2022年4月1日

陶瓷刀具的发展与应用(二)

2)陶瓷刀具的切削性能

Al2O3陶瓷刀具的切削性能

Al2O3陶瓷刀具的硬度为91 ~ 95 HRA,具有良好的化学稳定性、耐磨性和高温耐热性,高温硬度高,在1200℃仍能切削(此时硬度为80HRA)。如果加入一定的稳定剂,采用热压工艺,刀具在1800℃仍能保持硬度和耐磨性,在高温下刀具与工件不发生化学反应,产生月牙状磨损。

Si3N4系列陶瓷刀具的切削性能

在众多陶瓷材料中,Si3N4陶瓷的耐热性最好,这使得它即使在1200 ~ 1450℃下长时间切削也能保持一定的硬度和强度。因此,允许Si3N4陶瓷刀具使用远高于硬质合金刀具的切削速度来实现高速切削(切削速度可比硬质合金刀具提高3 ~ 10倍)。

4.陶瓷工具的应用

1)陶瓷工具的应用范围

Al2O3陶瓷刀具主要用于加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等。)和各种钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等。);它还可以加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。由于铝的化学亲和力,Al2O3陶瓷刀具不适合加工铝合金和钛合金。

Al2O3陶瓷制成的滚刀、铰刀、成型车刀等各种刀具不仅可用于普通车床加工,而且切削性能稳定可靠,特别适用于数控机床和自动化生产线,尤其适用于切削高精度、高硬度和大型工件。

Si3N4陶瓷刀具的加工范围与Al2O3陶瓷刀具相似,但Si3N4陶瓷刀具不适合加工长切屑的钢铁材料。Si3N4陶瓷刀具特别适合加工灰铸铁(加工铸铁用的刀具有一半可以用Si3N4陶瓷刀具代替),其中Sialon陶瓷刀具主要用于加工铸铁(包括冷硬铸铁)和高温合金。

2)陶瓷刀具的应用现状

因为陶瓷刀具的使用可以改变传统的加工工艺,解决各行业难加工材料的切削问题,提高加工效率,节约大量的贵金属(如W、Co、Ti等。)生产硬质合金刀具所需,陶瓷刀具在国外应用越来越广泛,并广泛应用于数控机床。在美国,陶瓷工具占整个工具市场份额的3% ~ 4%,日本为8% ~ 10%,德国约为12%。在一些特殊的加工工艺中,陶瓷刀具占的比重较大。预计未来陶瓷刀具在整个刀具市场的份额可能会增加到15% ~ 20%。

虽然我国陶瓷刀具的研究水平与国外相当,但实际应用发展缓慢。目前,陶瓷刀具在我国的应用还处于起步阶段。陶瓷刀具主要用于硬质合金刀具对难切削工件的粗加工,很少用于精密加工。由于普遍认为陶瓷刀具的性能不稳定,目前国内陶瓷刀具占刀具总使用量的比例不到1%。事实上,由于我国推广使用陶瓷刀具的时间较短,在陶瓷刀具的几何参数、切削用量、使用工艺等方面缺乏成熟的理论和经验,使得陶瓷刀具的优异性能远未发挥出来。

陶瓷刀具选择的5个要点

陶瓷刀具的应用是一个系统工程,需要综合各种技术,因此必须考虑陶瓷刀具的理化特性、切削性能以及与普通刀具的区别。陶瓷工具不是万能工具,正确使用才能发挥优势。鉴于陶瓷刀具的特点,在选择时必须注意以下问题:

1)选择好的系统刚度。

陶瓷刀具对冲击和振动载荷敏感,系统刚性差是陶瓷刀具耐久性下降或崩刃的主要原因。系统刚度是指机床、工件、刀具组成的工艺系统的刚度,而不是某一台孤立的机床的刚度,所以必须考虑工件、夹具、顶尖、刀具等影响因素。系统刚性越差,振动越大,刀具耐用度越低。因此,任何一个环节缺乏刚性,都会大大降低陶瓷刀具的切削性能和加工效率。实践证明,适合加工陶瓷刀具的机床必须具有良好的刚性、足够的功率和较高的转速。重型机床刚性好,有足够的转速和功率,使用陶瓷刀具的成功率往往很高。中型机床由于精加工和半精加工时振动小,使用陶瓷刀具效果更好,但在粗加工时往往难以发挥陶瓷刀具的优势。

