分类目录归档：陶瓷刀

新型陶瓷刀具的出现，是人类首次通过运用陶瓷材料改革机械切削加工的一场技术新的成果。早在20世纪初，德国与英国已经开始寻求用陶瓷刀具取代传统的碳素钢刀具。陶瓷材料因其高硬度与耐高温特性成为新一代的刀具材料，但陶瓷也由于其人所共知的脆性受到局限，于是如何克服陶瓷刀具材料的脆性，提高它的韧性，成为近百年来陶瓷刀具研究的主要课题。陶瓷的应用范围亦日益扩大。 工程技术界努力研制与推广陶瓷刀具的主要原因，（一）是可以大大提高生产效率；（二）是由于构成高速钢与硬质合金的主要成分钨资源在全球范围内的枯竭所决定。20世纪90年代初估计，全世界已探明的钨资源仅够使用50年时间。钨是世界上最稀缺的资源，但其在切削刀具材料中的消耗却很大，从而导致钨矿价格不断攀升，几十年中上涨好多倍，这在一定程度上也促进了陶瓷刀具研制与推广，陶瓷刀具材料的研制开发取得了令人瞩目的成果。 到目前为止，用作陶瓷刀具的材料已形成氧化铝陶瓷，氧化铝—金属系陶瓷、氧化铝—碳化物陶瓷、氧化铝—碳化物金属陶瓷、氧化铝—氮化物金属陶瓷及最新研究成功的氮化硼陶瓷，及氮化硅陶瓷刀具等材料。就世界范围讲，德国陶瓷刀具已不仅用于普通机床，且已将其作为一种高效、稳定可靠的刀具用于数控制机床加工及自动化生产线；日本陶瓷刀片在产品种类，产量及质量上均具国际先进水平；美国在氧化物—碳化物—氮化物陶瓷刀具研制开发方面一直占世界领先地位。中国陶瓷刀具开发应用也取得许多重大成果。 1、氧化铝陶瓷刀具：材料中采用纯Al2O3等，添加物有利于加强Al2O3抗弯强度，但高温性能有所降低，因此还是以纯氧化铝陶瓷材料为佳。 Al2O3陶瓷的室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。Al2O3陶瓷室温条件下的抗弯强度虽然较低，但随着使用中温度的上升，其抗弯强度却较少降低。依据该项特性用于高速切削却颇为合适。Al2O3陶瓷在室温与高温时抗压强度都很好，尤其可以克服一般高速钢刀具及硬质合金切刀刃易形成的变形及塌陷缺点。此外，Al2O3陶瓷在物理热性质及抗氧化，抗粘结性及化学惰性方面都可以大显身手。不过氧化铝陶瓷刀具在切削铁合金及钢件时，较易产生粘结磨损及缺口磨损。作为使用历史最长的刀具材料，氧化铝陶瓷刀具最适于高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢；用于大件机械零部件切削及用于高精度零件的切削加工。氧化铝陶瓷刀具在短，小零件，钢件的断续切削及Mg、Al、Ti及Be等单质材料及其合金材料切削加工时效果较差，容易使刀具出现扩散磨损或发生剥落与崩刃等缺陷，是其美中不足。 2、氧化铝—金属系陶瓷：为提高Al2O3陶瓷刀具韧性，材料中引入10%以下的Cr、CO、MO、W、Ti、Fe等金属元素，由此形成Al2O3金属陶瓷，这样材料密度，抗弯强度强及硬度均有提高。但由于氧化铝——金属陶瓷刀具抗蠕变强度低，抗氧性差，后来推广使用情况不佳。 3、氧化铝—碳化物系陶瓷：系将一定比例的碳化物，如MO2C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr3C2等加入到Al2O3陶瓷中，以改善Al2O3陶瓷刀具的性能。当TiC含量为30%时，陶瓷刀具的耐用度获得显著提高，而热裂纹深度也较小，目前国际上生产热压Al2O3—TiC陶瓷刀具均采用此配方。Al2O3—TiC陶瓷的抗弯强度，而热冲击性等均优于Al2O3陶瓷刀具。 4、氧化铝—碳化物金属陶瓷刀具：系在Al2O3—TiC陶瓷材料中，采用MO、Ni（或CO、W）等金属作为粘结相热压而成的陶瓷刀具材料。由于金属粘结Al2O3晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架组成，具有较高的联接强度，因此形成较好的切削性能。这类陶瓷刀具最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢，冷硬铸铁、铸钢，镍基或铬合金，镍基和钴基金合等。另外还可用于非金属材料如纤维玻璃，塑料夹层及陶瓷材料的切削加工。由于氧化铝——碳化物金属陶瓷抗热震性能良好，故可适用于铣削，刨削，反复短暂切削或其它间断切削等，亦可采用切削液进行湿式切削等。 5、氧化铝—氮化物金属陶瓷：此种陶瓷刀具材料基本性能与加工范围与Al2O3——碳化物金属陶瓷材料相当，不过由于以氮化物取代碳化物，因此它具有更好的抗热震性能与更适用于间新切削。但是其抗弯强度与硬度都比添加TiC的金属陶瓷低一些，对它的研究与深度开发仍在继续中。 6、氮化硼陶瓷刀具：最近日本住友电气公司开发研制出一种硬度更高的陶瓷刀具材料——粘合性立方晶氮化硼陶瓷（CBN）烧结体。该烧结材料系在压力为7—80pa，在2300～2400℃超高温高压下烧结10分钟后制成。这项技术还包括在原料制备阶段，为提高CBN纯度将微粉直径磨细等独特的软件技术。将粒径为0.5mm以下的微粒结合成一体，即研制出CBN含有率达到100%的烧结氮化硼陶瓷材料。 采用氮化硼材料制成的陶瓷刀具，在对硬度甚高的铸铁进行切削加工时，刀具的头端不会发生常见的受热龟裂与缺屑。根据不同条件，与含有其它结合材料的CBN烧结体相比较，氮化硼陶瓷刀具的使用时间可延长10倍以上，成为一种可作断续切削的材料。尤其在汽车工业加工中，hBN烧结体作为可对发动机等铸铁硬质材料加工的切削材料，在机械加工方面有广阔的用途。 