氮化硅陶瓷刀具的性能.doc

氮化硅陶瓷刀具的性能姓名：何健楠 學(xué)號：3108007699摘要：氮化硅陶瓷材料是新型刀具材料，其優(yōu)良的切削性能解決了超硬材料的加工難題，它的使用提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本，有廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了氮化硅陶瓷刀具的切削性能、切削用量的選擇及應(yīng)用。關(guān)鍵字：氮化硅陶瓷刀具；切削加工；性能Abstract:As a new type tool material,the excellent capabilities of silicon nitride ceramics cutting toolsravel out many cutting problems of suoer hard materials.The useof it improves the productivity and reduces the cutting cost greatly.It has a broad foreground of applications.The cutting performances,the choices of machining param-eters and the uses of silicon nitride ceramics cutting tools are introduced.Key words:silicon nitride ceramics cutting tools;machining.performance0 引言陶瓷刀具具有優(yōu)良的耐熱性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和高硬度，可以加工硬度高（約HRC65）的各種材料，在高速切削領(lǐng)域和難加工材料方面顯示了傳統(tǒng)刀具無法比擬的優(yōu)勢。一氮化硅（Si3N4）陶瓷刀具由于純Si3N4陶瓷刀具在切削長切屑金屬（如軟鋼）時極易產(chǎn)生月牙磨損，所以新一代Si3N4陶瓷刀具全是復(fù)合Si3N4陶瓷刀具。（1）Si3N4TiCCo復(fù)合陶瓷刀具其韌性好玩抗彎強度高于純Si3N4陶瓷刀具，硬度略有升高；熱導(dǎo)率也比純Si3N4陶瓷刀具高，所以在實際應(yīng)用中比較廣泛。（2）Si3N4晶須增韌陶瓷刀具通過在Si3N4基體中加入一定量的碳化物晶須，從而提高陶瓷刀具的斷裂韌性。（3）Si3N4Al2O3Y2O3復(fù)合陶瓷刀具以Si3N4為硬質(zhì)相、Al2O3為耐磨相，并添加少量的助燒結(jié)劑，Y2O3經(jīng)熱壓燒結(jié)而成，常稱賽?。╯ialon）。二氮化硅陶瓷刀具的優(yōu)點 1、 硬度高，一般為HRA93-94.因此耐磨性好.可加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度達(dá)HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵。因而可免除退火加工所消耗的電力；并因此也可提高工件的硬度，處長機器設(shè)備的使用壽命； 2、 不僅能對高硬度材料進(jìn)行粗、精加工，也可進(jìn)行銑削、刨削、斷續(xù)切削和毛坯拔荒粗車等沖擊力很大的加工； 3 陶瓷刀片切削時與金屬摩擦力小.切削不易粘接在刀片上.不易產(chǎn)生積屑瘤.加上可以進(jìn)行高速切削.所以在條件相同時.工件表而粗糙度比較低。 4、 刀具耐用度比傳統(tǒng)刀具高幾倍甚至幾十倍，減少了加工中的換刀次數(shù)，保證被加工工件的小錐度和高精度；5、 耐高溫.紅硬性好.可在1200切削.所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬質(zhì)合金高很多?？蛇M(jìn)行高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車、銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具高3-10倍，達(dá)到節(jié)約工時、電力、機床數(shù)3070%或更高的效果； 6、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很豐富的氮和硅.用它代替硬質(zhì)合金.可節(jié)約大量W ,Co ,Ta和Nb等重要的金屬。三氮化硅陶瓷刀具切削用量的選擇氮化硅陶瓷刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，是一種切削性能優(yōu)良的刀具，切削用量對刀具磨損的影響比硬質(zhì)合金刀具小。合理的選擇切削用量，可以提高生產(chǎn)效率，保證加工質(zhì)量。（1）切削深度ap的選擇： 用陶瓷刀具加工時，為了縮短加工時間，應(yīng)盡可能選擇較大的切削深度，以便在一次走刀后切去大部分余量。由于切削深度受機床功率和工藝系統(tǒng)剛性的限制，一般粗加工鋼和鑄鐵時，允許的最大切削深度為26mm，通常取ap1.5mm；精加工時取ap0.5mm；加工淬硬鋼時，一般都是半精加工或精加工，余量和切削深度較小。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性比較差時，應(yīng)選取較小的切削深度，否則容易引起振動，使刀片破損。 （2）進(jìn)給量f的選擇：合理選擇進(jìn)給量是成功應(yīng)用陶瓷刀具的關(guān)鍵。進(jìn)給量主要受陶瓷刀片強度及工藝系統(tǒng)剛性的影響，精加工時還要受被加工表面粗糙度的影響。