陶瓷刀具在干式切削中的应用研究
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数控刀具
摘要:干式切削是机械制造业亟待发展并大力推广的加工工艺，而陶瓷刀具在高速干式切削时表现出优异的切削性能，是一类极具发展前途的刀具。论述了陶瓷刀具的切削性能，对陶瓷刀具在干式切削中的应用进行了分析研究。
引言
1 陶瓷刀具切削性能特点
- 陶瓷刀具具有很高的硬度与耐磨性一般硬质合金刀具的硬度在HRA90～93，而陶瓷刀具的常温硬度达HRA92～95。由于其硬度高，所以耐磨性有较大提高，刀具耐用度比硬质合金高几倍。
- 具有很高的红硬性一般硬质合金刀具在温度为800～1 000 ℃时，其硬度将有一个突然降低的阶段，而陶瓷刀具的硬度随温度的升高变化很小，即使在1,200 ℃时，硬度仍达HRA80。
- 很高的化学稳定性其抗氧化温度为1,750℃，而硬质合金为800 ℃，高速钢仅为550 ℃。
- 它与金属的亲和力极小即使在熔化温度下与钢也不相互反应，具有良好的抗黏结、扩散、氧化磨损能力：有较低的摩擦系数，减小切削力，得到良好的表面粗糙度。
- 抗弯强度较低纯氧化铝可以耐非常高的温度，但是它的强度和韧性很低，工作条件如果不好，容易破碎。
2 干式切削对刀具的要求
- 刀具材料应具有优良的红硬性和耐磨性干式切削的切削温度通常比湿式切削高得多，红硬性高的刀具材料才能有效地承受切削过程的高温，保持刀具的良好耐磨性。
- 刀具应具有较高的强度和耐冲击能力干式切削的切削力比湿式切削要大，并且干式切削的切削条件差，故刀具应具有较高的强度和耐冲击性能。
- 刀具材料应具有较低的摩擦系数降低刀具- 切屑和刀具- 工件表面之间的摩擦系数，在一定程度上可弥补切削液的润滑作用，抑制切削温度的上升。
- 刀具应具有合理的结构和几何参数合理的刀具结构和几何参数，不但可以降低切削力，抑制积屑瘤的产生，降低温度，而且还有断屑或控制切屑流动方向等功能。
3 提高陶瓷刀具切削性能的途径
- 晶须增韧
- 晶须对提高陶瓷刀具的韧性能起到很好的作用。生产中以SiC、Si
3N4作为晶须居多，SiC晶须具有一定的纤维结构，平均直径0.6µm，长度为20～80µm，在Al2O3基体中添加一定比例的SiC晶须时，形成“晶须增韧陶瓷”，其断裂韧性提高2～5倍，而且可有效地防止产生积屑瘤，相当程度地增加了陶瓷的韧性、强度和抗热冲击性能。在Al2O3基体中添加20%～30%的晶须时，其抗弯强度和断裂韧性最好，其效果最佳。- 随着纳米晶陶瓷材料致密化技术的发展，陶瓷材料的强度和韧性会有新的突破，如纳米晶ZrO
2陶瓷己经具有较理想的韧性，晶须增强的氧化铝陶瓷刀具除可铣削耐热合金外，还可粗加工超合金，其生产效率可提高近10倍。 - 晶须对提高陶瓷刀具的韧性能起到很好的作用。生产中以SiC、Si
- 通过抑制剂来细化晶粒
- 加入MgO作为抑制剂来抑制陶瓷晶粒的增长，可以提高其强度和韧性。陶瓷刀片在高温烧结时，存在晶粒长大现象。为遏制晶粒长大，常在陶瓷粉中加入MgO作为抑制剂。但该氧化物烧结后形成玻璃相，沉积于晶界处，使晶界分离，降低晶界强度，且易产生晶间碎裂。如能在低温下烧结陶瓷，则无需添加抑制剂，就可避免上述现象，提高陶瓷刀片性能。一种微细颗粒(0.22 µm)、高纯度(99.99%)的新型氧化铝陶瓷粉末，可用于制造陶瓷刀片。这种微细粉末具有很大的比表面积(15.1m
2/g)。压实时具有极大的表面能。在此能量作用下，烧结时所需温度明显降低，在1,230 ℃时即可充分烧结，烧结时无需添加抑制剂。制造这种刀片可用高速离心压实法，在100 ～200N的强大离心力作用下压实坯料，经干燥后在1,230℃的温度下烧结1.5h即可获得成品。这种新型陶瓷刀片的平均晶粒尺寸0.7µm。而一般陶瓷刀片的平均晶粒尺寸却2µm。使用这种刀片对灰铸铁和中碳钢进行干式车削具有满意的切削性能。- 通过采用先进的制粉烧结工艺和增韧技术，可使陶瓷刀具的强度和断裂韧性大幅度提高，如Al
2O3—ZrO2陶瓷的抗弯强度可达到700MPa，断裂韧性KIC达5MPam½以上。 - 加入MgO作为抑制剂来抑制陶瓷晶粒的增长，可以提高其强度和韧性。陶瓷刀片在高温烧结时，存在晶粒长大现象。为遏制晶粒长大，常在陶瓷粉中加入MgO作为抑制剂。但该氧化物烧结后形成玻璃相，沉积于晶界处，使晶界分离，降低晶界强度，且易产生晶间碎裂。如能在低温下烧结陶瓷，则无需添加抑制剂，就可避免上述现象，提高陶瓷刀片性能。一种微细颗粒(0.22 µm)、高纯度(99.99%)的新型氧化铝陶瓷粉末，可用于制造陶瓷刀片。这种微细粉末具有很大的比表面积(15.1m
- 加入添加剂
- 加入氧化锆或加入碳化钛与氮化钛的混合物可改善其韧性，提高耐冲击性能。尽管加入了这些添加剂，但是其韧性比硬质合金还是低得多。
4 陶瓷刀具在干式切削中的应用分析
4.1 确定合理刀具几何形状及参数
- 大的负前角和负刃倾角使刀尖和刃口有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，减缓冲击和月牙洼扩展，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的强度。
- 配合大的后角是设计陶瓷刀具的另一要点，可使刀具刃口楔角增大，减少刀具与已加工表面之间的接触长度，有效降低后刀面的磨损和破损几率。
4.2 不同材基的陶瓷刀具适用不同被加工材料
2O3系陶瓷刀具主要用于加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等)和各种钢料(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等)：也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。由于铝元素的化学亲合作用，Al2O3陶瓷刀具不适于加工铝合金和钛合金。Al2O3陶瓷制造的滚刀、铰刀、成形车刀等各类刀具不仅可用于普通车床加工，而且由于其稳定可靠的切削性能，特别适用于数控机床和自动生产线加工，尤其对高精度、高硬度以及大型工件的切削具有良好效果。
3N4系陶瓷刀具的加工范围与Al2O3系陶瓷刀具近似，但是Si3N4系陶瓷刀具不适合加工产生长屑的钢料。Si3N4系陶瓷刀具特别适合加工灰铸铁。
3N4系陶瓷刀具产生高温扩散，从而加剧刀具磨损。因此选用Al2O3系陶瓷刀具及Ti(C，N)基陶瓷刀具较为合适，具有较高的耐用度。
4.3 陶瓷刀具适用的加工工艺
5 陶瓷刀具的发展趋势
2基金属陶瓷材料具有高硬度、较高的强度和断裂韧性，TiB2基金属陶瓷将具有很广阔的发展前景。
6 结语
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