新型陶瓷刀具的应用分析及其研究

2018-03-28 63

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金属切削加工是工业生产中最基本、最广泛、最重水平直接关系到机械加工的效率、产品的质量和制造要的工艺，它直接影响工业生产的效率及成本消耗。金属切削刀具作为切削加工的基础装备之一，其发展的成本，对机械制造技术的发展速度起着关键性的作用。随着新刀具材料如陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等的相继出现，金属切削及刀具技术作为现代制造技术的基础工艺及装各也进入了以发展高速切削，开发新的切削工艺、加快刀具结构变革为特征的发展新阶段。

1 新型陶瓷刀具的切削性能

在切削过程中，判定刀具切削性能的优劣，往往从刀具切削部分的材料、儿何形状和刀具结构方面进行分析，而刀具材料的分析则以传统的硬质合金为主要的研究对象。随着现代工业技术的不断发展，传统的硬质合金刀具很难胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、红硬性，适干加工高硬材料。即使在1200～1350℃的高温下仍能继续切削，且与金属亲和力小，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值小。它还可以进行高速切削，减少换刀次数和由于刀具磨损而引起的尺寸误差，大大提高生产率和产品质量，因而受到人们的重视。

根据国外有关资料报道，陶瓷刀具在工业发达国家的发展应用非常快，有的已达到刀具总构成比的10%以上。美国用热压陶瓷刀具加工冷硬铸铁(HRC66)和高温合金时，采用的切削用量很高( v=610m/min，ap=6mm，s=0.5mm/r) 大大地提高了生产率。我国虽然在陶瓷刀具的研究水平上不比外国差，但实际应用发展较慢，据1994年以前的有关材料报道，当时，国内陶瓷刀具占总刀具的比例不超过1%，与国外大量应用于汽车工业及数控机床的情况正好相反，还主要用于加工水泵、轧辊等硬质合金刀具难以切削工件的粗加工，在精密加工中应用比较少。
陶瓷刀片的牌号及性能表陶瓷系列
及牌号密度
(g/cm³) 硬度
(HRA) 抗弯强度
(MPa) 用途特长 Si₃N₄
基系列 FD05
Si₃N₄ 3.41 92.5 1000 HRC<62 铸铁毛加工、断续切削、强力大进给量切削。抗热震特性好，强度好，抗冲击性好，但不适于切削高强度钢。 FD01
[Si₃N₄+TiC] 3.44 93.5 800 HRC<65高合金铸铁的粗加工，合金钢及高锰钢粗加工。耐高温性能好，强度不如FD05，但耐磨性好。 FD03
[Si₃N₄+TiC] 3.9 94 750 HRC<65的铸铁精加工、高速精铣。高速切削性能特好，能以v≤1000m/min精铣灰铸铁。 Si₃N₄-Al₂O₃
基系列 FD04
Si₃N₄-Al₂O₃
+TiC 3.85 93.5 800 加工硬铸铁、球墨铸铁及Ni基高温合金等。耐高温性能好，适于铸铁大进给量加工。 Al₂O₃-Ti(CN)
基系列 FD22
[Al₂O₃+TiCN] 4.75 94 800 精加工HRC65的淬硬钢或合金铸铁。耐磨性好，可实现淬硬钢的以车代磨或以铣代磨。 (注：表中参数系北京方大陶瓷有限公司资料)

早在20世纪70年代的中后期，清华大学就成功研制厂氮化硅(Si₃N₄)陶瓷刀具，并在国际上最先实现了用热压(Si₃N₄)陶瓷刀具，对多种难加工材料(淬硬钢、冷硬铸铁、热介石墨，玻璃钢等)进行多种工序(车、铣、螺纹车削、丝杆挑扣等)的加工应用，引起了国内外学术界的关注和兴趣，美国科学杂志和其他国家的一些著名杂志都曾报道和肯定这一成果，如今，“清华方大”研制的复合氮化陶瓷刀具具有很高的硬度和强度，以及优良的耐磨性、红硬性和抗氧化性。其陶瓷刀片的室温硬度值达到HRA92.5～94 抗弯强度已达到750～1000MPa ，即使在1200～1450℃ 的切削温度下仍然可以进行切削。切削速度比硬质合金提高3～10 倍，切削耐用度提高1O～100倍，切削效率提高3～10倍，可加工硬度高达HRC65的超硬材料，价格也比国外的便宜。清华方大的陶瓷刀片1991年曾获北京国际博览会金杯奖，其部分陶瓷刀片的牌号及性能列于上表。

