簡介： 金屬切削加工是工業(yè)生產(chǎn)中最基本、最廣泛、最重水平直接關(guān)系到機(jī)械加工的效率、產(chǎn)品的質(zhì)量和制造要的工藝，它直接影響工業(yè)生產(chǎn)的效率及成本消耗。金屬切削刀具作為切削加工的基礎(chǔ)裝備之一，其發(fā)展的成本，對機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展速度起著關(guān)鍵性的作用。隨著新刀具材料如陶瓷、人造金剛石、立方氮化硼、涂層硬質(zhì)合金等的相繼出現(xiàn)，金屬切削及刀具技術(shù)作為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)工藝及裝各也進(jìn)入了以發(fā)展高速切削，開發(fā)新的切削工藝、加快刀具結(jié)構(gòu)變革為特征的發(fā)展新階段。
　　
　　關(guān)鍵字：陶瓷刀具 夾具
　　
　　1 新型陶瓷刀具的切削性能
　　在切削過程中，判定刀具切削性能的優(yōu)劣，往往從刀具切削部分的材料、兒何形狀和刀具結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，而刀具材料的分析則以傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金為主要的研究對象。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具很難勝任或根本無法實(shí)現(xiàn)對某些高強(qiáng)度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、紅硬性，適干加工高硬材料。即使在1200～1350℃的高溫下仍能繼續(xù)切削，且與金屬親和力小，切屑不易粘刀，不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度值小。它還可以進(jìn)行高速切削，減少換刀次數(shù)和由于刀具磨損而引起的尺寸誤差，大大提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，因而受到人們的重視。
　　根據(jù)國外有關(guān)資料報(bào)道，陶瓷刀具在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的發(fā)展應(yīng)用非常快，有的已達(dá)到刀具總構(gòu)成比的10%以上。美國用熱壓陶瓷刀具加工冷硬鑄鐵(HRC66)和高溫合金時(shí)，采用的切削用量很高( v=610m/min，ap=6mm，s=0.5mm/r) 大大地提高了生產(chǎn)率。我國雖然在陶瓷刀具的研究水平上不比外國差，但實(shí)際應(yīng)用發(fā)展較慢，據(jù)1994年以前的有關(guān)材料報(bào)道，當(dāng)時(shí)，國內(nèi)陶瓷刀具占總刀具的比例不超過1%，與國外大量應(yīng)用于汽車工業(yè)及數(shù)控機(jī)床的情況正好相反，還主要用于加工水泵、軋輥等硬質(zhì)合金刀具難以切削工件的粗加工，在精密加工中應(yīng)用比較少。
　　
　　早在20世紀(jì)70年代的中后期，清華大學(xué)就成功研制廠氮化硅(Si3N4)陶瓷刀具，并在國際上最先實(shí)現(xiàn)了 用熱壓(Si3N4)陶瓷刀具，對多種難加工材料(淬硬鋼、冷硬鑄鐵、熱介石墨，玻璃鋼等)進(jìn)行多種工序(車、銑、螺紋車削、絲桿挑扣等)的加工應(yīng)用，引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注和興趣，美國科學(xué)雜志和其他國家的一些著名雜志都曾報(bào)道和肯定這一成果，如今，“清華方大”研制的復(fù)合氮化陶瓷刀具具有很高的硬度和強(qiáng)度，以及優(yōu)良的耐磨性、紅硬性和抗氧化性。其陶瓷刀片的室溫硬度值達(dá)到HRA92.5～94 抗彎強(qiáng)度已達(dá)到750～1000MPa ，即使在1200～1450℃ 的切削溫度下仍然可以進(jìn)行切削。切削速度比硬質(zhì)合金提高3～10 倍，切削耐用度提高1O～100倍，切削效率提高3～10倍，可加工硬度高達(dá)HRC65的超硬材料，價(jià)格也比國外的便宜。清華方大的陶瓷刀片1991年曾獲北京國際博覽會金杯獎(jiǎng)，其部分陶瓷刀片的牌號及性能列于上表。
　　　　
　　2 新型陶瓷刀具切削工件的優(yōu)點(diǎn)
　　陶瓷刀具有許多優(yōu)點(diǎn)，雖然所適應(yīng)的加工材料及切削速度范圍要比一般硬質(zhì)合金刀具大得多，但是，隨著被切削零件情況的變化，其切削性能也會出現(xiàn)較大的變化，因此，必須針對所切削零件的材料特性及結(jié)構(gòu)情況來優(yōu)選最佳的陶瓷刀片型號。目前，F(xiàn)D01陶瓷刀片已成為許多工廠粗加工各類高硬合金鑄鐵、冷硬鑄鐵的主要刀具，但是FD01陶瓷刀片在切削高硬合金鋼材料時(shí)，由于出現(xiàn)長切屑導(dǎo)致前刀面月牙洼磨損，使其崩刃。同時(shí)因?yàn)镕D01不導(dǎo)電，不能用電火花線切割刀片的形狀，限制了使用范圍。在增加了碳化物及其它成分以后出現(xiàn)的FD03復(fù)合Si3N4陶瓷刀片，強(qiáng)度雖稍有降低，但耐磨性增加，因而適用于高速切削。為了適應(yīng)精加工淬硬鋼件而研制的Al2O3-TiCN 金屬陶瓷刀片F(xiàn)D22，已達(dá)到了新的水平。