陶瓷刀具材料及其在高速切削中的應(yīng)用

1、 高速切削技術(shù)（姜增輝）學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院學(xué)號(hào)：姓名： 高速切削刀具及接口技術(shù)XX(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 沈陽 )摘要:陶瓷刀具材料是一種先進(jìn)的刀具材料,隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用越來越廣泛。文章介紹了陶瓷刀具的性能特點(diǎn),高速切削加工中陶瓷刀具切削用量以及刀具參數(shù)的選擇，高速切削中常用的陶瓷刀具材料的種類及應(yīng)用范圍。指出了陶瓷刀具材料作為高速切削刀具材料的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:高速切削;陶瓷刀具;應(yīng)用High-speed cutting tools and interface technologyXX(ShenYangLigong University，ShenYang )Abstract

2、: Ceramic tool material is an advanced tool material. With the development of high -speed machining technology, Its application is more and more extensive. The properties of ceramic cutting tools are presented, the selections of suitable cutting parameters and tool parameters in high speed machining

3、 are also discussed in this paper. The article introduces categories and applications of ceramic tool material in high-speed machining, point out the trends for the development ceramic tool material as high-speed machining tool material.Key words: high-speed machining; Ceramic tool; application0 引言隨

4、著數(shù)控加工設(shè)備與高性能加工刀具技術(shù)的發(fā)展,目前切削加工已進(jìn)入了一個(gè)以高速、高效和高精度為標(biāo)志的高速加工發(fā)展新階段,高速切削已成為當(dāng)前切削技術(shù)的重要發(fā)展趨向。然而,由于切削速度的提高相應(yīng)地產(chǎn)生了更多的切削熱和更大的切削力,這些都會(huì)使刀具的切削性能大大降低。因此,影響高速切削刀具材料切削性能好壞的關(guān)鍵在于其高溫時(shí)的力學(xué)性能、熱物理性能、抗粘結(jié)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等。高速切削技術(shù)的發(fā)展在很大程度上得益于現(xiàn)代刀具材料的出現(xiàn)及發(fā)展,合理地選擇刀具材料是保證高速切削加工成功應(yīng)用的關(guān)鍵。陶瓷刀具是現(xiàn)代金屬切削加工中的一種新型材料刀具,陶瓷刀具以其優(yōu)良的切削性能和高性價(jià)比而受到青睞,

5、可用于車、鏜、銑削加工以及孔加工刀具,被公認(rèn)為是提高生產(chǎn)效率最有潛質(zhì)的刀具。1 高速切削的特點(diǎn)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給的高速化,使加工時(shí)間減少了50%,單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率可增加3倍6倍或更高，縮短零件的切削加工時(shí)，提高生產(chǎn)效率；切削力降低，徑向切削力小，使工件的加工變形減小，有利于加工精度的提高，有利于加工薄壁、細(xì)長(zhǎng)等剛性差的零件；大量的切削熱被切屑帶走，工件保持冷態(tài)，適合于加工易熱變形的工件；保證生產(chǎn)效率的同時(shí),采用較小的進(jìn)給量，激振頻率遠(yuǎn)大于工藝系統(tǒng)的固有頻率，工作平穩(wěn)，振動(dòng)小，可加工非常精密、光潔的零件，表面殘余應(yīng)力小，可省去銑削后的精加工工序。超高速切削時(shí),單位功率的金屬切除率顯著增大。由于

6、單位功率的金屬切除率高、能耗低、工件的在制時(shí)間短,從而提高了能源和設(shè)備的利用率,降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例,故高速切削完全符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。因此高速切削加工不僅可以獲得極高的生產(chǎn)效率，而且可以顯著提高工件的加工精度和表面質(zhì)量。高速切削加工技術(shù)主要用于加工鋼、鑄鐵及其合金，鋁、鎂合金，超級(jí)合金（鎳基、鉻基，鐵基和鈦基合金）及碳素纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料，其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。2陶瓷刀具的性能2.1高的硬度與耐磨性一般硬質(zhì)合金刀具的硬度在HRA9093,而陶瓷刀具的常溫硬度達(dá)HRA9295。由于其硬度高,所以耐磨性有較大提高,刀具耐用度比硬質(zhì)合金高幾倍。氮化硅陶瓷刀片的

