1、 高速切削技术（姜增辉）学院：机械工程学院学号：姓名： 高速切削刀具及接口技术XX(沈阳理工大学机械工程学院 沈阳 110168)摘要:陶瓷刀具材料是一种先进的刀具材料,随着高速切削技术的发展,其应用越来越广泛。文章介绍了陶瓷刀具的性能特点,高速切削加工中陶瓷刀具切削用量以及刀具参数的选择，高速切削中常用的陶瓷刀具材料的种类及应用范围。指出了陶瓷刀具材料作为高速切削刀具材料的发展趋势。关键词:高速切削;陶瓷刀具;应用High-speed cutting tools and interface technologyXX(ShenYangLigong University，ShenYang 110
2、168)Abstract: 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 spe
3、ed machining 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; appl
4、ication0 引言随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展,目前切削加工已进入了一个以高速、高效和高精度为标志的高速加工发展新阶段,高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向。然而,由于切削速度的提高相应地产生了更多的切削热和更大的切削力,这些都会使刀具的切削性能大大降低。因此,影响高速切削刀具材料切削性能好坏的关键在于其高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。高速切削技术的发展在很大程度上得益于现代刀具材料的出现及发展,合理地选择刀具材料是保证高速切削加工成功应用的关键。陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新型材料刀具,陶瓷刀具以其优良的切削性
5、能和高性价比而受到青睐,可用于车、镗、铣削加工以及孔加工刀具,被公认为是提高生产效率最有潜质的刀具。1 高速切削的特点主轴转速和进给的高速化,使加工时间减少了 50%,单位时间内的材料切除率可增加3倍6 倍或更高，缩短零件的切削加工时，提高生产效率；切削力降低，径向切削力小，使工件的加工变形减小，有利于加工精度的提高，有利于加工薄壁、细长等刚性差的零件；大量的切削热被切屑带走，工件保持冷态，适合于加工易热变形的工件；保证生产效率的同时,采用较小的进给量，激振频率远大于工艺系统的固有频率，工作平稳，振动小，可加工非常精密、光洁的零件，表面残余应力小，可省去铣削后的精加工工序。超高速切削时,单位功
6、率的金属切除率显著增大。由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短,从而提高了能源和设备的利用率,降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例,故高速切削完全符合可持续发展战略的要求。因此高速切削加工不仅可以获得极高的生产效率，而且可以显著提高工件的加工精度和表面质量。高速切削加工技术主要用于加工钢、铸铁及其合金，铝、镁合金，超级合金（镍基、铬基，铁基和钛基合金）及碳素纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。2 陶瓷刀具的性能2.1 高的硬度与耐磨性一般硬质合金刀具的硬度在 HRA9093,而陶瓷刀具的常温硬度达 HRA9295。由于其硬度高,所以耐磨性有较大提高,刀具耐用
7、度比硬质合金高几倍。氮化硅陶瓷刀片的室温硬度值已达到了 HRA92.5HRA94,这就大大提高了它的切削能力和耐磨性。其优良的耐磨性,不仅延长了刀具的切削寿命,而且还减少了加工中的换刀次数,从而保证了切削工件时的小锥度和高精度,尤其在用数控机床进行高精密连续加工时,可减少对刀误差和因磨损引起的不可预测误差,简化刀具误差补偿。2.2 很好的耐热性和抗高温氧化性陶瓷刀具在 1 2001 450时仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削,因此允许采用远远高于硬质合金刀具的切削速度实现高速切削。其切削速度比硬质合金刀具提高了 3倍10 倍,因而能大幅度提高生产效率。2.3 很高的红硬性一般硬质合金刀具在
