氮化硅陶瓷刀具的切削性能及其应用

　　1 引言

　　氮化硅(Si3N4)陶瓷刀具有很高的耐磨性、红硬性，可以进行高速切削、减少换刀次数及减少由于刀具磨损而造成的尺寸误差。在数控机床、加工中心线上应用具有更明显优势，大大提高了生产效率和产品质量。

　　2 氮化硅陶瓷刀具的切削性能

　　高硬度

　　氮化硅陶瓷刀片的室温硬度值已超过了最好的硬质合金刀片的硬度而达到92.5～94HRA ，这就大大提高了它的切削能力和耐磨性。它可以加工硬度高达65HRC 的各类淬硬钢和硬化铸铁，免除退火加工所消耗的电力。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的误差，简化刀具误差补偿。

　　高强度

　　目前氮化硅陶瓷刀片的抗弯强度已达到750～1000Mpa ，超过了高速钢，与普通硬质合金相当。

　　抗高温氧化性好

　　氮化硅陶瓷刀片的耐热性和抗高温氧化性特别好，即使在1200～1450℃切削高温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3～10倍，因而能大幅度提高生产效率。实验证明，在众多的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷具有最佳的耐热性。

　　良好的断裂韧性

　　断裂韧性值是评价陶瓷刀片抗破损能力的重要指标之一，它与材料的组成、结构、工艺等因素有关。Si3N4系列陶瓷刀片的断裂韧性值优于其他系列陶瓷刀片(达6～7MPam½) ，接近某些牌号的硬质合金刀片，因而具有良好的抗冲击能力，尤其在进行铣、刨、镗削及其它断续切削时，更能显示其优越性。

　　抗热震性强

　　陶瓷材料的抗热震性是指其在承受急剧温度变化时，评价其抗破损能力的重要指标。Si3N4 系列陶瓷刀片的抗热震性能指标DT ，由于其强度高、热膨胀系数低而高达600～800℃，明显优于其它系列陶瓷刀片(300～400℃) ，因而在高强度断续零件的毛坯加工方面，显示出独特的优越性能。

　　3 氮化硅陶瓷刀具的实际应用

　　虽然我国陶瓷刀具的研究水平不比国外差，但实际应用发展较慢。据有关资料报导，目前国内陶瓷刀具占总刀具使用量的比例不超过1%。氮化硅陶瓷刀具是近年来才在生产中推广使用的一种新型刀具。因此，不论在刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面，均缺乏成熟的经验。陶瓷刀具的实际应用是一项需要综合各方面技术的系统工程，决不是只要买了陶瓷刀具换上就可以解决问题。加之陶瓷刀具本身所具有的物化特性、加工时的切削性能与普通刀具有着相当大的差别，因此在应用时，必须考虑以下几个方面的问题。

　　对机床的要求

　　陶瓷刀具材料对冲击和振动载荷比较敏感。这是陶瓷刀具材料在耐冲击和抗振性方面的最大弱点。机床—工件—刀具工艺系统刚性弱是促使陶瓷刀具寿命降低或崩刃的主要原因。其中除工件和刀具本身的刚性因素外，机床刚性愈小，则振动愈大，而刀具寿命也就愈低。这里需要特别指出，在分析机床刚性时，一定要注意机床—工件—刀具工艺系统刚性，而不是孤立的一台机床的刚性，必须考虑工件、夹具、顶尖及刀具的刚性等。任何环节的刚性不足都将大幅度地降低陶瓷刀具的切削性能和效率。实践证明，适于陶瓷刀具加工的机床必须具有良好的刚性、足够的功率和高的转数。

　　分析国内目前机床情况可以看出，中型机床在精、半精加工时这三方面都基本满足要求。对淬硬钢或硬镍铸铁等难加工材料的加工，由于其选用的切削速度较低，即使采用陶瓷刀具来加工，其功率也是足够的，而在普通钢材或铸铁粗加工时往往这三方面都不容易满足。重型机床的刚性好，有足够的转速及功率，只要使用得当，在重型工件的加工中，采用陶瓷刀具的成功率往往比较高。

　　对被加工零件的要求

　　虽然陶瓷刀具对大多数铸、锻件不退火就能进行毛坯拨荒加工，但硬铸件毛坯上的严重夹砂和砂眼将会引起许多不必要的打刀，增加了陶瓷刀具的消耗。如果能在切削加工前对毛坯进行适当的处理，如切削前先用手砂轮对缺陷部分进行清理、修正，就会得到比较好的效果。