此前的烧结体由于含有颗粒结合剂，因此不能形成如CBN那样高的硬度与热传导率等独特的性质。如CBN直接转换技术，由于其颗粒度太粗而不适合用作高速切削工具。 7、氮化硅陶瓷刀具：氮化硅陶瓷刀具具有低密、高强、高硬的物理性能。它的室温硬度值已超过了最好的硬质合金刀具的硬度，这大大提高了它的切削能力和耐磨性，可以加工高硬度的各类硬钢和硬化铸铁。其抗弯强度已超过高速纲而与普通硬质合金相当。氮化硅陶瓷刀具的断韧性值优于其它系列刀具达6～7mpaVm。氮化硅陶瓷刀具的抗热性能指标高达600～800℃，明显优其它系列陶瓷刀具（300～400℃），其切削速度也比硬质合金刀具高3～10倍。因此，在高强度断续零件的加工方面，显示出其优越的性能。 氮化硅陶瓷刀具包括：纯氮化硅陶瓷刀具和氮化硅复合陶瓷刀具。 ①纯氮化硅陶瓷刀具，其硬度HRA91～92，抗弯强度700～900Mpa，断裂韧性4.2～5.2MpaVm，耐热性可达1300～1400℃，其热膨胀系数为3.0×10-6/℃，有良好的抗氧化性能。②氮化硅复合陶瓷刀具；它是在氮化硅基体中添加Al2O3、Y2O3、TiC、TiN和MgO等成分，利用复合强化效应，冷压烧结制成的陶瓷刀具，其性能优于热压的纯氮化硅陶瓷刀具。 如在氮化硅中添加Al2O3烧结的陶瓷刀具，兼有Al2O3和SiN4的特性，其热硬性比硬质合金刀具和氧化铝陶瓷刀具都高，刀尖温度高于1000℃仍可正常高速切削，其最大优点是提高切削速度，加大进给量，提高金属切除率，延长刀具寿命。氮化硅陶瓷刀具特别适合于切削加工各种铸铁和高温合金等，但不能加工产生长屑的钢材。 总而言之，随着特种陶瓷材料研变与开发工作的不断深入，陶瓷刀具在金属切削加工业中的应用比例不断扩展。随着航空、航天工业的发展要求，必须满足提高Ti合金和Ni基高温合金等工件材料切削效率的要求，特种陶瓷刀具材料将会作出更大的贡献。

挑战：加工耐热超合金材料时，航空航天部件制造商如何提高生产效率？ 解决方案：使用硅铝氧氮陶瓷刀片。这种刀片的切削速度比常规的硬质合金解决方案要快5至10倍。 使用硅铝氧氮陶瓷刀片加工韧性材料，意味着能提高生产速度 —— 这在当今蓬勃发展的航空航天业是一个重要的因素。 随着空中客车380和波音梦幻客机等新型飞机相继投产，商用航空航天业目前正处于繁荣时期。由于各航空公司竞相更新机队，这种繁忙景象很有可能会继续下去。因此，航空航天制造商和部件供应商需要为难以加工的耐热超合金(HRSA)材料提高生产效率。 在材料中加入镍和铬能赋予材料优越的耐热性能，使之适用于航空发动机燃烧室，在这裡，高达1,000℃的温度十分普遍。然而，这些材料很难加工，因为材料会产生很高的切削温度，并会导致常规硬质合金刀片迅速磨损。 该解决方案改用陶瓷刀片，这种刀片具有出色的耐热性能，尤其适合制造过程中的粗加工和半粗加工阶段。再加上其优越的耐磨性，陶瓷牌号刀片允许以高于硬质合金刀片5至10倍的切削速度工作，从而极大地提高了生产效率。 山特维克可乐满为第一阶段和中间阶段加工工序中的一系列任务开发了数种陶瓷牌号。公司的CC670已证明是一种非常有效的刀片，适合第一阶段加工中的重载粗加工应用场合。而针对随后的半粗加工领域的工序，山特维克可乐满正引入另外两个牌号，即CC6065和CC6066，作为CC670的补充。 用硅铝氧氮陶瓷牌号刀片CC6065车削耐热超合金材料。 在需要额外刃线安全性的工序中，CC6065被认为是首选的刀片牌号。在所有应用场合，该刀片都具备安全和可预测等性能，在中间阶段加工中是取代晶须陶瓷的经济选择。CC6065也同样适合铣削。CC6060是款具备卓越抗沟槽磨损性的新牌号，此外，它还通过提高切削深度、进给及切削长度来提高生产效率。这种刀片牌号尤其适合用于稳定的条件以及需要控制嚙合角度的严格定制编程技术。 切削时间 CC6065的耐磨损性能与市场上另一种陶瓷刀片作比较。对比工序是对一种经过时效硬化达到35HRC(洛氏硬度)的Inconel 718锻造外壳进行型腔铣削。 切削参数是： vc=213m/min fn=0.20 ap=25mm 切削时间是5.3分钟。结果表明，CC6065的刀片磨损状况显著低于竞争对手的硬质合金刀片。 此外，将CC6060刀片牌号和竞争对手的陶瓷牌号置于Rene 88涡轮机叶轮的连续切削应用场合中，以评估磨损特征和切削时间。结果显示，CC6060具备更好的抗沟槽磨损性：这种刀片用了10.8分钟才显示出竞争对手陶瓷刀片只用3.28分钟就发生的磨损程度。这表明，山特维克可乐满生产的陶瓷刀片牌号能通过减少磨损来改善生产效率。 竞争对手 CC6065 应用实例 硬钢46HRC的中间阶段加工 总结 随着一些新型飞机相继投产，商用航空航天业已进入增长期。面对生产新机队的压力，制造商正在寻求提高生产效率的种种途径。 为了应对高温发动机的严酷环境，这些部件一般都採用镍合金含量很高的不锈钢制造，即耐热超合金(HRSA)。这种合金会产生很高的切削温度，因此对常规的硬质合金刀片构成挑战。 硅铝氧氮陶瓷刀片能够有效地应对耐热超合金材料，并使部件制造商有机会把总体生产效率提高5至10倍。