8、 8001 000时,其硬度将有一个突然降低的阶段,如 YT类刀具在由 800升高到 1 000时,其硬度由HV910降低到 HV600,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。2.4 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。2.5 具有与金属极小的亲和力陶瓷刀具在熔化温度下与钢也不相互反应,具有良好的抗粘结、抗氧化磨损能力,有较低的摩擦系数,因此减小了切削力,加工的工件具有良好的表面粗糙度。2.6 抗弯强度和断裂韧性Si3N4基陶瓷的抗弯强度一般为 9001 000 MPa,Al2O3基陶瓷抗弯强度为 1
9、 0001 200 MPa,Si3N4基陶瓷不仅强度高,而且强度的可靠性大,疲劳强度也高,可以获得相当稳定的使用寿命。Si3N4 基陶瓷有良好的断裂韧性,高速切削时不易产生裂纹。2.7 陶瓷的高温弹性模量高于硬质合金 在常温下陶瓷的弹性模量为 420520 GPa,与 P 类硬质合金相当 ,而低于 K 类硬质合金;但在高温下 Al2O3 基与 Si3N4 基陶瓷的高温弹性模量却高于硬质合金。因此陶瓷刀具非常适合切削淬硬钢与高硬铸铁。3 陶瓷刀具在高速切削加工中的应用由于使用陶瓷刀具可以改变传统的机械加工工艺,解决各行业难加工材料的切削加工问题,提高加工效率,节约生产硬质合金刀具所需的大量贵重金
10、属(如 W、Co 及 Ti等),因此,陶瓷刀具的应用越来越广泛,并且大量应用于数控机床。在美国,陶瓷刀具占全部刀具市场份额的 3%4%,在日本该份额为8%10%,在德国约为 12%。在一些特殊加工过程中,陶瓷刀具所占比例更大。据估计,今后陶瓷刀具占整个刀具市场的份额可能增加到 15%20%。在高速切削加工过程中,由于陶瓷刀具本身的物化特性,其切削用量以及刀具几何参数的选择有着许多与传统刀具不同之处。3.1 合理选择切削用量切削用量直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具耐用度。选择切削用量时必须充分考虑陶瓷刀具硬度高、耐磨性好、耐热性好等优点以及脆性较大、强度较低等缺点。正确选择进给量是成
11、功应用陶瓷刀具的关键。3.1.1 切削速度的选择目前陶瓷刀具的切削速度已高达每分钟数千米,较高的切削速度(尤其在 350 m/min1 500 m/min范围内)往往可以获得良好的切屑形状。如在高速车削淬硬钢时,可形成酥化的易于碎断的假带状切屑,使切屑易于清理。陶瓷刀具适于高速切削,切削速度过低,不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性,而且容易引起工艺系统振动,使刀具崩刃,严重时甚至无法切削。在一定速度范围内高速切削时,切削温度的升高,能改变加工材料的性能,减少陶瓷刀具的破损,一般陶瓷刀具均采用干切削。3.1.2 进给量的选择进给量对刀具破损的影响很大,选取较小的进给量,有利于防止或减少刀具的破损。进
12、给量大小主要受刀具强度、工艺系统刚性及被加工表面粗糙度的影响,因为陶瓷刀具的强度比硬质合金刀具低,所以预选进给量时可选得小一些,通过试切逐步增大。车削普通钢和铸铁时,粗加工取进给量 f=0.1 mm/r0.75 mm/r,精加工取 f=0.05 mm/r0.25 mm/r,端铣时可取每齿进给量af=0.1 mm/z0.3 mm/z。加工淬硬钢时随硬度的不同而选取不同的进给量,一般车削取 f=0.1 mm/r0.3 mm/r,端铣取每齿进给量 af=0.05 mm/z0.15 mm/z。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。3.1.3 切削深度的选择切削深度受机床功率和工艺系统刚性