2 新型陶瓷刀具切削工件的优点

陶瓷刀具有许多优点，虽然所适应的加工材料及切削速度范围要比一般硬质合金刀具大得多，但是，随着被切削零件情况的变化，其切削性能也会出现较大的变化，因此，必须针对所切削零件的材料特性及结构情况来优选最佳的陶瓷刀片型号。目前，FD01陶瓷刀片已成为许多工厂粗加工各类高硬合金铸铁、冷硬铸铁的主要刀具，但是FD01陶瓷刀片在切削高硬合金钢材料时，由于出现长切屑导致前刀面月牙洼磨损，使其崩刃。同时因为FD01不导电，不能用电火花线切割刀片的形状，限制了使用范围。在增加了碳化物及其它成分以后出现的FD03复合Si₃N₄陶瓷刀片，强度虽稍有降低，但耐磨性增加，因而适用于高速切削。为了适应精加工淬硬钢件而研制的Al₂O₃-TiCN 金属陶瓷刀片FD22，已达到了新的水平。用FD22金属陶瓷刀片切削40Cr淬硬钢时．耐用度大大优于其它陶瓷刀片。切削时间较长，磨锁较少。例如：使用FD22金属陶瓷刀具精车淬硬至HRC58～63的86CrMoV7钢轧辊时，在v=60m/min、f=0.2mm/r和ap=0.8mm时，切削路程L_m15420m，加工表面粗糙度Ra1.6µm下，完全满足以精车代粗磨的要求。因此，采用新型陶瓷刀具，能提高加工效率，大幅度节约加工工时及电力，可获得较大的经济效益，可节约大量贵重金属W、Co及Ti等。而且传统的硬质合金刀具的生产要消耗大量的地球上稀缺的战略金属W、Co、Ti等，而陶瓷刀具是以地壳中最丰富的元素硅(Si)等为原料，因此，陶瓷刀具具有广阔的应用前景。

3 新型陶瓷刀具的应用分析

切削条件：
工件材料40Cr淬硬HRC50～55
切削用量：v=41～44m/min, f=0.1mm/r, ap=0.3mm
车刀的几何角度：g₀=5°, k_r=45°, e_r=0.8, b₁×g₁=0.4×30°
CA6140 普通车床
FD22金属陶瓷刀具精车40Cr淬硬钢的磨损对比曲线
(注：表中磨损对比参数系北京方大陶瓷有限公司资料)

由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化学稳定性好的性能，因此，适用于干切削加工铸铁和悴火钢，以及适于现代高速切削工艺的要求。制造业是产生环境污染的主要根源，而利用现有刀具材料的优势探索干切削新工艺，是未来金属切削发展的趋势之一。近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环保政第，更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。长期以来，应用切削液一直是提高刀具寿命和加工质量的重要工艺因素，但也导致了生态环境的恶化，而且也增加了制造成本。根据美国企业的统计，在冷却加工系统中，切削液占总成本的14%～16%，刀具成本占2 %～4%。因此，美国、德国、日本等经济发达国家都非常重视干式加工的研究。据测，一般情况下，如减少切削液的使用可以节省10%～15%的加工成本。欧洲的工业界在大批量生产中，约有10～15%的切削加工已经采用了干式切削。因此，未来切削加工的发展方向是尽量少用切削液。干式切削刀具设计时，应该考虑刀具的几何角度、刀具材料、刀片涂层等，而陶瓷和金属陶瓷刀具具有耐热性、高温硬度、化学稳性好的特点，因此，适合于干式切削铸铁和淬硬钢。随着金属切削技术的发展，零件的毛坯制造精度的提高，实现零件的少无切削加工已是现代制造技术的一种发展趋势。采用陶瓷刀具可以实现以车代磨，减少工序，缩短工艺路线，提高生产率，特别是对一些滚动轴承内外环的加工效果更好。陶瓷刀具在使用和刃磨时，应根据工件材料与加工方式的不同，通过实验，正确选择陶瓷刀具牌号及刀具的几何参数。一般选择较大的刀尖圆弧半径(r=1.2～2.0mm) ，较大的倒棱角度(25～35°)；刀刃一般采用人造金刚石砂轮，在普通工具磨床上刃磨，砂轮粒度可选18 0～240#，刀具刃口不能出现锯齿口，刃磨粗糙度不低于Ra=1.6µm，用金刚石油石研磨膏修研，在高速大进给切削或冲击力大的粗加工时，机床要有足够的功率和刚性，刀具应修磨出负倒棱。陶瓷刀具切入被加工材料前要缓慢进给，防止初始崩刀。

4 结语

陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并待续较长的时间，比用硬质合金刀具平均提高效率3～10 倍。它可以实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”以及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削．对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。可以预见，新型陶瓷刀具对切削加工朝着高速、高效、高精度方向发展将产生很大推动作用，它的推广应用将给金属切削加工工艺带来变革，改变传统的刀具材料和切削技术，节省工时、电力、机床占用台数和生产面积30%～70%，节省战略性贵重金属，从而带来巨大的经济效益。

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