陶瓷作为一种高效刀具材料，非常适合高速加工和高效加工。由于可显著提高切削速度和进给速度，因此可以提高金属切除率，缩短加工时间，从而可提高切削加工的经济性，甚至还可减少投资成本。 目前，氮化硅陶瓷刀具材料已用于铸铁的高效加工，并在加工的安全性、稳定性和经济性上均有出色表现。德国SPK刀具公司开发的新型SiAlON刀具材料为氮化硅陶瓷刀具材料家族又增加了新成员。 一般的氮化硅刀具材料成分为ß­Si3N4，而新开发的SiAlON刀具材料成分为α­/ß­SiAlON，通过对材料金相组织的改进，使细小的碳化物硬颗粒分布在SiAlON晶粒之间，从而提高了SiAlON刀具材料的硬度和抗热振性能，并使其具有更高的抗氧化能力和更好的化学稳定性。 由于α­/ß­SiAlON刀具材料具有上述优良特性，因此它能适用于很广的加工领域，包括从粗加工到精加工，从连续切削到断续切削，甚至可用于有剧烈振动的切削加工；它既可用于车削加工，又可用于铣削加工；它可加工的材料包括灰铸铁和球墨铸铁。在加工灰铸铁时，可应用于各种加工场合；在加工球墨铸铁时，除可用于铣削加工外，现在还可用于车削的断续加工。 铣削加工时，应选用韧性好的α­/ß­SiAlON材料，SL808牌号就是专门为此而开发的，它在加工灰铸铁时显示出很高的加工效率。例如，用MKS90°面铣刀粗铣加工GJL250灰铸铁的箱体，切削速度可达1200m/min，每齿进给量为0.275mm（进给速度10000mm/min），铣削宽度在5～12mm之间变化。尽管采用如此高的切削用量，刀具寿命仍能达到50m/刃。 通过加工一个压缩机壳体，对α­/ß­SiAlON与ß­Si3N4两种材料的切削性能进行了比较。首先加工加强筋和平面，在每齿进给量与ß­Si3N4相同时，α­/ß­SiAlON的SL808可采用更高的切削速度，缩短了每件加工时间。由于α­/ß­SiAlON的耐磨性好，刀具寿命更长，进一步提高了加工的经济性。与ß­Si3N4相比，SL808的切削速度提高了约15%，刀具寿命提高了约63%，所用切削用量为每齿进给量0.20mm，切削速度900m/min，轴向切深5.0mm。 然后比较两种刀具材料在粗铣法兰面和螺孔面时的性能。由于α­/ß­SiAlON有更好的耐热性，切削速度可从500m/min提高到800m/min，进给速度可从约3000mm/min提高到4000mm/min，因此可使加工时间减少20%，同时刀具寿命提高一倍，加工成本降低30%。 将α­/ß­SiAlON与Al2O3涂层的硬质合金刀具进行比较，也证明前者在各种加工场合的切削性能优于后者。例如，铣削曲轴箱的侧面时，轴向切深3mm，径向切深40mm；用直径50mm的α­/ß­SiAlON五齿MKS88°铣刀替代原来使用的直径更大的7齿硬质合金铣刀。由于α­/ß­SiAlON具有很好的耐热性，切削速度达1000m/min，进给速度达3600mm/min，约为原来的3.6倍，因此加工的经济性大大提高，可降低加工成本约70%。 用一把直径80mm的MKS90°直角面铣刀加工GJL400铸铁制造的轴承座时，在一次装夹中用圆周铣加工出各直径尺寸，走刀时的径向切深40mm，轴向切深10mm。与Al2O3涂层硬质合金刀具相比，进给速度由550mm/min提高到3000mm/min，加工时间由原来的6.8分钟减少到只需1.25分钟。 α­/ß­SiAlON材料的开发被看作是氮化硅陶瓷材料的一个发展方向，其耐高温、耐磨损的性能比ß­Si3N4有了显著提高，而韧性却没有下降。以上加工铸铁的实例很好地证明了这些优点。

1 引言 陶瓷刀片具有优良的切削性能，在机械加工领域得到广泛应用。目前国内大多采用仿形磨削工艺对烧结后的陶瓷刀片进行磨削成形加工。该工艺的缺点是加工精度较低，生产柔性不足。笔者根据田新生等所著《陶瓷刀片周边磨削专用数控系统》提出的陶瓷刀片磨削专用数控系统及适用刀片形状，结合国内数控系统技术发展和市场状况，提出在车铣中心的基础上改装数控砂带磨床，利用FANUC-0TC数控系统的极坐标插补功能实现高效率、低成本的陶瓷刀片成形磨削加工。 2 车铣中心与FANUC-OTC数控系统 全功能型数控车床配备了FANUC或SIEMENS等数控系统和多工位转塔刀架，可完成圆柱面、圆锥面、螺纹等多种表面的数控加工。由于轴类零件经常是齿轮等零件的承载体，因此其上往往有键槽、螺旋槽、非圆截面等结构，在车床上难以加工。若在数控系统中增加极坐标插补功能，机床主轴增加C轴控制功能，配备可驱动铣刀的动力刀架，即可将数控车床扩展为车铣中心。由于车铣中心具有良好的加工柔性和经济性，近年来发展很快。笔者曾使用过日本WASINO公司生产的LJ-1OMC车铣中心(配备FANUC-OTC数控系统)，此类机床一次装夹工件即可完成轴类零件几乎所有结构的加工，而加工成本并未显著增加。因此，目前许多车床用数控系统实际是为车铣中心开发的，如FANUC-OTC数控系统最多可控制Z、X、C、Y四个轴(Y轴很少使用)，最多可联动控制X、C、Z三个轴，其简化型FANUC-OTD是目前国内广泛使用的数控车床用数控系统。 3 砂带磨削工艺特点 砂带磨削具有许多其它磨削加工方式所不具备的优势：①磨削效率高达96%，是所有磨削加工方式中最高的；②磨削比高(比砂轮磨削高10倍以上)；③可实现磨削、研磨、抛光等多重加工效果，加工精度高，表面质量好；④磨削力和磨削振动较小，机床、磨头结构及加工工艺简单，加工成本低。使用砂轮进行数控磨削时，需对砂轮进行修整和补偿(与在数控车床上进行“刀补”类似)，这就需要在数控机床上设置昂贵的电子对刀测头，对机床精度也提出了更高要求。而采用砂带磨削工艺只需事先精确测定磨头上接触轮的位置，设计好砂带厚度，使用时定期更换砂带即可实现加工。 目前工业发达国家采用砂带磨削已占磨削加工总量的30%左右。所用砂带品种繁多、规格各异，几乎可适用于所有材料的加工。虽然砂带磨削工艺在国内尚未普及，但已形成了一定水平的砂带生产能力；清华大学、重庆大学等高校与一些机床厂合作研制了多种砂带磨削机床，具备了较强的砂带磨头研制能力。