7、室溫硬度值已達(dá)到了HRA92.5HRA94,這就大大提高了它的切削能力和耐磨性。其優(yōu)良的耐磨性,不僅延長(zhǎng)了刀具的切削壽命,而且還減少了加工中的換刀次數(shù),從而保證了切削工件時(shí)的小錐度和高精度,尤其在用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行高精密連續(xù)加工時(shí),可減少對(duì)刀誤差和因磨損引起的不可預(yù)測(cè)誤差,簡(jiǎn)化刀具誤差補(bǔ)償。2.2很好的耐熱性和抗高溫氧化性陶瓷刀具在1 2001 450時(shí)仍能保持一定的硬度和強(qiáng)度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間切削,因此允許采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具的切削速度實(shí)現(xiàn)高速切削。其切削速度比硬質(zhì)合金刀具提高了3倍10倍,因而能大幅度提高生產(chǎn)效率。2.3很高的紅硬性一般硬質(zhì)合金刀具在8001 000時(shí),其硬度將有一個(gè)突然降低的階段

8、,如YT類刀具在由800升高到1 000時(shí),其硬度由HV910降低到HV600,而陶瓷刀具的硬度隨溫度的升高變化很小,即使在1 200時(shí),硬度仍達(dá)HRA80。2.4 很高的化學(xué)穩(wěn)定性 其抗氧化溫度為1 750,而硬質(zhì)合金為800,高速鋼僅為550。2.5具有與金屬極小的親和力陶瓷刀具在熔化溫度下與鋼也不相互反應(yīng),具有良好的抗粘結(jié)、抗氧化磨損能力,有較低的摩擦系數(shù),因此減小了切削力,加工的工件具有良好的表面粗糙度。2.6 抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性Si3N4基陶瓷的抗彎強(qiáng)度一般為9001 000 MPa,Al2O3基陶瓷抗彎強(qiáng)度為1 0001 200 MPa,Si3N4基陶瓷不僅強(qiáng)度高,而且強(qiáng)度的可靠性

9、大,疲勞強(qiáng)度也高,可以獲得相當(dāng)穩(wěn)定的使用壽命。Si3N4基陶瓷有良好的斷裂韌性,高速切削時(shí)不易產(chǎn)生裂紋。2.7 陶瓷的高溫彈性模量高于硬質(zhì)合金 在常溫下陶瓷的彈性模量為420520 GPa,與P類硬質(zhì)合金相當(dāng),而低于K類硬質(zhì)合金;但在高溫下Al2O3基與Si3N4基陶瓷的高溫彈性模量卻高于硬質(zhì)合金。因此陶瓷刀具非常適合切削淬硬鋼與高硬鑄鐵。3陶瓷刀具在高速切削加工中的應(yīng)用由于使用陶瓷刀具可以改變傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝,解決各行業(yè)難加工材料的切削加工問題,提高加工效率,節(jié)約生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具所需的大量貴重金屬(如W、Co及Ti等),因此,陶瓷刀具的應(yīng)用越來越廣泛,并且大量應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。在美國(guó),陶瓷刀