用FD22金屬陶瓷刀片切削40Cr淬硬鋼時(shí)．耐用度大大優(yōu)于其它陶瓷刀片。切削時(shí)間較長，磨鎖較少。例如：使用FD22金屬陶瓷刀具精車淬硬至HRC58～63的86CrMoV7鋼軋輥時(shí)，在v=60m/min、f=0.2mm/r和ap=0.8mm時(shí)，切削路程Lm15420m，加工表面粗糙度Ra1.6μm下，完全滿足以精車代粗磨的要求。因此，采用新型陶瓷刀具，能提高加工效率，大幅度節(jié)約加工工時(shí)及電力，可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，可節(jié)約大量貴重金屬W、Co及Ti等。而且傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)要消耗大量的地球上稀缺的戰(zhàn)略金屬W、Co、Ti等，而陶瓷刀具是以地殼中最豐富的元素硅(Si)等為原料，因此，陶瓷刀具具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　
　　3 新型陶瓷刀具的應(yīng)用分析
　　由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性好的性能，因此，適用于干切削加工鑄鐵和悴火鋼，以及適于現(xiàn)代高速切削工藝的要求。制造業(yè)是產(chǎn)生環(huán)境污染的主要根源，而利用現(xiàn)有刀具材料的優(yōu)勢探索干切削新工藝，是未來金屬切削發(fā)展的趨勢之一。近年來，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，非常重視干式切削，為了貫徹環(huán)保政第，更是大力研究、開發(fā)和實(shí)施這種新型加工方法。長期以來，應(yīng)用切削液一直是提高刀具壽命和加工質(zhì)量的重要工藝因素，但也導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化，而且也增加了制造成本。根據(jù)美國企業(yè)的統(tǒng)計(jì)，在冷卻加工系統(tǒng)中，切削液占總成本的14%～16%，刀具成本占2 %～4%。因此，美國、德國、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家都非常重視干式加工的研究。據(jù)測，一般情況下，如減少切削液的使用可以節(jié)省10%～15%的加工成本。歐洲的工業(yè)界在大批量生產(chǎn)中，約有10～15%的切削加工已經(jīng)采用了干式切削。因此，未來切削加工的發(fā)展方向是盡量少用切削液。干式切削刀具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮刀具的幾何角度、刀具材料、刀片涂層等，而陶瓷和金屬陶瓷刀具具有耐熱性、高溫硬度、化學(xué)穩(wěn)性好的特點(diǎn)，因此，適合于干式切削鑄鐵和淬硬鋼。隨著金屬切削技術(shù)的發(fā)展，零件的毛坯制造精度的提高，實(shí)現(xiàn)零件的少無切削加工已是現(xiàn)代制造技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。采用陶瓷刀具可以實(shí)現(xiàn)以車代磨，減少工序，縮短工藝路線，提高生產(chǎn)率，特別是對一些滾動(dòng)軸承內(nèi)外環(huán)的加工效果更好。陶瓷刀具在使用和刃磨時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件材料與加工方式的不同，通過實(shí)驗(yàn)，正確選擇陶瓷刀具牌號及刀具的幾何參數(shù)。一般選擇較大的刀尖圓弧半徑(r=1.2～2.0mm) ，較大的倒棱角度(25～35°)；刀刃一般采用人造金剛石砂輪，在普通工具磨床上刃磨，砂輪粒度可選18 0～240#，刀具刃口不能出現(xiàn)鋸齒口，刃磨粗糙度不低于Ra=1.6μm，用金剛石油石研磨膏修研，在高速大進(jìn)給切削或沖擊力大的粗加工時(shí)，機(jī)床要有足夠的功率和剛性，刀具應(yīng)修磨出負(fù)倒棱。陶瓷刀具切入被加工材料前要緩慢進(jìn)給，防止初始崩刀。
　　　　　
　　4 結(jié)語
　　陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬質(zhì)合金有更好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高速條件下切削加工并待續(xù)較長的時(shí)間，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3～10 倍。它可以實(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。實(shí)現(xiàn)干式切削．對控制環(huán)境污染和降低制造成本有廣闊的應(yīng)用前景。可以預(yù)見，新型陶瓷刀具對切削加工朝著高速、高效、高精度方向發(fā)展將產(chǎn)生很大推動(dòng)作用，它的推廣應(yīng)用將給金屬切削加工工藝帶來變革，改變傳統(tǒng)的刀具材料和切削技術(shù)，節(jié)省工時(shí)、電力、機(jī)床占用臺數(shù)和生產(chǎn)面積30%～70%，節(jié)省戰(zhàn)略性貴重金屬，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。