氮化矽陶瓷刀具的切削性能及其應用

2012-11-23

氮化矽(Si3N4)陶瓷刀具有很高的耐磨性、紅硬性，可以進行高速切削、減少換刀次數及減少
由於刀具磨損而造成的尺寸誤差。
在數控機床、加工中心線上應用具有更明顯優勢，大大提高了生產效率和產品質量。  ▇　氮化矽陶瓷刀具的切削性能


1. 高硬度
氮化矽陶瓷刀片的室溫硬度值已超過了最好的硬質合金刀片的硬度而達到92.5~94 HRA ，這就大大提高了它的切削能力和耐磨性。
它可以加工硬度高達65HRC 的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵，免除退火加工所消耗的電力。

其優良的耐磨性，不僅延長了刀具的切削壽命，而且還減少了加工中的換刀次數，從而保證切削工件時的小錐度和高精度，尤其在用數控機床進行高精密連續加工時，可減少對刀誤差和因磨損引起的不可預測的誤差，簡化刀具誤差補償。


2. 高強度
目前氮化矽陶瓷刀片的抗彎強度已達到750～1000Mpa ，超過了高速鋼，與普通硬質合金相當。


3. 抗高溫氧化性好
氮化矽陶瓷薄膜的耐熱性和抗高溫氧化性特別好，即使在1200～1450°C切削高溫時仍能保持一定的硬度和強度進行長時間切削，因此允許採用遠遠高於硬 質合金刀具的切削速度實現高速切削。
其切削速度比硬質合金刀具提高3～10倍，因而能大幅度提高生產效率。實驗證明，在眾多的陶瓷材料中，Si3N4 陶瓷具有最佳的耐熱性。


4. 良好的斷裂韌性
斷裂韌性值是評價陶瓷薄膜抗破損能力的重要指標之一，它與材料的組成、結構、工藝等因素有關。Si3N4系列陶瓷薄膜的斷裂韌性值優於其他系列陶瓷薄膜( 達6~7 MPam 1/2 ) ，接近某些牌號的硬質合金刀片，因而具有良好的抗衝擊能力，尤其在進行銑、刨、鏜削及其它斷續切削時，更能顯示其優越性。


5. 抗熱震性強
陶瓷材料的抗熱震性是指其在承受急劇溫度變化時，評價其抗破損能力的重要指標。Si3N4 系列陶瓷薄膜的抗熱震性能指標，由於其強度高、熱膨脹係數低而高達600 ~ 800°C ，明顯優於其他系列陶瓷薄膜(300~400°C) ，因而在高強度斷續零件的毛胚加工方面，顯示出獨特的優越性能。
  ▇　氮化矽陶瓷刀具的實際應用
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雖然我國陶瓷刀具的研究水平不比國外差，但實際應用發展較慢。據有關資料報導，目前國內陶瓷刀具占總刀具使用量的比例不超過1%。

氮化矽陶瓷刀具是近年來才在生產中推廣使用的一種新型刀具。因此，不論在刀具的幾何參數、切削用量以及使用技術方面，均缺乏成熟的經驗。

陶瓷刀具的實際應用是一項需要綜合各方面技術的系統工程，決不是只要買了陶瓷刀具換上就可以解決問題。

加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工時的切削性能與普通刀具有著相當大的差別，因此在應用時，必須考慮以下幾個方面的問題。



▇　1. 對機床的要求
陶瓷薄膜刀具材料對衝擊和振動載荷比較敏感。這是陶瓷薄膜刀具材料在耐衝擊和抗振性方面的最大弱點。

機床—工件—刀具工藝系統剛性弱是促使陶瓷薄膜刀具壽命降低或崩刃的主要原因。其中除工件和刀具本身的剛性因素外，機床剛性愈小，則振動愈大，而刀具壽命也就愈低。

這裏需要特別指出，在分析機床剛性時，一定要注意機床—工件—刀具工藝系統剛性，而不是孤立的一台機床的剛性，必須考慮工件、夾具、頂尖及刀具的剛性等。 任何環節的剛性不足都將大幅度地降低陶瓷薄膜刀具的切削性能和效率。實踐證明，適於陶瓷薄膜刀具加工的機床必須具有良好的剛性、足夠的功率和高的轉數。

分析國內目前機床情況可以看出，中型機床在精、半精加工時這三方面都基本滿足要求。對淬硬鋼或硬鎳鑄鐵等難加工材料的加工，由於其選用的切削速度較低，即使採用陶瓷薄膜刀具來加工，其功率也是足夠的，而在普通鋼材或鑄鐵粗加工時往往這三方面都不容易滿足。