由于陶瓷刀片的生产量大面广，因此用砂带磨削工艺取代砂轮磨削工艺加工陶瓷刀片具有良好的经济、技术效益。 4 陶瓷刀片数控砂带磨床设计方案 设计思路：用仿形磨床夹具替代车铣中心所用三爪卡盘，使其与主轴相连并受主轴控制。将车铣中心的转塔刀架更换为砂带磨头，即可实现陶瓷刀片型线的成形磨削加工。 由于陶瓷刀片型线较简单(由直线、圆弧相切组成)，利用FANUC-OTC数控系统具有的一个可选功能——启动/关闭极坐标插补功能(G112/G113)即可实现X、C轴联动，并按极坐标方式加工出直线和圆弧两种基本曲线(如右图所示)。FANUC-OTC数控系统的C轴最小分度值为0.001°，机床主轴电机编码盘每转可发出100余万次脉冲，因此其极坐标加工精度完全可满足陶瓷刀片型线的加工要求。数控加工涉及C轴控制，逼近时需在轴线圆周方向上确定一个作为C轴定位基准及加工始点的C轴零点。加工开始前，将陶瓷刀片毛坯装夹在位于C轴零位的夹具上，一旦X、C轴“归零”，即表示毛坯安装到位。加工时，机床主轴电机带动工件转动，X轴伺服电机驱动砂带磨头进给，通过两轴联动依次加工出各段直线和圆弧，最终形成陶瓷刀片型线。 本设计方案具有较高的技术可靠性和相对较低的加工成本，其实现也并不困难。加工所用全功能型数控车床对于国内数控机床厂已属成熟产品；FANUC-OTC是FANUC公司的名牌产品，以高性能、高可靠性著称，在国内应用广泛；G112/G113(启动/关闭极坐标插补)是该系统提供的可选功能，技术可靠性具有充分保证。由于陶瓷刀片型线较简单，加工编程量不大，采用手工编程也可完成。根据陶瓷刀片型线的加工特点，砂带磨头、接触轮等结构设计简单，制造容易。这种数控砂带磨床加工柔性好，只需要改变加工程序而勿需更换砂带磨头和砂带即可适应多种规格陶瓷刀片的加工。当砂带宽度大于陶瓷刀片厚度时，甚至不需要Z轴即可完成加工。除以上优点外，该数控砂带磨床还可用于硬质合金刀片的数控磨削加工。

摘要：通过在金属基体上覆层三元硼化物基陶瓷制备出的陶瓷—金属覆层刀具材料同时具有陶瓷材料硬度高、耐磨性好和金属材料强度高、韧性好、导热性好的性能优势，是一种极具发展潜力的新型刀具材料。 1 引言 陶瓷材料具有优良的耐磨性、耐热性、抗氧化性能等，但同时存在脆性大、强度低、导热性能不佳等性能缺陷，从而限制了其在机械加工领域的广泛应用。为了充分发挥陶瓷材料的性能优势，弥补其性能缺陷，实现陶瓷材料与金属材料的性能互补，一种全新的刀具材料——陶瓷—金属覆层刀具材料应运而生。这种新型刀具材料是通过在金属基体上覆层新型Mo2FeB2系三元硼化物基陶瓷制备而成，它同时具备了陶瓷材料硬度高、耐磨性好和金属材料强度高、韧性好、导热性好等优点，加上制备过程中陶瓷层形成的残余压应力，使其具有优于单一陶瓷材料或金属材料的综合性能优势；同时，新型陶瓷—金属覆层刀具材料还具有良好的经济性，是一种极具发展潜力的刀具材料。目前国内外还未见有关该刀具材料的报道，因此，对这种新型刀具材料进行深入研究及开发具有重要的理论意义和实用价值。 2 三元硼化物基金属陶瓷的特点 2.1 三元硼化物基金属陶瓷的力学性能 Mo2FeB2系三元硼化物基陶瓷(又称为KHM)由日本ToyoKohan公司首先研制成功。KHM材料具有硬度高、耐磨性好等优点，其耐磨性与WC-Co合金大体相当，但在加工时对其它材料的损伤比普通硬质合金对其它材料的损伤更小，且与铜、锌等有色金属反应率低，因此特别适用于制造有色金属加工工具。日本ToyoKohan公司开发的KHMMo2FeB2系三元硼化物基金属陶瓷的硬度范围为80～92HRA，抗弯强度范围为1.0～2.60GPa，均与硬质合金的硬度和抗弯强度范围相当；KHM的密度约为普通硬质合金密度的3/5(几乎与钢的密度相当)。表1为几种典型KHM材料的物理性能。 表1 几种典型KHM材料的物理性能 材料型号 V30 V50 C50 C70 H50 H70 密度(Mg/m3) 8.2 8.3 8.3 8.3 8.1 8.1 硬度(HRA) 89 85 86 83 83 80 抗弯强度(GPa) 2.05 2.25 2.15 2.25 1.70 1.75 杨氏模量(GPa) … 继续阅读 →

陶瓷刀具非常适合加工淬硬钢、耐热合金或高温合金。操作者往往错误地沿用硬质合金的加工方式，他们需要解开这种“硬质合金情结”，转而考虑陶瓷刀具加工的特殊要求：根据加工材料选择合适的刀片形状以及机床、刀杆和夹具的刚性。 高温是硬质合金加工的主要敌人，因此，大部分操作者会降低切削速度并且增加进给率，当清况不好时会进一步降低主轴转速。但是这种最适合硬质合金的加工方式恰恰是陶瓷刀具加工中的最大禁忌！因为陶瓷刀具加工中遇到的大部分问题都是由于切削速度不足和进给率过大而导致的。 高温对陶瓷的作用不同于硬质合金。在切削过程中被切削的材料在刀具前刀面上的剪切区域被推离，切削热也在此区域积聚。随着切削速度的增加，剪切区域所产生的热量无法在短时间内被废屑带走，从而会形成高温并产生软化效应。 硬质合金的熔点约为1199℃ ，高温很容易造成硬质合金刀片基体的变形和损坏。所以降低切削速度往往就可以保证硬质合金刀片的合理寿命。而陶瓷材料的熔点高达1999℃ ，因此，高速加工中产生的高温对陶瓷刀片反而有利。陶瓷刀片的最合适的切削速度远高于硬质合金刀片的速度，高速切削时产生的高温效应会使被加工材料软化，从而大大降低了切削时的阻力。因此，在同等条件下选择相对于硬质合金刀片来说更脆弱的陶瓷刀片，可以轻易达到硬质合金刀片同样的切削效果。