10、具占全部刀具市場(chǎng)份額的3%4%,在日本該份額為8%10%,在德國(guó)約為12%。在一些特殊加工過程中,陶瓷刀具所占比例更大。據(jù)估計(jì),今后陶瓷刀具占整個(gè)刀具市場(chǎng)的份額可能增加到15%20%。在高速切削加工過程中,由于陶瓷刀具本身的物化特性,其切削用量以及刀具幾何參數(shù)的選擇有著許多與傳統(tǒng)刀具不同之處。3.1合理選擇切削用量切削用量直接影響加工生產(chǎn)率、加工成本、加工質(zhì)量和刀具耐用度。選擇切削用量時(shí)必須充分考慮陶瓷刀具硬度高、耐磨性好、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)以及脆性較大、強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。正確選擇進(jìn)給量是成功應(yīng)用陶瓷刀具的關(guān)鍵。3.1.1切削速度的選擇目前陶瓷刀具的切削速度已高達(dá)每分鐘數(shù)千米,較高的切削速度(尤其在

11、350 m/min1 500 m/min范圍內(nèi))往往可以獲得良好的切屑形狀。如在高速車削淬硬鋼時(shí),可形成酥化的易于碎斷的假帶狀切屑,使切屑易于清理。陶瓷刀具適于高速切削,切削速度過低,不僅不利于發(fā)揮陶瓷刀具的優(yōu)越性,而且容易引起工藝系統(tǒng)振動(dòng),使刀具崩刃,嚴(yán)重時(shí)甚至無法切削。在一定速度范圍內(nèi)高速切削時(shí),切削溫度的升高,能改變加工材料的性能,減少陶瓷刀具的破損,一般陶瓷刀具均采用干切削。3.1.2進(jìn)給量的選擇進(jìn)給量對(duì)刀具破損的影響很大,選取較小的進(jìn)給量,有利于防止或減少刀具的破損。進(jìn)給量大小主要受刀具強(qiáng)度、工藝系統(tǒng)剛性及被加工表面粗糙度的影響,因?yàn)樘沾傻毒叩膹?qiáng)度比硬質(zhì)合金刀具低,所以預(yù)選進(jìn)給量時(shí)可

12、選得小一些,通過試切逐步增大。車削普通鋼和鑄鐵時(shí),粗加工取進(jìn)給量f=0.1 mm/r0.75 mm/r,精加工取f=0.05 mm/r0.25 mm/r,端銑時(shí)可取每齒進(jìn)給量af=0.1 mm/z0.3 mm/z。加工淬硬鋼時(shí)隨硬度的不同而選取不同的進(jìn)給量,一般車削取f=0.1 mm/r0.3 mm/r,端銑取每齒進(jìn)給量af=0.05 mm/z0.15 mm/z。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。3.1.3切削深度的選擇切削深度受機(jī)床功率和工藝系統(tǒng)剛性的限制。選擇較大的切削深度可以縮短加工時(shí)間,應(yīng)盡量選擇一次走刀后切去大部分加工余量。一般粗加工鋼和鑄鐵時(shí),允許的最大切削深度a

13、p為2 mm6 mm,通常取ap1.5 mm;精加工時(shí)取ap0.5 mm。加工淬硬鋼一般為半精加工或精加工,切削深度應(yīng)較小。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí),應(yīng)取較小的切削深度,以免引起振動(dòng)使刀具破損?？傮w說來,用陶瓷刀具加工應(yīng)選用較小的進(jìn)給量和盡可能高的切削速度,切削深度在系統(tǒng)剛性和加工工藝允許的前提下應(yīng)盡可能選擇較大值。3.2合理選擇刀具幾何參數(shù)合理的刀具幾何參數(shù),是指粗加工或半精加工時(shí)能保證刀具有較高生產(chǎn)率和刀具耐用度,精加工時(shí)在具備較高刀具耐用度的基礎(chǔ)上可保證加工出符合預(yù)定尺寸精度和表面質(zhì)量的工件的刀具幾何參數(shù)。雖然陶瓷刀具切削性能優(yōu)良,但是如果在使用中不能合理地選擇其幾何參數(shù),仍不能很好地發(fā)揮其

