氧化铝陶瓷刀具的研究与应用

高速加工技术论文

氧化铝陶瓷刀具的研究与应用

院系：燕山大学机械工程学院

班级：11硕研机制系

组长：明

组员：

指导老师：

时间：2011年12月01日

氧化铝陶瓷刀具的研究与应用

摘要:作为先进制造技术,高速切削技术能大幅度地提高加工品质和加工效率,并能降低加工成本。高速切削已经成为切削加工的主要发展方向。为真正实现切削加工的高速化，不仅要研究开发与高速切削相适应的材料，还要不断改进刀具结构，并对刀具的动平衡和可靠性进行分析。目前，国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3) 和氮化硅基( Si3N4) 两大系列。陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温性能，与金属的亲合力小，并且化学稳定性好。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨。

关键词：高速加工、氧化铝陶瓷刀具、高硬度、高耐磨性、抗高温

1、陶瓷刀具的材料及选择

陶瓷材料比硬质合金更适合于高速切削，陶瓷材料与金属亲合力小，热扩散磨损就很小。另外，陶瓷的高温硬度优于硬质合金，在1200 ℃~1400℃时仍能达到HRA80，相当于硬质合金400℃以下的硬度。

氧化铝陶瓷硬度高、耐磨性好，但韧性不足，抗热振能力差，易于发生刃口早期破损。通过加入ZrO2形成的相变增韧复合陶瓷Al2O3一ZrO2，和由具有高横向断裂强度的SiC晶须组成的晶须强化陶瓷Al2O3一SiC以及Al2O3一SiC+金属等Al2O3基陶瓷断裂韧性和强度有较大的提高，强了耐冲击和断续切削的能力，如Al2O3一ZrO2，能以1000m/mi的切削速度铣削硬度小于HRC38的钢件和HB300的铸铁件。

氮化硅(Si3N4)陶瓷具有较高的强度、韧性和抗热振能力，刀具耐用度显著提高，尤其提高了断续切削的可靠性。通过在Si3N4基体添加YO、Al2O3和TiC(N)等形成的氮化硅系陶瓷，具有良好的烧结工艺性并能保持优良的切削性能。近期开发的XE10是一种高强韧性的纤维状的高纯度高密度Si3N4陶瓷, 断裂韧性达7.0MPa²M1\2，热传导率比其它陶瓷高,2倍，抗热冲击性强，在铸铁的有冷却液高速断续切削中获得较高的刀具寿命。

2、陶瓷刀具的结构设计

2.1、合理的刀具几何参数

刀具合理的几何参数是指粗加工或半精加工时能保证刀具具有较高的生产率和刀具耐用度，精加工时在具有较高的刀具耐用度的基础上保证加工出符合预定尺寸精度和表面质量的工件的刀具几何参数。目前陶瓷刀具的一些新品种在强度和韧性方面有了较大的提高，但毕竟是脆性材料，抗弯强度较低而抗压强度高。为了充分发挥它的长处，应尽力使陶瓷刀具切削时工作在压应力区，并尽量减少振动，利于提高工艺系统的刚性，从实验得知：当前角 取- 6°~ - 8°，后角α0取5°~ l2°，主偏角K r取45°，刃倾角λs取0 ~ - l0°，圆角半径γε取0. 6 ~ 0. 9mm，b r取0. 4 ~ 0. 6mm时，陶瓷刀具的切削性能较为理想。

2.2、合理的切削用量

陶瓷刀具具有良好的耐磨性与耐热性，故切削用量对刀具的磨损的影响比硬质合金刀具小。因此切削时应根据被加工材料的性质，在机床的功率、工艺系统的刚性等条件允许的前提下尽量选用较大的背吃刀量和切削速度进行高速切削，在高速切削时往往能获得良好的切屑形状。如在高速切削淬硬钢时，可能形成酥化的易于碎断的假带状切屑，从而使切屑易于清理，且一定范围内的高速切削，切削温度的升高能改变工件材料的性能，提高陶瓷刀具的韧性而减少其破损。如果切削速度过低，不仅不利于发挥陶瓷刀具的优越性，而且容易发生崩刀。由于进给量对刀具破损的影响最为敏感，所以开始切削时的进给量先取小些，通过试切逐渐增加，一直到刀具不出现破损。车削普通钢和铸铁，进给量可以取0. l0 ~ 0. 75mm / r，精加工取0. 05 ~ 0. 25mm / r，铣端面时，每齿进给量a f= 0. l ~ 0. 3mm / Z。加工淬硬钢，随着硬度不同而选取不同的进给量，一般车削取0. l ~ 0. 3mm / r，铣端面取每齿进给量a f= 0. 05 ~ 0. l5mm / Z。

2.3、刃形结构

切削刃边界的缺口破损和刀尖处的热磨损是高速切削刀具的另一特征。因此，设计应使主、副刀刃在刀尖处逐渐过渡，增大刀尖角，刀尖采用圆弧或多个直线刃过渡，加大刀尖区切削刃的长度和刀具材料的体积。而在刃形设计时应使边界处的切削厚度逐渐减薄，以减缓边界处的应力梯度和温度梯度。高速切削刀具的切削部分应短一些，以提高刀具的刚性和减小刀刃破损的概率。如陶瓷铣刀的切削部分就较短，钻头副刃的倒锥就比较大。

3、陶瓷刀具的动平衡分析

高速切削刀具系统的动平衡非常重要。一般来说,对于小型刀具，平衡修正量只有百分之几克；对于紧密型刀具,采用静平衡即可,而对于悬伸长度较大的刀具则必须进行动平衡。因为高速切削时,由于主轴转速很高，如果加工系统中有不平衡质量存在，会引起非常大的惯性离心力，它会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂,除造成废品外，对操作者和机床都会带来危险。因此高速切削刀具体必须满足动平衡要求，刀片应开有与刀具体定位的键槽,并辅以上压式夹紧或由螺钉紧固,应对刀具、夹头、主轴各元件单独进行动平衡,然后还要对刀具与夹头组件进行动平衡，最后还应对刀具连同主轴一起进行动平衡。

平衡方法有两种：1) 在刀柄轴上靠手工旋转一个本身不平衡的可调环套，可以在一定范围内调节不平衡量；2) 是在刀柄的径向安装可调螺钉，通过调节螺钉离中心线的远近来调节平衡。动平衡是在动平衡机上完成的，可以在动平衡机上得到不平衡的位置和不平衡量的大小，可以预测调节后是否在许可的不平衡量范围内。

4、陶瓷刀具的可靠性的研究与分析

4.1、刀具可靠性的理论模型

在正常连续切削条件下, 陶瓷刀具的损坏以磨损为主。由于受到刀具材料、工件材料以及切削过程中其它因素的影响, 即使规定了相同的磨钝标准, 刀具的磨损寿命也不同, 而是