2)防止工件撞击刀具。

虽然在大多数情况下,陶瓷刀具可以对未退火的铸锻件进行粗加工,但硬铸件上的夹砂和砂眼往往会造成冲击,导致陶瓷刀具崩边。因此,在切割前对毛坯的缺陷部位进行适当的清理和矫正,可以大大减少陶瓷刀具的损坏。为防止高速旋转的毛边对刀具的冲击,对于那些硬度高、形状不规则的毛边,在切入切出前要注意倒角。切入位置倒角可以防止刀具接触工件时承受过大的冲击载荷;切削源的倒角可以防止刀具在远离工件切削时被左刃损坏。此外,还要注意机床与被加工零件的匹配,避免使用小功率机床加工大型工件。

3)刀具几何参数的合理选择

合理的刀具几何参数是指在粗加工或半精加工中能保证刀具高生产率和刀具耐用度的刀具几何参数,在精加工中高刀具耐用度的基础上能加工出满足预定尺寸精度和表面质量的工件。陶瓷刀具虽然具有优良的切削性能,但在使用中如果不能合理选择其几何参数,仍然不能发挥良好的作用。在选择陶瓷刀具的几何参数时,既要考虑刀具的一般规律,又要考虑陶瓷刀具的独特规律。根据陶瓷刀具的脆硬特性,选择合理的陶瓷刀具几何参数,保证其使用稳定可靠,不崩刃是主要依据(一般来说,陶瓷刀具常采用零前角或负前角切削);另外,陶瓷刀具的结构通常是机夹的可转位结构,在选择几何参数时应充分考虑其结构特点。

4)切削参数的合理选择

选择合理的切削参数是充分发挥陶瓷刀具切削性能的重要因素之一,直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具耐用度。在选择切削参数时,必须充分考虑陶瓷刀具硬度高、耐磨性和耐热性好等优点,以及脆性大、强度低等缺点。

选择正确的进给速度是成功应用陶瓷刀具的关键。进给速度对刀具破损有很大影响。选择较小的进给速度有利于防止或减少刀具破损。进给量主要受刀具强度、加工系统刚度和加工表面粗糙度的影响。因为陶瓷刀具的强度低于硬质合金刀具,所以可以在预选中选择较小的进给量,通过试切逐渐增大。车削普通钢和铸铁时,取进给速度F = 0.10 ~ 0.75 mm/r,精加工时,取进给速度F = 0.05 ~ 0.25 mm/r,端铣时,每齿取进给速度AF = 0.1 ~ 0.3mm/z;加工淬硬钢时,根据不同的硬度选择进给速度。一般车削时F = 0.1 ~ 0.3 mm/r,端铣时AF = 0.05 ~ 0.15 mm/z。

陶瓷刀具适合高速切削,切削速度过低不仅不利于发挥陶瓷刀具的优势,还容易引起工艺系统的振动,造成刀具崩刃,严重时甚至无法切削。目前陶瓷刀具的切削速度高达每分钟几公里。较高的切削速度(特别是在V = 350 ~ 1500 m/min范围内)往往能获得良好的切屑形态。例如,高速车削淬硬钢时,可形成脆而易断的假带状切屑,使切屑易于清理;在一定范围内采用高速切削时,切削温度的提高可以改变工件的材料性能,提高陶瓷刀具的韧性,减少刀具损伤,所以在加工陶瓷刀具时一般采用干切削。但在断续切削的情况下,陶瓷刀具的切削速度如果提高太多,温差会很大,切削产生的热应力也会导致刀具损坏。因此,正确选择陶瓷刀具的切削速度是非常重要的。切削深度受到机床功率和工艺系统刚性的限制。选择较大的切削深度可以缩短加工时间,尽量在一次进给后切除大部分加工余量。一般粗加工钢和铸铁时,最大允许切削深度为2 ~ 6 mm,通常AP > 1.5mm;精加工时AP小于ap<0.5mm。淬火钢一般是半成品或成品,切削深度要小。当工艺系统刚性较差时,应采用较小的切削深度,以避免振动和刀具损坏。

一般来说,用陶瓷刀具加工时,进给量要小,切削速度要尽可能高,在系统刚性和加工工艺的前提下,切削深度要尽可能大。

6结论

综上所述,陶瓷刀具材料大致可以分为氧化铝和氮化硅两大类。陶瓷刀具优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性,在高速切削和切削难加工材料领域具有传统刀具无法比拟的优势。陶瓷刀具具有良好的切削性能,但只有正确使用才能充分发挥其作用。随着陶瓷技术的发展和数控机床和加工中心应用的扩大,陶瓷刀具的应用将越来越广泛。