14、作用。在選擇陶瓷刀具的幾何參數(shù)時(shí),除要考慮刀具的一般規(guī)律外,還應(yīng)考慮陶瓷刀具特有的規(guī)律。根據(jù)陶瓷刀具脆硬的特點(diǎn),保證其使用穩(wěn)定可靠、不發(fā)生崩刃是選擇陶瓷刀具合理幾何參數(shù)的主要依據(jù),因此,高速切削時(shí)切削刃的前角應(yīng)盡量取小值或取負(fù)值,后角可相應(yīng)增大一些。但若前角很小或負(fù)值,切削力將會(huì)上升,不易加工剛性較差的工件。為使陶瓷刀具具有足夠的使用壽命和低的切削力,應(yīng)選擇一個(gè)最佳前角,后角也同理。一般前角C0取-6o0o,后角A0取8o16o。4陶瓷刀具材料的種類及應(yīng)用近年來,新型陶瓷刀具材料不斷出現(xiàn),預(yù)計(jì)20年后世界范圍內(nèi)陶瓷刀具的比率將達(dá)15%20%。陶瓷刀具材料的品種、牌號(hào)很多,按其主要成分大致可分為

15、氧化鋁系和氮化硅系。目前,世界上生產(chǎn)的陶瓷刀具95%屬于Al2O3系,其它多為Si3N4系?？捎糜诟咚偌庸さ奶沾傻毒甙ń饘偬沾伞⒀趸X陶瓷、氮化硅陶瓷、Sialon陶瓷、晶須強(qiáng)化陶瓷以及涂層陶瓷刀具材料等。4.1 氧化鋁陶瓷刀具氧化鋁陶瓷刀具是以Al2O3為主要成分,添加少量金屬氧化物MgO、NiO、TiO2、Cr2O3等,經(jīng)冷壓燒結(jié)而成的陶瓷。和硬質(zhì)合金相比,具有硬度高、耐磨性好(是一般硬質(zhì)合金的5倍)、耐高溫和抗粘結(jié)性能好以及摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn),因此適合于高速切削。陶瓷刀具容許的切削速度比硬質(zhì)合金高310倍。作為使用歷史最長(zhǎng)的刀具材料,氧化鋁陶瓷刀具最適用于高速切削硬而脆的金屬材料,如冷硬

16、鑄鐵或淬硬鋼,也可用于大型機(jī)械零部件的切削及用于高精度零件的切削加工。4.2 金屬陶瓷刀具材料金屬陶瓷刀具材料出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代。最初的金屬陶瓷刀具材料是由碳化鈦和鎳粘合組成,刀片比較脆,很容易損壞,只能用于精加工?，F(xiàn)在使用的是碳化鈦基的鈦氮金屬陶瓷(TiC/TiN)。由于在陶瓷材料中加入了金屬,因而提高了強(qiáng)度,也改善了切削性能。金屬陶瓷刀具可用于高速切削、中、低進(jìn)給的成形加工,刀具壽命比硬質(zhì)合金長(zhǎng)。金屬陶瓷的切削速度接近陶瓷刀具,但韌性比陶瓷刀具好,可以在一定程度上代替非涂層硬質(zhì)合金。金屬陶瓷適用于干切削,可銑削淬硬的模具鋼。在突破了金屬陶瓷的PCD涂層技術(shù)后,目前在刀片表面可涂覆一層或

17、多層超硬材料,提高了熱硬性和耐磨性,擴(kuò)大了金屬陶瓷刀具的使用范圍,可在更高的速度下加工鋼和鑄鐵材料。金屬陶瓷的涂層材料和硬質(zhì)合金涂層材料基本相同,有TiN、TiCN和Al2O3等。其復(fù)合涂層刀具的韌性更好,刀具更鋒利,適用于合金鋼、高合金鋼、不銹鋼和延性鋼的高速精加工和半精加工,其加工效率和加工精度均有顯著提高。4.3 氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷刀具的硬度僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼而居第四位,是新一代的陶瓷刀具,1981年開始投入市場(chǎng)。氮化硅陶瓷刀具的主要特點(diǎn)是具有良好的耐熱性和抗熱沖擊性能,耐熱性高達(dá)1 3001 400e,高于一般陶瓷。適用于粗銑、斷續(xù)車削、荒車及濕式加工,具有廣泛的適

