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　　在現(xiàn)代化加工過程中，提高加工效率的效的方法是采用高速切削加工技術(shù)。隨著人們對(duì)航空航天、汽車及裝備制造技術(shù)的不斷需求，對(duì)強(qiáng)度和精度要求的不斷提高，陶瓷刀具因其*的力學(xué)性能，被越來越多地應(yīng)用在高速切削加工行業(yè)中。陶瓷刀具壽命長，換刀次數(shù)少，且陶瓷刀具主要原料為硅，在地球上資源豐富，在制造過程中更加環(huán)保，因此陶瓷刀具在金屬切削和*陶瓷材料領(lǐng)域的研究及應(yīng)用前景非常廣闊。

　　1. 陶瓷刀具的種類

　　陶瓷刀具是用特種陶瓷粉末材料高壓研制而成。陶瓷刀具材料分為3大類：氧化鋁系陶瓷、氮化硅系陶瓷及復(fù)合氮化硅—氧化鋁系陶瓷。

　　（1）氧化鋁系陶瓷刀具。以Al2O3為主體的陶瓷材料，其中包括純氧化鋁陶瓷、氧化鋁中添加各種碳化物、氧化物、氮化物與硼化物等組合陶瓷以及在氧化鋁中同時(shí)添加化合物與粘結(jié)金屬的組合陶瓷等，氧化鋁系陶瓷如圖1所示，其中氧化鋁系陶瓷刀具還有以下5種分類：①純Al2O3基陶瓷刀具。②Al2O3——TiC陶瓷刀具。③Al2O3——ZrO2陶瓷刀具。④Al2O3——SiC晶須增強(qiáng)陶瓷刀具。⑤Al2O3——/（W，Ti）C梯度陶瓷刀具。

　　（2）氮化硅系陶瓷刀具。包括氮化硅（Si3N4）陶瓷和以氮化硅為基體的添加其他碳化物制成的組合氮化硅陶瓷。此類陶瓷刀具主要是以MgO為添加劑的熱壓陶瓷。氮化硅陶瓷刀具主要原料是氮和硅，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，氮化硅系陶瓷刀具如圖2所示。

　　（3）復(fù)合氮化硅—氧化鋁系陶瓷刀具。賽隆（Sialon）陶瓷刀具是用氮化鋁、氧化鋁和氮化硅的混合物在高溫下進(jìn)行熱壓燒結(jié)而得到的材料。在其中添加Y2O3可使組織致密化。由于碳化鈦和氮化硅的熱膨脹系數(shù)相差太大，高速切削加工時(shí)因刀尖溫度急劇升高，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，降低了刀具的使用壽命。為此，許多國家又開發(fā)了（α′＋β′）——Sialon復(fù)相陶瓷刀具。賽隆（Sialon）陶瓷刀具如圖3所示。

　　2. 陶瓷刀具的選用

　　陶瓷刀具主要是用于硬質(zhì)合金刀具不能加工的普通鋼和鑄鐵的高速切削加工以及難加工材料的加工。每一品種的陶瓷刀具都有其特定的加工范圍。

　　（1）氧化鋁基陶瓷刀具。氧化鋁基陶瓷刀具適應(yīng)于加工高速切削硬而脆的金屬材料，如冷硬鑄鐵或淬硬鋼，也可加工銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料，加工鋼材優(yōu)于氮化硅基陶瓷；用于大件機(jī)械零部件切削及高精度零件切削加工。

