对大多数铸、锻件不退火就能进行毛坯扒荒加工，但硬铸件毛坯上的严重夹砂和砂眼将会引起许多不必要的打刀，增加了陶瓷刀具的消耗。如果能在切削加工前对毛坯进行适当处理，如切削前先用手砂轮对缺陷部分进行清理、修正，就会得到比较好的加工效果。

（2）高速转动的高硬毛坯的任何一点毛边都有可能打坏陶瓷刀具，而从已车圆了的毛坯开始切削，却可以长期稳定地切削。因此对于那些硬度高而形状不规则的毛胚，应注意必须先倒角后再用陶瓷刀具切削。毛坯切入处的倒角，可避免陶瓷刀具刚接触工件时承受过大的冲击载荷。毛坯切出处的倒角，主要是为避免陶瓷刀具切离零件时被留下的一圈料边打坏。

（3）机床与被加工零件的情况要匹配，避免“小马拉大车”等现象。

3.3 氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的选择虽然氮化硅陶瓷刀具是一种切削性能优良的刀具，但是如果不能在使用中合理地选择其几何参数，仍然不能很好地发挥其作用。所谓刀具的合理几何参数，是指能保证粗加工或半精加工刀具有较高的生产率和刀具寿命，精加工刀具能保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件，同时也具有较高的刀具寿命相应的刀具几何参数。在选择陶瓷刀具的合理几何参数时，除要考虑刀具的一般规律外，同时也必须考虑某些属于陶瓷刀具所特有的规律。氮化硅陶瓷刀具是一种硬而脆的刀具，如何保证其使用的稳定可、不发生崩刃仍然是选择氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的主要依据；氮化硅陶瓷刀具的结构主要是机夹可转位刀具，所以必须结合其结构特点来考虑选择合理几何参数。

3.4 合理选择切削用量合理选择切削用量，是充分发挥陶瓷刀具切削性能的基本问题之一。切削用量直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具寿命。因为陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性高等优点以及脆性较大、强度较低等缺点，所以必须充分考虑这些特点来选择合适的切削用量，以达到提高生产率、保证加工质量的目的。

（1）切削深度ap的选择用陶瓷刀具加工时，为了缩短加工时间，应尽可能选择较大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。由于切削深度受机床功率和工艺系统刚性的限制，一般粗加工钢和铸铁时，允许的最大切削深度为2～6mm，通常取ap＞1.5mm；精加工时取ap＜0.5mm；加工淬硬钢时，一般都是半精加工或精加工，余量和切削深度较小。当工艺系统刚性比较差时，应选取较小的切削深度，否则容易引起振动，使刀片破损。

（2）进给量f的选择合理选择进给量是成功应用陶瓷刀具的关键。进给量主要受陶瓷刀片强度及工艺系统刚性的影响，精加工时还要受被加工表面粗糙度的影响。? 因为陶瓷刀片的强度比硬质合金刀片低，所以进给量也应低些。一般可预选得小一些，通过实践逐步增加。精车普通钢和铸铁，进给量f选取为0.10～0.75mm/r；精加工选取f=0.05～0.25mm/r，端铣时可选取每齿进给量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬钢时根据硬度不同而选取不同的进给量，一般车削选取f=0.1～0.3mm/r；端铣选取每齿进给量af=0.05～0.15mm/z。进给量对刀具破损的影响比切削速度大，选取较小的进给量，有利于防止或减少刀具的破损，因此，对于陶瓷刀具应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度。

（3）切削速度v的选择氮化硅陶瓷刀具适于高速切削。对一定的工件材料，切削速度主要受机床功率限制。结合已选定的切削深度ap和进给量f，如因机床功率不足，而使切削速度选得过低，则不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易发生崩刃。应当适应减少进给量，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，虽然有的国家最高到1500r/min，但加工普通钢和铸铁，大多数仍然采用v=200～600m/min；加工硬度＜65HRC的钢材时v=60～200/min；铣削一般钢和铸铁时v=200～500m/min；铣削耐热合金v=100～250m/min。切削速度对切削屑形状影响很大，特别在v=350～1500m/min范围内，往往可以获得良好的切削形状，如在高速车削淬硬钢时，可能形成酥化的易于碎断的假带状切屑，而使切屑易于清理。用陶瓷刀具作低速切削时，不但与硬质合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工艺系统的振动，使刀具发生崩刃。例如：在v＜50m/min时车削抗拉强度为800～850MPa的钢材，陶瓷刀具很容易发生崩刃，甚至无法切削。在一定速度范围内高速切削时，切削温度的升高能改变工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韧性，从而减少其破损，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。而用陶瓷刀具断续切削时，如果切削速度提高太多，温差很大，产生的热应力会导致刀具破损。使用复合氮化硅陶瓷刀具，可以解决难加工材料的切削加工问题，改变传统的机械加工工艺，提高加工效率，节约工时及电力，同时可节约大量的生产硬质合金刀具所需要的贵重金属W、Co及Ti等，因此推广和应用新型陶瓷刀具具有广阔的发展前景.

发展前景

我国陶瓷刀具在可转位刀具中比重很小.年产量不到硬质合金的0. 1%。从切削性能上看.我国陶瓷刀具正向高硬度合金铸铁粗加工、断续切削方向发展。北京科技大学研制的ST新型复合陶瓷刀具能断续切削HRC63以上的高速钢滚刀。在刀具品种中除各种车刀外还正在开发铣刀和刨刀等。

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