陶瓷刀具的性能和实际应用技术
中图分类号：TG7 文献标识码：B 文章编号：1000-4998（2002）-07-0019-02
随着现代科技的发展，各种高强度、高硬度工程材料越来越多地被采用，这给切削加工带来了很大的困难。传统的硬质合金刀具难以胜任或根本无法实现对这类材料的加工，而陶瓷刀具有很高的耐磨性、工硬性，可以实现对多种难加工材料（淬硬钢、冷硬铸铁、镍基高温合金等）进行高速切削，生产效率比普通硬质合金刀具高3-8倍。根据我们的使用情况，对性能优越的陶瓷刀具进行分析并与普通刀具进行对比，优化了加工工艺参数。
1 陶瓷刀具的切削性能
使用Si3N4基系列的陶瓷刀具，其优点如下：
（1）高硬度：该种刀片的室温硬度值已超过了最好的硬质合金刀片硬度而达到92.5-94HRA，我们用它来加工硬度高达65HRC的各类淬硬钢和无限冷硬铸铁轧辊，免除了退火所消耗的电力，减少了换刀次数。因磨损极小，从而保证了径向尺寸的一致性。
（2）高强度：该刀片的抗弯强度目前已达到了750-1000MPa，其抗压强度大于高速钢而与普通硬质合金相当。
（3）高的抗高温氧化性：刀片的耐热性和抗高温氧化性特别好，经我们实测，在1100-1250℃切削时，仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削，故可实现高速切削加工，切削速度可比硬质合金提高3-8倍。在众多的陶瓷材料中，尤以Si3N4陶瓷的耐热性最好。
（4）良好的断裂韧性：断袭韧性值是评价陶瓷刀具抗破坏能力的重要指标之一。Si3N4系列刀片的断裂韧性值，优于其他陶瓷刀片，断续切削时完全可与普通硬质合金媲美。
（5）高抗热震性：Si3N4系列的抗热震性能指标△T为600-800℃，明显优于其它种类的陶瓷刀片（350-450℃）
2 刀片牌号的选用及适用范围
根据不同的加工需要，使用了以下几种陶瓷刀具，其性能亦有所不同，见表1。
3 使用注意事项
（1）切削试验：使用不同的切削速度、切削深度等要进行试验并记录数据，选出最佳的刀具牌号。
（2）对机床的要求：为了最大限度地减少震动，所用机床必须具有良好的刚性、足够的功率和高的转速，要充分考虑到机床―工件―刀具工艺系统的刚性，任何环节的刚性不足都将大幅降低陶瓷刀具的切削性能和效率，切忌使用那些年久失修、传动间隙过大的机床。
（3）对被加工件的要求：
1）毛坯应在切削前清除夹砂和砂眼缺陷，减少打刀情况。
2）零件的“切入”、“切出”处均应倒角：对于硬度高而形状不规则的坯料，必须先倒角后再用陶瓷刀具切削（倒角时可用硬质合金刀具在低速下进行），此项不可忽视。
（4）合理选择刀具几可参数：陶瓷刀具是一种硬面脆的刀具，如何保证其使用的稳定可靠而不崩刃是选择合理几何参数的主要依据。表2是我们在实践中探索出来的较为合理的几何参数值。
（5）合理选择切削用量：粗加工时，加工质量不是主要问题，提高生产率、降低成本是关键；而精加工时，首先要保证加工质量，其次才是提高生产率和降低成本。目前国内外没有陶瓷刀具切削用量的定型数据可查，大多数是根据现场生产经验而定。我们根据使用情况，统计出合理的参数推荐值，见表3。
表1 Si3N4系列陶瓷刀片的牌号及特性
| 陶瓷系列及牌号 | 密度(g/cm3) | 硬度（HBA） | 抗弯强度(MPa) | 用途 | 特长 |
| FD05(Si3N4) | 3.41 | 92.5 | 1000 | HRC<62铸铁粗加工、断续切削、强力大走刀切削 | 抗热震性特好，强度好，抗冲击性好，但不适于切削高强钢 |