　　氧化鋁陶瓷刀具加工短、小零件，鋼件斷續(xù)切削Mg、Ti和Be等單質(zhì)材料及其合金材料時(shí)效果較差，容易使刀具出現(xiàn)擴(kuò)散磨損或發(fā)生剝落、崩刃等缺陷。還因其基體含有Al元素，在加工鋁及鋁合金時(shí)存在較大的親和力，刀具會(huì)出現(xiàn)較大的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，故不宜于加工鋁合金。同樣，Al2O3/TiC和Al2O3/（W，Ti）C的“黑色”陶瓷刀具中含有Al及Ti元素，在加工鋁、鋁合金和鈦、鈦合金時(shí)存在較大的親和力，故不宜于加工鋁、鈦及其合金。顆粒SiCw或晶須SiCw增韌的Al2O3陶瓷刀具在加工鎳基高溫合金、純鎳和高鎳合金時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能，但加工鋼件時(shí)SiCw很容易在切削高溫作用下與鋼料中的Fe發(fā)生反應(yīng)而使晶須SiCw原有的硬度和耐磨性能降低，晶須與基體的結(jié)合強(qiáng)度削弱，刀具材料急劇磨損。所以添加晶須SiCw增韌的Al2O3陶瓷刀具不適合于加工鋼件和鑄鐵。例如：山東大學(xué)陶瓷刀具LT55為Al2O3―TiC陶瓷刀具，允許切削溫度高達(dá)1 800℃、切削速度高達(dá)900m/min，適用于多種鋼（55HRC）和鑄鐵，特別適用于超高強(qiáng)度鋼和超硬鑄鐵。北京清華紫光方大高技術(shù)陶瓷FD12為Al2O3+TiC陶瓷刀具，切鋼件時(shí)的耐磨性好，適用于硬度<65HRC鋼與鑄鐵的精加工。肯納（Kennametal）刀具公司開發(fā)的KY1525為晶須增韌氧化鋁陶瓷刀片，用于高溫耐熱合金精加工或通用加工，刀片耐磨性好。京瓷（Kyocera）公司的Al2O3——TiC復(fù)合陶瓷A65適于半精、精加工鋼、鑄鐵高硬材料。黛杰（Dijet）公司開發(fā)的Al2O3陶瓷CA010適于鑄鐵、鋼連續(xù)高速精加工；Al2O3——TiC復(fù)合陶瓷CA100適于鑄鐵鋼連續(xù)車削；晶須SiCw增韌陶瓷刀具CA200可用于耐熱合金、鑄鐵斷續(xù)切削加工。

　　（2）氮化硅系陶瓷刀具。Si3N4刀具適合于鑄鐵、高溫合金粗精加工及高速切削重切削，其切削壽命比硬質(zhì)合金刀具高幾倍至10幾倍。此外，Si3N4陶瓷有自潤滑性能，摩擦系數(shù)較小，抗粘接能力強(qiáng)，不易產(chǎn)生積屑瘤，且切削刃可磨得鋒利，可加工出良好表面質(zhì)量，特別適合于車削容易形成積屑瘤的工件材料，如鑄造硅鋁合金等，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵缸體等加工中應(yīng)用越來越普遍。

　　Si3N4基陶瓷材料刀具的斷裂韌性和抗熱裂性高于氧化鋁基陶瓷材料刀具，其在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛應(yīng)用。Si3N4基陶瓷刀具高速切削鑄鐵時(shí)主要發(fā)生磨料磨損，而高速切削碳鋼時(shí)主要發(fā)生化學(xué)磨損。由于Si3N4和Fe之間存在較大親和力以及Si和Fe之間的相互擴(kuò)散，Si3N4基陶瓷刀具不適合于對(duì)純鐵和碳鋼等材料進(jìn)行高速切削。Si3N4基陶瓷材料刀具宜高速加工鑄鐵和高溫合金。例如：北京清華紫光方大高技術(shù)陶瓷FD05為Si3N4陶瓷刀具，抗熱振性好，強(qiáng)度好，抗沖擊性好，但不適于切削高強(qiáng)鋼，適用于硬度<62HRC鑄鐵的毛加工、斷續(xù)切削及高速大進(jìn)給切削。肯納（Kennametal）刀具公司開發(fā)的KY3500為純氮化硅陶瓷，韌性，用于灰口鑄鐵大進(jìn)給量加工，包括斷續(xù)切削。伊斯卡（ISCAR）公司開發(fā)氮化硅刀具IS8主要成分包括Si3N4、Al2O3及Y2O3，特別適合于粗、半精加工鑄鐵，也可用于車削或銑削灰鑄鐵、球墨鑄鐵。京瓷（Kyocera）公司的KS500和KS6000都是Si3N4基陶瓷，前者適合于斷續(xù)、高進(jìn)給切削鑄鐵，也可用于濕切削；后者用于粗車高溫合金。黛杰（Dijet）公司開發(fā)的Si3N4陶瓷刀具CS100主要用于鑄鐵連續(xù)或斷續(xù)切削加工。

