氮化硅陶瓷刀具性能及应用

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1.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、加工中心上应用具有更明显优势，可大大提高生产效率和产品质量。
" Z% d* r3 O- f  D4 g2．氮化硅陶瓷刀具的切削性能
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（1）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硬度，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，可节省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，尤其是用于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。
  d$ G1 ?: ^$ p% w: r（2）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。
（3）良好的抗高温氧化性
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。
( P* h. J3 ^1 K2 {1 N3 a（4）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6～7MPam1/2)，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。
% r) S5 A* ^* s' ?) _（5）抗热震性强
9 @: T$ l% D* w# j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系列陶瓷刀片由于强度高、热膨胀系数低，抗热震性能指标△T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。
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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。
4 q) g* _' x7 N2 d4 q. c+ e* E      3.1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。需要特别指出，在分析机床刚性时，一定要综合考虑机床?工件?刀具工艺系统的刚性，而不是孤立地考虑机床的刚性，必须同时考虑工件、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。
3 d+ x$ m) I, Z( h. b2 ]     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较高。
* ~& b5 {/ J& {! O% b" b$ E     3.2对被加工零件的要求?
   （1）虽然陶瓷刀具对大多数铸、锻件不退火就能进行毛坯扒荒加工，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，就会得到比较好的加工效果。
   （2）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。
, x. U) D3 c% i9 ^4 l  （3）机床与被加工零件的情况要匹配，避免“小马拉大车”等现象。
    3.3氮化硅陶瓷刀具合理几何参数的选择
( m/ k) y7 x. M- a. ?     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。
2 i( i2 i+ ?- d$ F      3.4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。
    （1）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；加工淬硬钢时，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，应选取较小的切削深度，否则容易引起振动，使刀片破损。
& m; S+ I! g4 A3 e9 g: W6 Q    （2）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选取为0.10～0.75mm/r；精加工选取f=0.05～0.25mm/r，端铣时可选取每齿进给量af=0.1～0.3mm/z。加工淬硬钢时根据硬度不同而选取不同的进给量，一般车削选取f=0.1～0.3mm/r；端铣选取每齿进给量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。
3 Z% ?7 i$ _: n' y& {6 @1 Z' o　　（3）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1500r/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。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。</P
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fengye129

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