| FD01(Si3N4+TiC) | 3.44 | 93.5 | 800 | HRC≤65的高合金铸铁、合金钢、高锰钢粗加工 | 耐高温性能好，耐磨性好，强度略低 |
| FD04(Si3N4+TiC) | 3.9 | 94 | 750 | HRC<65的铸铁精加工、高速精铣 | 高速切削性能特好，可以在v≤1000m/min时精铣灰铸铁 |
| FD04(Si3N4+Al2O3+TiC) | 3.85 | 93.5 | 800 | 加工高硬铸铁、球墨铸铁、淬硬钢及Ni基高温合金 | 耐高温性能好，适于铸铁大进给量加工 |
| FD22 | 4.75 | 94 | 800 | 精加工65HRC的淬硬钢、合金铸铁 | 耐磨性特好，可实现淬硬钢的以车代磨或以铣代磨 |
表2 陶瓷车刀几何参数推荐值
| 几何参数 | 符号 | 推荐值 | 加工条件 |
| 前角 | γo | +5°- +10° | 车削钢σb<690MPa |
| -5° | 车削调质钢σb>690MPa(50HRC以下)或铸铁(硬度在220HB以下) | ||
| -10° | 车削55HRC以上淬硬钢或350-450HB以上的铸铁 | ||
| 主后角 | αo | 5°-10° | 车削一般钢及铸铁 |
| 主偏角 | k | 30° | 机床―工件―刀具系统刚性特好 |
| 45° | 机床―工件―刀具系统刚性相当好 | ||
| 60°-75° | 机床―工件―刀具系统刚性不太好 | ||
| 刀尖圆弧半径 | r(mm) | 1-2 | 一般粗加工 |
| 0.5-1.6 | 一般半精加工 | ||
| 0.2-0.5 | 精加工 |
表3 陶瓷刀具常用切削量推荐值
| 工件材料与工序 | 刀片牌号 | 切削速度(m/min) | 进给量(mm/r) | 切削深度(mm) | |
| 冷硬铸铁 HS≤80 | 粗车 | FD01 | 20-55 | 0.5-1 | 0.5-5 |
| 精车 | FD03 | 35-75 | 0.1-0.5 | 0.1-0.5 | |
| 冷硬铸铁 HS=80-90 | 半精车 | FD01 | 10-25 | 0.1-0.2 | 0.2-3 |
| FD04 | |||||
| 淬硬钢 50-63HRC | 粗车 | FD01 | 30-50 | 0.1-0.45 | ≤3 |
| FD22 | |||||
| 精车 | FD22 | 40-90 | 0.05-0.2 | ≤0.8 | |
| 淬硬钢 60-65HRC | 粗车 | FD01 | 20-40 | 0.1-0.25 | ≤2 |
| FD22 | |||||
| 精车 | FD22 | 35-80 | 0.05-0.2 | ≤0.8 | |
4 陶瓷刀具的生产应用实例
（1）我厂大量加工的无限冷硬铸铁轧辊，轧辊表面硬度在56HRC以上。与使用硬质合金刀具加工相比，使用陶瓷刀具切削速度可提高3倍，生产时间缩短了45%-70%，节约刀具费用大于28%。由于生产时间缩短，相应地节约了电力和工时，效益可观。
（2）在冶金设备的制造中，经常遇到高锰钢件，但长期以来一直因为其特别严重的加工硬化而被视为切削加工的禁区。采用陶瓷刀具后，顺利解决了高锰钢衬板的加工难题。
（3）齿辊的加工，我们曾对材质为40Cr25Ni20的齿辊采用YT8刀具加工。因工件硬度高达50HRC以上，且该材质的特点是耐磨耐高温，YT8刀具在12min内就磨钝，导致无法使用。采用陶瓷刀具后可连续高速切削2h以上，可见工效之高。