有时使用陶瓷刀具可以把材料去除率从每分钟数百英尺提高到每分钟数千英尺。 合适的切削速度和进给率的搭配会在剪切区域制造一个理想的、适合陶瓷刀片的环境。但降低主轴转速会使刀具产生火花― 导致刀片和刀具的失效。 陶瓷刀片的材质、涂层或非涂层，都是基于氮化硅或者氧化铝的基体。氮化硅母基的陶瓷刀具一般具有良好的韧性，比较适用于可锻铸铁、球墨铸铁以及其他难加工铸铁和高硬度合金的车、铣粗加工。以氮化硅为母基的陶瓷刀具除了非常适合加工铸铁之外，还适合加工硬度低于HRC65的钢件材料，可应用在车削轧辊以及因为速度太低而无法使用晶须增强型陶瓷的高温合金加工中。在铸铁的车、铣加工时，1524m/min的表面线速度可以得到最经济的刀具寿命。 以氧化铝为母基的陶瓷具有很好的耐磨损性，硬度适中，是最经济的陶瓷刀具材料，但应避免应用于断续、碰撞或者高硬度材料的加工。氧化铝基陶瓷多用于灰铸铁的半精加工和精加工。这种材质的高耐压强度使其非常适用于铸铁的镗孔加工。但是以氧化铝为母基的陶瓷抗热冲击性能比较差，因而不适合在加工中使用冷却液。 新型的含有碳化硅(SiC)单晶体或晶须的增强型的氧化铝母基陶瓷具有高熔点、高强度以及很好的化学稳定性、抗磨损性和抗热冲击性．晶须提高了陶瓷材料的抗断裂强度。 晶须增强型陶瓷月片很少像传统硬质合金刀片那样出现毁灭性的瞬间破裂或毁坏，通常晶须增强型陶瓷刀片只会以一种可预见的损坏模式被逐渐地磨损。 晶须增强型陶瓷的强度比其他陶瓷材料更高，而且非常适合于加工高温合金以及类似材料，如硬化钢、高硬度的铸铁、等离子喷涂及焊接表层的加工等。如使用晶须增强型陶瓷加工高镍合金，界面温度可达到982 ℃，材料去除率可以达到硬质合金刀具的10倍以上。晶须增强型陶瓷的高强度使得其非常适用于断续车、铣加工以及冲模/模具的加工。 由于具有良好的抗热冲击性，晶须增强型陶瓷刀具可用于干切、湿切或断续冷却而不用担心崩刀或者产生热裂。 带涂层的晶须增强型陶瓷非常适合那些需要较长刀具寿命的、连续的半精和精加工以及类似的轻度和中等强度加工。带涂层的陶瓷刀具的寿命是非涂层陶瓷刀具的3倍，但不适用于恶劣条件下的加工，如铣削及断续切削。 钛金属的加工不推荐使用陶瓷刀具，钛的燃点很低，而陶瓷刀具加工中必然会产生高温，这样很容易引起火灾。 刀杆的刚性与机床的刚性同等重要。在高生产量的环境下，陶瓷刀片必须被装夹在可以避免刀片产生微小移动的专门的刀杆上。在悬伸较长的车削中，刀杆的刚性显得尤为重要。大悬伸在高速切削中更容易使刀杆产生微小的偏转，而偏转会导致振动而破坏陶瓷刀具。因此陶瓷刀片用刀杆的悬伸长度应该尽量缩短，因为刀杆偏转时产生的力会随悬伸的长度成立方倍数增长，也就是说如果其他条件不变，刀杆的悬伸增加1倍，刀杆的偏转会增加到以前的8倍。 镗孔刀杆通常比外圆车刀杆具有更大的长径比，因此使用重金属及硬质合金镗刀杆是合理的。总的来说，加工镍基合金可以使用3倍长径比的钢制镗刀或5倍长径比的重金属镗刀(如重金属防振刀杆)以及7倍长径比的硬质合金镗刀。

挑战：加工耐热超级合金材料时，航空航天部件制造商如何提高生产效率？ 解决方案：使用硅铝氧氮陶瓷刀片。这种刀片的切削速度比常规的硬质合金解决方案要快5至10倍。 随着空中客车380和波音梦幻客机等新型飞机相继投产，商用航空航天业目前正处于繁荣时期。由于各航空公司竞相更新机队，这种繁忙景象很有可能会继续下去。因此，航空航天制造商和部件供货商需要为难以加工的耐热超级合金（HRSA）材料提高生产效率。 正常运作的航空发动机燃烧室内部是一个极具挑战性的环境，在这里，高达1000˚C的温度十分普遍，其温度和压力可超过传统的金属极限。因此，需要采用专门开发的合金材料来使其中的零部件适应最严酷的温度条件以及确保其结构完整性，而在材料中加入镍和铬能赋予材料优越的耐热性能。 耐热超级合金是用于燃气轮机内温度最高部分的合金总称，因为它们可以承受高达1000摄氏度的高温而不会对其强度带来任何损害。它们是当今航空发动机制造的最主要材料，而且据预计，其应用将会更加广泛。 但是，与钢材相比，这些材料的加工性能较为逊色，因为材料会产生很高的切削温度，并会导致常规硬质合金刀片迅速磨损，因此很难加工。此外，取决于合金的不同处理方式，其加工的工作状态也有所差异。这些合金最佳的切削刀具往往是陶瓷制品。 因此，解决方案是采用陶瓷刀片，这种刀片具有出色的耐热性能，尤其适合制造过程中的粗加工和半粗加工阶段。再加上其优越的耐磨性，陶瓷牌号刀片允许以高于硬质合金刀片5至10倍的切削速度工作，从而极大地提高了生产效率。 山特维克可乐满为第一阶段和中间阶段加工工序中的一系列任务开发了数种陶瓷牌号。公司的CC670已证明是一种非常有效的刀片，适合第一阶段加工中的重载粗加工应用场合。而针对随后的半粗加工领域的工序，山特维克可乐满正引入另外两个牌号，即CC6065和CC6066，作为CC670的补充。在需要额外刃线安全性的工序中，CC6065被认为是首选的刀片牌号。在所有应用场合，该刀片都具备安全和可预测等性能，在中间阶段加工中是取代晶须陶瓷的经济选择。CC6065也同样适合铣削。CC6060是款具备卓越抗沟槽磨损性的新牌号，此外，它还通过提高切削深度、进给及切削长度来提高生产效率。这种刀片牌号尤其适合用于稳定的条件以及需要控制啮合角度的严格定制编程技术。 CC6065的耐磨损性能与市场上另一种陶瓷刀片作比较。对比工序是对一种经过时效硬化达到35HRC（洛氏硬度）的Inconel 718锻造外壳进行型腔铣削。切削参数是：Vc=213m/min，fn=0.20ap=25mm，切削时间是5.3分钟。结果表明，CC6065的刀片磨损状况显著低于硬质合金刀片。此外，将CC6060刀片牌号其它公司的陶瓷牌号置于Rene 88涡轮机叶轮的连续切削应用场合中，以评估磨损特征和切削时间。结果显示，CC6060具备更好的抗沟槽磨损性：这种刀片用了10.8分钟才达到对比陶瓷刀片只用3.28分钟就发生的磨损程度。这表明山特维克可乐满生产的陶瓷刀片牌号能通过减少磨损来改善生产效率。