　　高速转动的高硬毛坯的任何一点毛边都有可能打坏陶瓷刀具，而从已车圆了的毛坯开始切削，却可以长期稳定地切削。因此对于那些硬度高而形状不规则的毛胚，应注意必须先倒角后再用陶瓷刀具切削。毛坯切入处的倒角，可避免陶瓷刀具刚接触工件时承受过大的冲击载荷。毛坯切出处的倒角，主要是为避免陶瓷刀具切离零件时被留下的一圈料边打坏。

　　机床与被加工零件的情况要匹配，避免“小马拉大车”等现象。

　　氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的选择

　　虽然氮化硅陶瓷刀具是一种切削性能优良的刀具，但是如果不能在使用中合理地选择其几何参数，仍然不能很好地发挥其作用。所谓刀具的合理几何参数，是指能保证粗加工或半精加工刀具有较高的生产率和刀具寿命，精加工刀具能保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件，同时也具有较高的刀具寿命相应的刀具几何参数。

　　在选择陶瓷刀具的合理几何参数时，除要考虑刀具的一般规律外，同时也必须考虑某些属于陶瓷刀具所特有的规律。氮化硅陶瓷刀具是一种硬而脆的刀具，如何保证其使用的稳定可靠、不发生崩刃仍然是选择氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的主要依据;氮化硅陶瓷刀具的结构，主要是机夹可转位刀具，所以必须结合其结构特点来考虑选择合理几何参数。

　　合理选择切削用量

　　合理选择切削用量，是充分发挥陶瓷刀具切削性能的基本问题之一。切削用量直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具寿命。因为陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性高等优点以及脆性较大、强度较低等缺点，所以必须充分考虑这些特点来选择合适的切削用量，以达到提高生产率、保证加工质量的目的。

　　切削深度ap的选择

　　用陶瓷刀具加工时，为了缩短加工时间，应尽可能选择较大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。由于切削深度受机床功率和工艺系统刚性的限制，一般粗加工钢和铸铁时，允许的最大切削深度为2～6mm ，通常取ap>1.5mm;精加工时取ap<0.5mm;加工淬硬钢，一般都是半精加工或精加工，余量和切削深度较小。当工艺系统刚性比较差时，应取较小的切削深度，否则容易引起振动，使刀片破损。

　　进给量f的选择

　　合理选择进给量是成功应用陶瓷刀具的关键。进给量主要受陶瓷刀片强度及工艺系统刚性的影响，精加工时还要受被加工表面粗糙度的影响。

　　因为陶瓷刀片的强度比硬质合金刀片低，所以进给量也应低些。一般可预选得小一些，通过实践逐步增加。精车普通钢和铸铁，进给量f 取为0.10～0.75mm/r ;精加工取f=0.05～0.25mm/r ，端铣时可取每齿进给量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬钢时随硬度不同而选取不同的进给量，一般车削取f=0.1～0.3mm/r ; 端铣取每齿进给量af=0.05 ～0.15mm/z。进给量对刀具破损的影响比切削速度大，选取较小的进给量，有利于防止或减少刀具的破损，因此，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。

　　切削速度v的选择

　　氮化硅陶瓷刀具适于高速切削。对一定的工件材料，切削速度主要受机床功率限制。结合已选定的切削深度ap和进给量f，如因机床功率不足，而使切削速度选得过低，则不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易发生崩刃。应当适应减少进给量，甚至是切削深度，以便提高切削速度。目前陶瓷刀具的切削速度，虽然有的国家最高到1500m/min ，但加工普通钢和铸铁，大多数仍然采用v=200～600m/min ; 加工硬度<65HRC 的钢材时v=60～200/min ;铣削一般钢和铸铁时v=200～500m/min ;铣削耐热合金v=100～250m/min。

　　切削速度对切削屑形状影响很大，特别在v=350～1500m/min 范围内，往往可以获得良好的切削形状，如在高速车削淬硬钢时，可能形成酥化的易于碎断的假带状切屑，而使切屑易于清理。用陶瓷刀具作低速切削时，不但与硬质合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工艺系统的振动，使刀具发生崩刃。例如:在v<50m/min 时车削抗拉强度为800～850Mpa的钢材，陶瓷刀具很容易发生崩刃，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，能改变工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韧性，从而减少其破损，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。而用陶瓷刀具断续切削时，如果切削速度提高太多，温差很大，产生的热应力会导致刀具破损。

　　4 结语

　　使用复合氮化硅陶瓷刀具，可以解决难加工材料的切削加工问题，改变传统的机械加工工艺，提高加工效率，节约工时及电力，同时可节约大量的生产硬质合金刀具所需要的贵重金属W、Co及Ti等，因此推广和应用新型陶瓷刀具具有广阔的发展前景。

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