因為陶瓷刀片的強度比硬質(zhì)合金刀片低，所以進(jìn)給量也應(yīng)低些。一般可預(yù)選得小一些，通過實踐逐步增加。精車普通鋼和鑄鐵，進(jìn)給量f選取為0.100.75mm/r；精加工選取f=0.050.25mm/r，端銑時可選取每齒進(jìn)給量af=0.10.3mm/z。加工淬硬鋼時根據(jù)硬度不同而選取不同的進(jìn)給量，一般車削選取f=0.10.3mm/r；端銑選取每齒進(jìn)給量af=0.050.15mm/z。進(jìn)給量對刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進(jìn)給量，有利于防止或減少刀具的破損，因此，對于陶瓷刀具應(yīng)選用較小的進(jìn)給量和盡可能高的切削速度。 （3）切削速度v的選擇：氮化硅陶瓷刀具適于高速切削。對一定的工件材料，切削速度主要受機床功率限制。結(jié)合已選定的切削深度ap和進(jìn)給量f，如因機床功率不足，而使切削速度選得過低，則不僅不利于發(fā)揮陶瓷刀具的優(yōu)越性，而且容易發(fā)生崩刃。應(yīng)當(dāng)適應(yīng)減少進(jìn)給量，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，雖然有的國家最高到1500r/min，但加工普通鋼和鑄鐵，大多數(shù)仍然采用v=200600m/min；加工硬度65HRC的鋼材時v=60200/min；銑削一般鋼和鑄鐵時v=200500m/min；銑削耐熱合金v=100250m/min。 切削速度對切削屑形狀影響很大，特別在v=3501500m/min范圍內(nèi)，往往可以獲得良好的切削形狀，如在高速車削淬硬鋼時，可能形成酥化的易于碎斷的假帶狀切屑，而使切屑易于清理。用陶瓷刀具作低速切削時，不但與硬質(zhì)合金刀具的切削性能相近，而且容易引起工藝系統(tǒng)的振動，使刀具發(fā)生崩刃。例如：在v50m/min時車削抗拉強度為800850MPa的鋼材，陶瓷刀具很容易發(fā)生崩刃，甚至無法切削。在一定速度范圍內(nèi)高速切削時，切削溫度的升高能改變工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韌性，從而減少其破損，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。而用陶瓷刀具斷續(xù)切削時，如果切削速度提高太多，溫差很大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會導(dǎo)致刀具破損。 使用復(fù)合氮化硅陶瓷刀具，可以解決難加工材料的切削加工問題，改變傳統(tǒng)的機械加工工藝，提高加工效率，節(jié)約工時及電力，同時可節(jié)約大量的生產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具所需要的貴重金屬W、Co及Ti等1。四氮化硅陶瓷刀具合理幾何參數(shù)的選擇雖然氮化硅陶瓷刀具是一種切削性能優(yōu)良的刀具，但是如果不能在使用中合理地選擇其幾何參數(shù)，仍然不能很好地發(fā)揮其作用。所謂刀具的合理幾何參數(shù)，是指能保證粗加工或半精加工刀具有較高的生產(chǎn)率和刀具壽命，精加工刀具能保證加工出符合預(yù)定尺寸精度和表面質(zhì)量的工件，同時也具有較高的刀具壽命相應(yīng)的刀具幾何參數(shù)。在選擇陶瓷刀具的合理幾何參數(shù)時，除要考慮刀具的一般規(guī)律外，同時也必須考慮某些屬于陶瓷刀具所特有的規(guī)律。氮化硅陶瓷刀具是一種硬而脆的刀具，如何保證其使用的穩(wěn)定不發(fā)生崩刃仍然是選擇氮化硅陶瓷刀具合理幾何參數(shù)的主要依據(jù)；氮化硅陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)主要是機夾可轉(zhuǎn)位刀具，所以必須結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點來考慮選擇合理幾何參數(shù)。使用陶瓷刀具具有較為理想切削性能的刀具幾何參數(shù)為：前角r0=-8-5，后角=28，主偏角kr=1545，刃傾角s=-100，刀尖圓弧半徑r=0.60.9nm。五 淡化陶瓷刀具的應(yīng)用高錳鋼（含錳量為11%18%的合金鋼）是一中常用的耐磨鋼，高錳鋼的原始硬度和屈服強度一45號剛相近，其強度較高。塑性大，韌性強，是一種難切削的材料。切削時經(jīng)常出現(xiàn)下列問題：（1）切削時，蘇醒變形大，加工硬化嚴(yán)重，致使切削力很大，車削時的切削力比45號鋼要大60%。（2）且學(xué)歷的增大時單位功率增大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量增多，而高錳鋼的熱導(dǎo)率查，容易導(dǎo)致切削區(qū)的溫度高，是刀具磨損嚴(yán)重，降低刀具的壽命。（3）高錳鋼塑性大，切削時容易形成屑瘤和鱗刺，表面質(zhì)量難以保證，而且膨脹系數(shù)大，在切削是的高溫下，容易膨脹和變形。氮化硅陶瓷刀具在加工高錳鋼時刀具耐用度是硬質(zhì)合金的6倍，能避免在加工中換刀，造成加工表面出現(xiàn)刀痕。而且在高溫下 硬度也很高，抗彎強度變化小。氮化硅陶瓷刀具在高溫下仍保持高硬度和強度，使它能容易加工高硬度的鋼、高強度鋼等難加工的材料。氮化硅陶瓷刀具材料的化學(xué)惰性大，與被加工材料的金屬親合力小，具有良好的抗粘結(jié)性和抗氧化性，一幫不會發(fā)生擴散磨損，其摩擦系數(shù)低，切削過程中不易發(fā)生積屑瘤，能夠改善被加工表面的粗糙度，提高工件的表面質(zhì)量3。六 結(jié)語陶瓷刀具材料是一種非常有前途的高速切削刀具材料