与硬质合金刀具相比，陶瓷刀具硬度高，耐磨性好，刀具寿命长。同时，陶瓷刀具与钢铁等金属的亲和力小，摩擦系数低，并且在1200℃时仍能保持HRA80左右的高硬度，抗热冲击性能好，适合在高温下进行高速切削。此外，其独具的原材料价格低廉优势，也是陶瓷刀具备受关注一个重要原因。 从表1可以看出，陶瓷刀具密度低，硬度高。在韧性方面，抗弯强度、断裂韧性、弹性模量等则不如硬质合金。这正是陶瓷刀具在某些场合不能取代硬质合金的重要原因。陶瓷刀具耐热性能好，在1300℃高温时还能保持很高硬度，其高温切削性能高于硬质合金，在超硬材料加工中优势明显。 陶瓷刀具的分类 目前陶瓷刀具主要有氧化铝（Al2O3）基，氮化硅（Si3N4）基和赛阿龙（Sialon）等三大类。 1.氧化铝基陶瓷 氧化铝基陶瓷硬度高、耐磨性好，但韧性较氮化硅等差很多，多用于车削。主要有以下三种： （1）氧化铝基添加氧化物。这类陶瓷强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，目前已被其它Al2O3复合陶瓷取代。 （2）氧化铝复合陶瓷。使用最广的是添加TiC的复合物，比如Sandvik可乐满公司的CC650牌号，适于切削淬硬钢和冷硬铸铁，广泛用于钢厂轧辊和传动轴等工件的车削。 （3）Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷。在Al2O3陶瓷基体中添加SiCw晶须而成。SiCw晶须作用类似钢筋混凝土中的钢筋，能成为阻挡或改变裂纹发展的障碍，使其韧性大幅提高，可有效地用于断续切削及粗车、铣削和扩孔等工序，适于加工镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。 2.氮化硅基陶瓷 Si3N4陶瓷是一种非氧化物陶瓷，硬度可达1800~2000HV，热硬性好，能承受1300~1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应小，摩擦系数较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于大进给量或断续切削。 最新的Si3N4陶瓷不仅可用于粗加工，而且可用于断续切削和有冷却液的切削，例如Sandvik可乐满公司的690，6090，1690等牌号。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%~3%，与硬质合金相当，可以大量应用于生产线。该类陶瓷刀具的缺点是磨加工性不如普通陶瓷。Si3N4-TiC-Co复合陶瓷、Si3N4晶须增韧陶瓷、Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷等是目前研究最为广泛的几种氮化硅基陶瓷。 氮化硅陶瓷是用于铣削的最佳刀具材料之一，其高韧性、高耐磨性等特点使其成为灰铸铁铣削的一个全新解决方案。以下试举例说明：某公司变速箱体铣削加工。工件材料HT250，半精加工，余量3mm左右。机床为4轴加工中心。干式切削。 （1）对比方案 （硬质合金刀片）： 刀体：山特维克可乐满R365-080Q27-S15M，6刃65度刀盘。刀片为R365-1505ZNE-KM K20D。切削参数：切宽50mm，切深3mm，线速度350m/min，进给2.1mm/rev。单件加工时间1.5分钟，寿命40件/刃。金属去除率：428cm3/min。（此刀具为业内使用硬质合金刀片的刀体中效率最高刀具之一。） （2）推荐方案（陶瓷刀片）： 刀体：山特维克可乐满R245-080Q27-12M，直径80mm，6切削刃的45度铣刀盘。刀片：R245-12T3E 6090。切削参数：切宽50mm，切深3mm，线速度1000m/min，进给1.2mm/rev。单件加工时间1分钟，寿命50件/刃。金属去除率：667cm3/min。（比前面的解决方案效率提高56%） 3.赛阿龙陶瓷 SiAlON实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固熔体的总称，主要有β-sialon、α-sialon、O-sialon三种，尤以前两种最为常见。山特维克可乐满CC6060和CC6065均属于这两类赛阿龙陶瓷。相比晶须增韧陶瓷，赛阿龙陶瓷更适合高硬度优质耐热合金切削，它的硬度高，在切削优质耐热合金时，抗沟槽磨损能力突出。在耐热合金加工过程中，晶须增韧陶瓷适于粗加工，而赛阿龙陶瓷则擅长半精加工和精加工。 图：CC6060 以加工Inconel718为例，CC6065/CC6060分别用于半精到精加工，线速度250m/min，进给量0.2mm/rev，切深2mm。相比较传统硬质合金刀片的50m/min左右的推荐线速度，效率提高到原来的5倍。 规避使用误区，实现高效率和低成本 在产品生产成本中，刀具成本仅占总成本的3%。而占生产成本最大部分的是机床、人工和其他固定成本。