18、應(yīng)性,一般陶瓷刀具不能進(jìn)行的加工,它都可以完成,如切削氧化皮、斷續(xù)切削、螺紋加工及鉆孔等。特別是由于其高的抗熱震性及優(yōu)良的高溫性能,使其更適合高速切削及斷續(xù)切削。另外,氮化硅陶瓷刀具還可以切削可鍛鑄鐵、耐熱合金等難加工材料。4.4 賽隆(Sialon)陶瓷刀具Sialon陶瓷刀具是Al2O3在Si3N4中的固溶體,是氮化鋁、氧化鋁和氮化硅的混合物,在1 800e進(jìn)行熱壓燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料,其具有很高的強(qiáng)度,抗彎強(qiáng)度達(dá)到1 0501 450 MPa,比Al2O3陶瓷刀具都高,其斷裂韌性也是幾種陶瓷刀具中最高,其沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)勝于一般陶瓷刀具而接近涂層硬質(zhì)合金刀具。適用于高速切削、強(qiáng)力切削、斷

19、續(xù)切削。與氮化硅陶瓷刀具相比,Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化學(xué)穩(wěn)定性、抗蠕變能力及耐磨性能都提高了,并易于制造和燒結(jié)。Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金和硅鋁合金的加工,是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。如用Sialon陶瓷刀具加工鑄鐵時(shí),切削速度可超過900m/min,可對(duì)鑄鐵進(jìn)行間斷切削。4.5 晶須增韌陶瓷刀具晶須增韌陶瓷是一種用氧化鋯強(qiáng)化的陶瓷材料。氧化鋯的強(qiáng)化作用就像將鋼筋加入混凝土一樣,可增加陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度,使得陶瓷材料獲得高硬度和高韌性。晶須增韌的作用是通過相變換特征實(shí)現(xiàn)的。相變換的作用是抑制刀具的破裂,由于材料結(jié)構(gòu)的改變,在刀尖上引起破裂的能量

20、被吸收和擴(kuò)散,使刀具材料得到強(qiáng)化,提高了抗彎強(qiáng)度和韌性。晶須增韌陶瓷刀具是一種特殊材料的刀具,由于它具有抗沖擊韌度好、抗熱沖擊性能強(qiáng)的特點(diǎn),可以高速加工淬硬鋼(達(dá)到HRC65)和中等硬度的鋼,而且可以在加切削液的條件下進(jìn)行切削,這是別的陶瓷刀具所不具備的。4.6 陶瓷涂層刀具為避免刀具與工件產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),采用熱壓復(fù)合、CVD、PVD或溶膠)凝膠等工藝手段,對(duì)韌性比較好的陶瓷刀具使用涂層技術(shù)。涂層處理后,刀具壽命會(huì)大大提高,零件的加工質(zhì)量得到明顯改善,從而拓寬了陶瓷刀具的使用范圍。如在相同的條件下車削球墨鑄鐵時(shí),其壽命比未涂層的陶瓷刀具提高10倍。5 陶瓷刀具的發(fā)展趨勢(shì)(1)高速切削加工是切削加工發(fā)展的方向,在21世紀(jì)必將成為切削加工的主流。陶瓷刀具材料由于其優(yōu)異的性能以及自身的資源優(yōu)勢(shì),必將隨高速切削加工技術(shù)發(fā)展的需要,得到新的發(fā)展。預(yù)計(jì)到下世紀(jì)陶瓷刀具將成為高速切削的最廣泛的刀具材料之一。(2)脆性仍然是制約陶瓷刀具材料廣泛使用的一個(gè)重要因素。多年來各國(guó)相繼提出多種增韌補(bǔ)強(qiáng)方法和先進(jìn)的工藝技術(shù)。優(yōu)化組合