　　（3）復(fù)合氮化硅—氧化鋁系陶瓷刀具。賽隆（Sialon）陶瓷刀具具有很高的強(qiáng)度和韌性，是高速粗加工鑄鐵和鎳基合金的較好刀具材料，例如灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、冷硬鑄鐵以及高合金耐磨鑄鐵等，不宜用來加工鋼材。但是賽隆（Sialon）陶瓷刀具的熱膨脹系數(shù)低，與鋼的溶解磨損速度比，Al2O3基陶瓷刀具高很多，F(xiàn)e向刀具中的擴(kuò)散會(huì)造成非常嚴(yán)重的月牙洼磨損，故不適合加工鋼料。例如：肯納（Kennametal）刀具公司開發(fā)的KY1310為Sialon陶瓷刀片，耐磨性，通常用于灰口鑄鐵高速連續(xù)車削加工，也可以車削硬化工件表皮。KY2100也為Sialon陶瓷刀片，耐磨性好，而且具有良好抗機(jī)械沖擊能力，可用于高溫合金通用加工。

　　3. 陶瓷刀具使用注意要點(diǎn)

　　（1）適于陶瓷刀具加工的機(jī)床必須具有良好的剛性、足夠的功率、較高的轉(zhuǎn)速和刀具的夾持牢固性，以防破損和崩刃。

　　（2）根據(jù)被加工材料性質(zhì)及特點(diǎn)，正確選用陶瓷材料的種類和牌號(hào)。

　　（3）為了發(fā)揮陶瓷刀具材料的抗壓強(qiáng)度，陶瓷刀具一般采用負(fù)前角（——5° ——12°）。

　　（4）為了利用陶瓷刀具材料的耐熱性與耐磨性，可盡量采用較大的背吃刀量和較高的切削速度，但選擇進(jìn)給量應(yīng)稍低些。

　　（5）陶瓷刀具對(duì)沖擊和振動(dòng)載荷比較敏感，系統(tǒng)剛性差是陶瓷刀具壽命降低或引起崩刃的主要原因。將刀片裝在工具磨床上用金剛石砂輪磨出負(fù)前角，以減少?zèng)_擊。

　　（6）在加工帶有嚴(yán)重夾砂和砂眼的硬鑄件前，用手砂輪對(duì)缺陷的部分進(jìn)行修理或修正，這樣可避免不必要的打刀，從而得到較好的加工效果。

　　4. 總結(jié)

　　隨著新型刀具材料的不斷出現(xiàn)，特別是陶瓷刀具材料的開發(fā)，研究得到了一些新的成果：Bernhard Karpuschewski研究出在真空熱壓燒結(jié)制得 TiB2——TiC復(fù)合陶瓷刀具材料，研究了納米鎳、鉬添加劑和燒結(jié)升溫速率對(duì)力學(xué)性能和粒度特征的影響。Guangming Zheng研究出賽隆Si3N4陶瓷梯度納米復(fù)合陶瓷刀具，通過車削鉻鎳鐵718 合金的試驗(yàn)后得到梯度陶瓷刀具的切削壽命之所以明顯高于常用的刀具，歸功于加強(qiáng)和優(yōu)化刀具的梯度成分結(jié)構(gòu)和增加納米顆粒的大小。ZouBin研究出TiB2——TiC 復(fù)合粉末由TiB2——TiC 與乙醇用真空干燥制得，TiB2——TiC+8wt% 納米鎳復(fù)合陶瓷刀具材料采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，燒結(jié)的不同階段和不同時(shí)間對(duì)微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能都有影響。

　　陶瓷刀具材料已被認(rèn)為是高、發(fā)展前途的刀具材料。陶瓷刀具可以實(shí)現(xiàn)以車代磨、以銑代拋的高效“硬加工技術(shù)”以及“干切削技術(shù)”，提高零件加工表面質(zhì)量。隨著各種新型陶瓷刀具材料的使用，必將促進(jìn)高效機(jī)床及高速切削技術(shù)的發(fā)展，而高效機(jī)床、高速切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用以及陶瓷刀具更環(huán)保，更省時(shí)、省電，從而帶來經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的雙效益。