氮化硅陶瓷刀具的性能

氮化硅陶瓷刀具的性能姓名：何健楠学号：3108007699摘要：氮化硅陶瓷材料是新型刀具材料，其优良的切削性能解决了超硬材料的加工难题，它的使用提高了生产效率，降低了加工成本，有广泛的应用前景。本文介绍了氮化硅陶瓷刀具的切削性能、切削用量的选择及应用。关键字：氮化硅陶瓷刀具；切削加工；性能Abstract:Asanewtypetoolmaterial,theexcellentcapabilitiesofsiliconnitrideceramicscuttingtoolsraveloutmanycuttingproblemsofsuoerhardmaterials.Theuseofitimprovestheproductivityandreducesthecuttingcostgreatly.Ithasabroadforegroundofapplications.Thecuttingperformances,thechoicesofmachiningparam-etersandtheusesofsiliconnitrideceramicscuttingtoolsareintroduced.Keywords:siliconnitrideceramicscuttingtools;machining.performance0引言陶瓷刀具具有优良的耐热性、耐磨性、化学稳定性和高硬度，可以加工硬度高（约HRC65）的各种材料，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。一氮化硅（Si3N4）陶瓷刀具由于纯Si3N4陶瓷刀具在切削长切屑金属（如软钢）时极易产生月牙磨损，所以新一代Si3N4陶瓷刀具全是复合Si3N4陶瓷刀具。（1）Si3N4—TiC—Co复合陶瓷刀具其韧性好玩抗弯强度高于纯Si3N4陶瓷刀具，硬度略有升高；热导率也比纯Si3N4陶瓷刀具高，所以在实际应用中比较广泛。（2）Si3N4晶须增韧陶瓷刀具通过在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须，从而提高陶瓷刀具的断裂韧性。（3）Si3N4—Al2O3—Y2O3复合陶瓷刀具以Si3N4为硬质相、Al2O3为耐磨相，并添加少量的助烧结剂，Y2O3经热压烧结而成，常称赛隆（sialon）。二氮化硅陶瓷刀具的优点1、硬度高，一般为HRA93-94.因此耐磨性好.可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁。因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，处长机器设备的使用寿命；2、不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；3陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤.加上可以进行高速切削.所以在条件相同时.工件表而粗糙度比较低。4、刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；5、耐高温.红硬性好.可在1200℃切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30—70%或更高的效果；6、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅.用它代替硬质合金.可节约大量W,Co,Ta和Nb等重要的金属。三氮化硅陶瓷刀具切削用量的选择氮化硅陶瓷刀具具有良好的耐磨性和耐热性，是一种切削性能优良的刀具，切削用量对刀具磨损的影响比硬质合金刀具小。合理的选择切削用量，可以提高生产效率，保证加工质量。（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ap1.5mm；精加工时取ap0.5mm；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。（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）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v50m/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[1]。四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。使用陶瓷刀具具有较为理想切削性能的刀具几何参数为：前角r0=-8～-5º，后角ɑ=2～8º，主偏角kr=15～45º，刃倾角£s=-10～0º，刀尖圆弧半径r=0.6～0.9nm。五淡化陶瓷刀具的应用高锰钢（含锰量为11%～18%的合金钢）是一中常用的耐磨钢，高锰钢的原始硬度和屈服强度一45号刚相近，其强度较高。塑性大，韧性强，是一种难切削的材料。切削时经常出现下列问题：（1）切削时，苏醒变形大，加工硬化严重，致使切削力很大，车削时的切削力比45号钢要大60%。（2）且学历的增大时单位功率增大，单位时间内产生的热量增多，而高锰钢的热导率查，容易导致切削区的温度高，是刀具磨损严重，降低刀具的寿命。（3）高锰钢塑性大，切削时容易形成屑瘤和鳞刺，表面质量难以保证，而且膨胀系数大，在切削是的高温下，容易膨胀和变形。氮化硅陶瓷刀具在加工高锰钢时刀具耐用度是硬质合金的6倍，能避免在加工中换刀，造成加工表面出现刀痕。而且在高温下硬度也很高，抗弯强度变化小。氮化硅陶瓷刀具在高温下仍保持高硬度和强度，使它能容易加工高硬度的钢、高强度钢等难加工的材料。氮化硅陶瓷刀具材料的化学惰性大，与被加工材料的金属亲合力小，具有良好的抗粘结性和抗氧化性，一帮不会发生扩散磨损，其摩擦系数低，切削过程中不易发生积屑瘤，能够改善被加工表面的粗糙度，提高工件的表面质量[3]。六结语陶瓷刀具材料是一种非常有前途的高速切削刀具材料，在生产中有着广泛的应用前景，目前已引起世界各国的重视。随着各种新型陶瓷刀具材料的使用，必将促进高效机床及高速切削技术的发展，而高效机床及高速切削技术的发展又将进一步推动新型陶瓷刀具材料的应用于研发。参考文献[1]李佰茹，胡万华。陶瓷刀具在硬质材料加工中的应用[J].煤矿机械，2005（2）：65-67.[2]张志华,林克伟.高锰钢的合理切削条件[J].机械工程师，2005（60:116-117.