对于陶瓷等先进刀具，能够大幅度提高生产效率，缩短加工节拍，大幅度降低机床费用，带来的成本收益则远大于刀具的消耗。 陶瓷刀具能以200~1000m/min的切削速度高速加工钢、铸铁及其合金等材料，并可直接以车、铣代替磨削。对淬硬零件加工，可用单一工序代替多道工序，大大缩短工艺流程。 与金刚石、CBN（立方氮化硼）等超硬刀具相比，陶瓷刀具因原材料价格低廉，价格相对较低，但在某些加工应用范围内的性能却不容小视。尤其是在硬度HRC50以下硬工件加工上，陶瓷刀具性价比突出。相对于高端涂层硬质合金刀具而言，陶瓷刀具价格稍高，但是其高耐磨性和高效率使其在某些应用场合能够替代硬质合金刀具。 应该承认，新刀具材料的出现并不能完全取代旧材料的应用，很多旧的刀具材料仍然在不断向前发展，如当前性价比颇高的高端涂层硬质合金刀具。因此，我们必须根据实际的加工材料、加工工况、机床条件等来选用刀具。事实上在很多应用场合，陶瓷刀具并不能代替其它刀具。 比如在加工硬度超过HRC55度的材料时，对刀具材料的抗冲击性，韧性和耐磨性等参数有严格要求，这时CBN或许是更好的选择。 值得注意的是，部分企业在使用陶瓷刀具时，认为采用较低的切削速度可延长刀具的使用寿命。以灰铁250车削为例，山特维克可乐满CC6090的最佳使用范围为600-700m/min线速度，而常见的硬质合金刀具一般在300m/min左右，如果降低线速度，会影响生产效率，当速度低到一定程度后更会严重影响刀具寿命。 局限性及应用前景 与其它刀具材料相比，陶瓷刀具最突出的缺点就是断裂韧性不足，而断裂韧性是评价其抗破损能力的重要指标之一。在进行铣、刨、镗削及其他断续加工时，刀片材料的断裂韧性更为重要。为此，陶瓷刀具有必要通过适当手段提高其硬度、抗弯强度及断裂韧性，目前采用的主要途径是通过向陶瓷材料中添加ZrO2、TiC、SiC晶须及某些金属等手段增韧，以提高刀片的抗冲击能力。 目前巿场上的陶瓷刀具比较少，但在轧辊、矿山机械、轴承、汽车等领域已得到广泛应用。国内很多生产厂家因其价格较高而拒绝使用；另有不少厂家因其不稳定而谨慎选择。随着陶瓷刀具技术的进一步发展，相信其应用范围会越来越广。

由于金属陶瓷刀具能进行高速、高效切削加工，并能获得美观的高质量加工面，因此在日本很快得到普及应用，其销售额占到所有刀具销售额的近20%。但近年来，金属陶瓷刀具的市场占有率停滞不前，甚至有所下降，原因之一是金属陶瓷刀具的寿命不稳定，尤其是其抗热冲击性能在强力断续切削中可靠性较低，从而影响了其进一步普及应用。面对目前依靠自动化和刀具长寿命化来降低加工成本的市场要求，金属陶瓷刀具显然已无法满足。 为了提高金属陶瓷刀具的切削性能、使用寿命及稳定性，日本特殊陶业株式会社应用自己的合金技术，成功开发了用于车削钢件、具有高抗热冲击性能的新型金属陶瓷材料C7X/C7Z，并已实现商品化。现将其特长和切削性能简介如下。 （1）提高抗热冲击性能的探索 热冲击引起的破坏是由热循环导致热裂纹和交变应力导致热疲劳为破坏源而产生的。从机理上分析，为了具有良好的抗热冲击性，应具备以下三种特性：①抑制热裂纹产生的特性；②抑制热裂纹扩展的特性；③高的高温强度。利用以硬质相微细化为主的组织控制方法，可以改善材料特性，获得高强度。但是，在实际切削加工中，刀具损伤最重要的原因之一是刀尖在高温下工作所致。调查结果表明，热裂纹是由材料中耐热性较差的结合相引起的。特殊陶业株式会社从这种观点出发，认为金属陶瓷发生热冲击损伤、磨损等的重要原因在于其结合相，据此，对结合相进行了“特殊耐热合金化”处理。 （2）C7X/C7Z金属陶瓷的特点 具有高耐热性的合金都是高熔点合金，其制造难度很大。但在C7X新型金属陶瓷的开发中，采用了最新的合金技术，成功实现了结合相的特殊热合金化，获得了理想的金属陶瓷材料，提高了热传导性、硬质相与结合相的结合强度以及高温硬度。由于使结合相实现了高热传导率化，因此可防止热裂纹的产生；由于提高了硬质相与结合相的结合强度，因此能抑制热裂纹的扩展；由于提高了高温硬度，因此能提高高温耐磨性能。由C7X的热裂纹扩展情况可知，原有金属陶瓷的热裂纹在低强度硬质相与结合相的晶界面扩展；而C7X金属陶瓷由于提高了硬质相与结合相的强度而抑制了热裂纹扩展，从而可提高C7X的抗热冲击性能。此外，与原有金属陶瓷的结合相比，C7X的结合相与钢的亲和力较小，能大幅改善抗粘刀性能，从而可提高加工面质量。 针对切削加工对刀具耐磨性要求提高的需求，该公司成功开发了在C7X金属陶瓷刀具上涂覆自主开发的Z涂层的C7Z金属陶瓷刀具。Z涂层是一种具有优良的表面平滑性和润滑性、与金属陶瓷基体结合强度高的涂层，涂覆Z涂层的C7Z金属陶瓷是一种加工面质量、耐磨性和抗热冲击性兼优的高性能涂层金属陶瓷。 （3）C7X金属陶瓷刀具的切削性能 C7X金属陶瓷刀具的湿式断续切削评价结果表明，其他公司的金属陶瓷在冲击次数达到1000次时产生了由热裂纹导致的崩损，而C7X金属陶瓷的破坏冲击次数为2000次，其寿命是其他公司金属陶瓷的2倍。由冲击次数达1200次时的刀尖损伤图像可以看出，其他公司产品的刀尖因热裂纹而导致崩损，而经特殊耐热合金化的C7X未产生热裂纹，属于正常磨损。从这种损伤状况的差异可知，C7X具有优良的抗热冲击性能。由耐磨性能切削试验（试验条件：工件材料：SNCM439；刀片：TPGN160308-TN；切削条件：V=150m/min，f=0.2mm/r，d=1.5mm；干切削）的评价结果可知，与其他公司的金属陶瓷相比，C7X的磨损量约小25%，显示出优良的抗磨损性能。