13、的限制。选择较大的切削深度可以缩短加工时间,应尽量选择一次走刀后切去大部分加工余量。一般粗加工钢和铸铁时,允许的最大切削深度 ap为 2 mm6 mm,通常取 ap1.5 mm;精加工时取 ap0.5 mm。加工淬硬钢一般为半精加工或精加工,切削深度应较小。当工艺系统刚性较差时,应取较小的切削深度,以免引起振动使刀具破损。总体说来,用陶瓷刀具加工应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度,切削深度在系统刚性和加工工艺允许的前提下应尽可能选择较大值。3.2 合理选择刀具几何参数合理的刀具几何参数,是指粗加工或半精加工时能保证刀具有较高生产率和刀具耐用度,精加工时在具备较高刀具耐用度的基础上可保证加工
14、出符合预定尺寸精度和表面质量的工件的刀具几何参数。虽然陶瓷刀具切削性能优良,但是如果在使用中不能合理地选择其几何参数,仍不能很好地发挥其作用。在选择陶瓷刀具的几何参数时,除要考虑刀具的一般规律外,还应考虑陶瓷刀具特有的规律。根据陶瓷刀具脆硬的特点,保证其使用稳定可靠、不发生崩刃是选择陶瓷刀具合理几何参数的主要依据,因此,高速切削时切削刃的前角应尽量取小值或取负值,后角可相应增大一些。但若前角很小或负值,切削力将会上升,不易加工刚性较差的工件。为使陶瓷刀具具有足够的使用寿命和低的切削力,应选择一个最佳前角,后角也同理。一般前角 C0取-6o0o,后角A0取 8o16o。4 陶瓷刀具材料的种类及应
15、用近年来,新型陶瓷刀具材料不断出现,预计20年后世界范围内陶瓷刀具的比率将达15%20%。陶瓷刀具材料的品种、牌号很多,按其主要成分大致可分为氧化铝系和氮化硅系。目前,世界上生产的陶瓷刀具 95%属于Al2O3系,其它多为 Si3N4系。可用于高速加工的陶瓷刀具包括金属陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、Sialon 陶瓷、晶须强化陶瓷以及涂层陶瓷刀具材料等。4.1 氧化铝陶瓷刀具氧化铝陶瓷刀具是以 Al2O3为主要成分,添加少量金属氧化物 MgO、NiO、TiO2、Cr2O3等,经冷压烧结而成的陶瓷。和硬质合金相比,具有硬度高、耐磨性好(是一般硬质合金的 5倍)、耐高温和抗粘结性能好以及摩擦系数低
16、等优点,因此适合于高速切削。陶瓷刀具容许的切削速度比硬质合金高 310倍。作为使用历史最长的刀具材料,氧化铝陶瓷刀具最适用于高速切削硬而脆的金属材料,如冷硬铸铁或淬硬钢,也可用于大型机械零部件的切削及用于高精度零件的切削加工。4.2 金属陶瓷刀具材料金属陶瓷刀具材料出现在 20世纪 30年代。最初的金属陶瓷刀具材料是由碳化钛和镍粘合组成,刀片比较脆,很容易损坏,只能用于精加工。现在使用的是碳化钛基的钛氮金属陶瓷(TiC/TiN)。由于在陶瓷材料中加入了金属,因而提高了强度,也改善了切削性能。金属陶瓷刀具可用于高速切削、中、低进给的成形加工,刀具寿命比硬质合金长。金属陶瓷的切削速度接近陶瓷刀具,
17、但韧性比陶瓷刀具好,可以在一定程度上代替非涂层硬质合金。金属陶瓷适用于干切削,可铣削淬硬的模具钢。在突破了金属陶瓷的 PCD涂层技术后,目前在刀片表面可涂覆一层或多层超硬材料,提高了热硬性和耐磨性,扩大了金属陶瓷刀具的使用范围,可在更高的速度下加工钢和铸铁材料。金属陶瓷的涂层材料和硬质合金涂层材料基本相同,有TiN、TiCN 和 Al2O3等。其复合涂层刀具的韧性更好,刀具更锋利,适用于合金钢、高合金钢、不锈钢和延性钢的高速精加工和半精加工,其加工效率和加工精度均有显著提高。4.3 氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷刀具的硬度仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼而居第四位,是新一代的陶瓷刀具,1981 年开
18、始投入市场。氮化硅陶瓷刀具的主要特点是具有良好的耐热性和抗热冲击性能,耐热性高达 1 3001 400e,高于一般陶瓷。适用于粗铣、断续车削、荒车及湿式加工,具有广泛的适应性,一般陶瓷刀具不能进行的加工,它都可以完成,如切削氧化皮、断续切削、螺纹加工及钻孔等。特别是由于其高的抗热震性及优良的高温性能,使其更适合高速切削及断续切削。另外,氮化硅陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料。4.4 赛隆(Sialon)陶瓷刀具Sialon陶瓷刀具是 Al2O3在 Si3N4中的固溶体,是氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物,在1 800e进行热压烧结而成的一种单相陶瓷材料,其具有很高的强度,抗弯强度