重型機床的剛性好，有足夠的轉速及功率，只要使用得當，在重型工件的加工中，採用陶瓷薄膜刀具的成功率往往比較高。



▇　2. 對被加工零件的要求
a. 雖然陶瓷薄膜刀具對大多數鑄、鍛件不退火就能進行毛坯撥荒加工，但硬鑄件毛坯上的嚴重夾砂和砂眼將會引起許多不必要的打刀，增加了陶瓷薄膜刀具的消耗。如果能在切削加工前對毛坯進行適當的處理，如切削前先用手砂輪對缺陷部分進行清理、修正，就會得到比較好的效果。

b. 高速轉動的高硬毛坯的任何一點毛邊都有可能打壞陶瓷薄膜刀具，而從已車圓了的毛坯開始切削，卻可以長期穩定地切削。因此對於那些硬度高而形狀不規則的毛胚，應注意必須先倒角後再用陶瓷刀具切削。毛坯切入處的倒角，可避免陶瓷薄膜刀具剛接觸工件時承受過大的衝擊載荷。毛坯切出處的倒角，主要是為避免陶瓷薄膜刀具切離零件時被留下的一圈料邊打壞。

c. 機床與被加工零件的情況要匹配，避免“小馬拉大車”等現象。



▇　3. 氮化矽陶瓷薄膜刀具合理幾何參數的選擇
雖然氮化矽陶瓷薄膜刀具是一種切削性能優良的刀具，但是如果不能在使用中合理地選擇其幾何參數，仍然不能很好地發揮其作用。

所謂刀具的合理幾何參數，是指能保證粗加工或半精加工刀具有較高的生產率和刀具壽命，精加工刀具能保證加工出符合預定尺寸精度和表面質量的工件，同時也具有較高的刀具壽命相應的刀具幾何參數。

在選擇陶瓷薄膜刀具的合理幾何參數時，除要考慮刀具的一般規律外，同時也必須考慮某些屬於陶瓷薄膜刀具所特有的規律。氮化矽陶瓷薄膜刀具是一種硬而脆的刀 具，如何保證其使用的穩定可靠、不發生崩刃仍然是選擇氮化矽陶瓷薄膜刀具合理幾何參數的主要依據;氮化矽陶瓷薄膜刀具的結構，主要是機夾可轉位刀具，所以必須結合其結構特點來考慮選擇合理幾何參數。



▇　4. 合理選擇切削用量
合理選擇切削用量，是充分發揮陶瓷薄膜刀具切削性能的基本問題之一。切削用量直接影響加工生產率、加工成本、加工質量和刀具壽命。因為陶瓷薄膜刀具具有硬 度高、耐磨性好、耐熱性高等優點以及脆性較大、強度較低等缺點，所以必須充分考慮這些特點來選擇合適的切削用量，以達到提高生產率、保證加工質量的目的。

a. 切削深度 ap 的選擇
用陶瓷薄膜刀具加工時，為了縮短加工時間，應盡可能選擇較大的切削深度，以便在一次走刀後切去大部分餘量。

由於切削深度受機床功率和工藝系統剛性的限制，一般粗加工鋼和鑄鐵時，允許的最大切削深度為2~6mm ，通常取ap>1.5mm;精加工時取ap<0.5mm; 加工淬硬鋼，一般都是半精加工或精加工，餘量和切削深度較小。當工藝系統剛性比較差時，應取較小的切削深度，否則容易引起振動，使刀具破損。

b. 進給量 f 的選擇
合理選擇進給量是成功應用陶瓷薄膜刀具的關鍵。進給量主要受陶瓷薄膜刀具強度及工藝系統剛性的影響，精加工時還要受被加工表面粗糙度的影響。

因為陶瓷薄膜刀具的強度比硬質合金刀片低，所以進給量也應低些。一般可預選得小一些，通過實踐逐步增加。精車普通鋼和鑄鐵，進給量f 取為0.10~0.75mm/r ;精加工取f=0.05~0.25mm/r ，端銑時可取每齒進給量af=0.1~0.3mm/z。加工淬硬鋼時隨硬度不同而選取不同的進給量，一般車削取f=0.1～0.3mm/r ; 端銑取每齒進給量af=0.05 ～0.15mm/z。

進給量對刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進給量，有利於防止或減少刀具的破損，因此，對於陶瓷薄膜刀具應選用較小的進給量和盡可能高的切削速度。

c. 切削速度 v 的選擇
氮化矽陶瓷薄膜刀具適於高速切削。對一定的工件材料，切削速度主要受機床功率限制。結合已選定的切削深度ap和進給量f，如因機床功率不足，而使切削速度 選得過低，則不僅不利於發揮陶瓷薄膜刀具的優越性，而且容易發生崩刃。

應當適應減少進給量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷薄膜刀具的切削速度，雖然有的國家最高到1500m/min ，但加工普通鋼和鑄鐵，大多數仍然採用v=200~600m/min ; 加工硬度<65HRC 的鋼材時v=60~200/min ;銑削一般鋼和鑄鐵時v=200~500m/min ;銑削耐熱合金v=100～250m/min。

切削速度對切削屑形狀影響很大，特別在v=350~1500m/min 範圍內，往往可以獲得良好的切削形狀，如在高速車削淬硬鋼時，可能形成酥化的易於碎斷的假帶狀切屑，而使切屑易於清理。用陶瓷薄膜刀具作低速切削時，不但 與硬質合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工藝系統的振動，使刀具發生崩刃。

例如:在v<50m/min 時車削抗拉強度為800~850Mpa的鋼材，陶瓷薄膜刀具很容易發生崩刃，甚至無法切削。在一定速度範圍內高速切削時，切削溫度的升高，能改變工件材料 的性能，提高陶瓷薄膜刀具的韌性，從而減少其破損，所以一般陶瓷薄膜刀具均採用幹切削。

而用陶瓷薄膜刀具斷續切削時，如果切削速度提高太多，溫差很大，產生的熱應力會導致刀具破損。