从以上的评价结果可以确定，由于特殊耐热合金化的效果，C7X是一种耐磨性能和抗热冲击性能兼优的金属陶瓷，从这两点可知，它能提高刀具的使用寿命。 （4）C7X/C7Z刀具的加工实例 ①加工实例1：用C7X切槽刀干式切槽的加工实例（被加工件材料：SUJ2），切削速度为70m/min，进给速度为0.1mm/r。由于交变热循环的作用，其他公司刀具的刀尖发生了崩刃，随着磨损的进展产生了毛刺，一个刀尖在切槽数为700时达到使用寿命；而C7X切槽刀未发生崩刃，由于磨损受到抑制，也未产生毛刺，一个刀尖的切槽数达到1500，刀具寿命是其他公司产品的2倍以上。 ②加工实例2：用C7Z切槽刀湿式断续切槽的加工实例（被加工材料：S53C），切削速度为200m/min，进给量为0.07mm/r。其他公司的涂层金属陶瓷切槽刀因热裂纹、热疲劳而发生崩刃，故将加工数量设定为一个刀尖切300个槽，由于采用C7Z切槽刀，切槽寿命延长到一个刀尖能切500个槽。当切槽数达到300个后，其他公司切槽刀的刀尖产生了由热裂纹、热疲劳引起的较大崩刃，而C7Z切槽刀未产生热裂纹。由此可见，C7Z切槽刀能完成长时间稳定的强力断续加工。 具有优良抗热冲击性能和耐磨性能的C7X/C7Z刀具适用切削范围广，尤其在因崩刃导致刀具寿命不稳定的切削加工范围内，对要求刀具寿命稳定化（抗崩刃、抗磨损兼优）的加工能有效延长刀具寿命。C7X/C7Z刀具已获得市场用户的高度评价，不仅可用于轴承加工和切槽加工，还能用于普通车削刀具面向的加工，今后将在降低切削加工成本、提高加工质量方面发挥积极作用。

摘要：高效金属切削解决方案经常需要使用非标准刀具。利用新的网络化CAD系统，德国Walter Deutschland 公司的Walter Titex和Walter Prototyp能大幅度缩短从计划阶段，实施，到交货的周期。 现今，生产过程中需要的刀具必须尽早拿到。若使用标准刀具，现代生产计划与战略已解决了这一问题。对于非标刀具，则完全是另一种情况。非标刀具从设计到出成品的周期通常需要六到八周时间。在应用Walter 公司的“CATexpress”系统的情况下，Walter Titex展示了一种完全不同的方式。在Walte公司的Walter Titex和Walter Prototyp负责非标刀具的Michael Mai 先生说：“可以在二周内提供用户急需的刀具。”通常，非标刀具项目都是由这二个部门负责的。 众所周知，新材料的应用和工件几何形状越来越复杂，使用标准刀具进行经济加工变得越来越困难。其解决办法是采用非标刀具加工，一次装夹可以完成若干工步。但在绝大多数情况下，非标刀具从计划、实施到交付使用的周期很长。这就促使Walter Titex研究解决这一日益严重问题的解决办法。采用网络化软件方案，只要几分钟时间就能完成设计、成本估算、采购定货及用户文件处理。据Mai先生说，采用这种系统，“多级钻头这类刀具，下单后只要10分钟时间就可以生产出来。”Walter Titex具备必要生产能力的基本条件。为了满足这类需求，刀具专家们建立了一条专门配合CATexpress的生产线。Mai先生强调：“这条生产线的规模很大，即使发生很大的需求波动，也不全出现生产瓶颈。正是这样，我们才敢保证，用户在下单后的2周内就可以在机床上使用所需要的刀具。” Walter Titex的专家们并未将其注意力转达到生产硬件方面，而是更一步研究其相关的物流问题，以优化整个系统。“对每一种非标刀具，尽管我们并未创造什么新东西，但我们可以改变整个做法。即使是在非标准刀具方面，仍有很多地方可以使用标准部件。”基于这一理念，Walter Titex的专家开发了一套模块化构件，以供CAD软件选取所需的部件。 软件生成非标刀具的全部数据 非标刀具数据的生成过程如下：用户或Walter Titex的技术人员通过互联网或局域网将所要求的数据输入系统。这些数据包括应用范围、材料、结构(有或没有内冷却、涂层)。软件利用这些信息生成包含非标刀具所有参数的数据记录。利用这些数据记录，软件自动设计出完整刀具并生成相应的生产程序。然后确定什么时候进行加工。与此同时，CATexpress生产线计算产品成本。 随后，尽早通知用户产品价格和交货日期。同时它还要生成所和必要文件，例如3D模型和dxf, pdf 或tdm格式的图纸。一旦下了定单，下一步就是利用保存在报价方系统中的全套数据，安排生产。Mai解释说：“软件制作出所用材料清单，确认所需的各种部件上否都有。然后再确定何时，哪种机床加工能力可用于加工，以及何时可以将此刀具纳入生产流程。”所有这一切都是在数分钟时间内完成的。理论上，只要十分钟便可生产出成品刀具。事实上，每一项纳入生产流程的新定单都是在生产线内连续运行的。Mai 说：“95%以上的用户定制产品都在二周内离开我们生产线的。”这与刀具用何种涂层或所需的几何形状、是不是多级刀具或能否用标准坯料生产无关。这完全是一个物流和生产规划问题。这说明，项目的准备时间长是为了在实施前不断优化。该公司在整体硬质合金的钻削刀具方面可以提供CATexpress。但现在已开始着手扩展这一系统，使之涵盖整个Walter Titex和Walter Prototyp刀具系列。 用户特别感兴趣的是：该系统是否在世界范围内可用，在中国、巴西或世界上的其它国家使用，也是从下单开始在二周之内完成成品刀具生产。Michael Mai认为这是毫无疑问的：“CATexpress可以使我们紧密跟踪目标，进一步加强了公司在国际市场上的地位。”