19、达到 1 0501 450 MPa,比 Al2O3陶瓷刀具都高,其断裂韧性也是几种陶瓷刀具中最高,其冲击强度远胜于一般陶瓷刀具而接近涂层硬质合金刀具。适用于高速切削、强力切削、断续切削。与氮化硅陶瓷刀具相比,Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力及耐磨性能都提高了,并易于制造和烧结。Sialon 陶瓷可成功地用于铸铁、镍基合金、钛基合金和硅铝合金的加工,是高速加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料。如用 Sialon陶瓷刀具加工铸铁时,切削速度可超过 900m/min,可对铸铁进行间断切削。4.5 晶须增韧陶瓷刀具晶须增韧陶瓷是一种用氧化锆强化的陶瓷材料。氧化锆的强化作用就像将钢筋
20、加入混凝土一样,可增加陶瓷材料的抗弯强度,使得陶瓷材料获得高硬度和高韧性。晶须增韧的作用是通过相变换特征实现的。相变换的作用是抑制刀具的破裂,由于材料结构的改变,在刀尖上引起破裂的能量被吸收和扩散,使刀具材料得到强化,提高了抗弯强度和韧性。晶须增韧陶瓷刀具是一种特殊材料的刀具,由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点,可以高速加工淬硬钢(达到 HRC65)和中等硬度的钢,而且可以在加切削液的条件下进行切削,这是别的陶瓷刀具所不具备的。4.6 陶瓷涂层刀具为避免刀具与工件产生化学反应,采用热压复合、CVD、PVD 或溶胶)凝胶等工艺手段,对韧性比较好的陶瓷刀具使用涂层技术。涂层处理后,刀具寿
21、命会大大提高,零件的加工质量得到明显改善,从而拓宽了陶瓷刀具的使用范围。如在相同的条件下车削球墨铸铁时,其寿命比未涂层的陶瓷刀具提高10倍。5 陶瓷刀具的发展趋势(1)高速切削加工是切削加工发展的方向,在 21世纪必将成为切削加工的主流。陶瓷刀具材料由于其优异的性能以及自身的资源优势,必将随高速切削加工技术发展的需要,得到新的发展。预计到下世纪陶瓷刀具将成为高速切削的最广泛的刀具材料之一。(2)脆性仍然是制约陶瓷刀具材料广泛使用的一个重要因素。多年来各国相继提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术。优化组合、进行多层次多相复合、多种增韧机制同时作用是提高陶瓷材料韧性的一条有效途径。(3)纳米改性、
22、纳米复合成功解决了晶粒的异常长大问题,纳米级粒子钉扎或进入位错区使基本晶粒内形成亚晶界,导致基体晶粒细化。纳米改性、纳米复合及超细晶粒陶瓷刀具材料的研究将是陶瓷刀具今后的主攻方向。(4)每一品种的陶瓷刀具都有特定的加工范围,合理选用陶瓷刀具是保证其成功应用的关键。主要是合理选择适用的刀具牌号、刀具几何角度和切削用量。因此,陶瓷刀具材料的研究作为一个系统研究将是一种趋势。参考文献:1 李鹏南,张厚安,张永忠,等.高速切削刀具材料及其与工件匹配研究J.工具技术,2008,42(6):21-25.2于金伟.陶瓷刀具在干式切削中的应用研究J.煤矿机械,2007,28(3):111 -112.3刘莉莉.
23、陶瓷刀具与难加工材料的匹配研究J.机械工程材料,2004,28(8):1 -3.4黄传真,刘含莲.基于切削可靠性的新型陶瓷刀具材料的研制5谢国如,张福豹.氮化硅陶瓷刀具在超硬材料加工中的应用J.工具技术,2008,42(11):84-86.6王致坚.陶瓷刀具的切削性能研究J.机床与液压,2005(7):69-70.7王宝友,崔丽华,黄传真,等.陶瓷刀具的发展与应用J.工具技术,2001,35(1):3-7.8许小静.浅析陶瓷刀具高速切削可靠性的影响因素J.陶瓷,2006(1):36-39.9毛文.高速切削绿色刀具选择评价体系的研究J.机械制造与自动化,2005(2):37-38.作者简介：王腾(1991-),男,江苏徐州人,本科生,主要研究方向：机械设计制造及其自动化。
