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陶瓷刀具演绎高效率、低成本

时间:2008年08月22日浏览:297次转载:中国机械与金属收藏分享:

现时巿场上有各式各样的陶瓷刀具,与硬质合金刀具相比,尽管两者各有千秋,但前者的高温切削性能明显要高于后者。而企业在使用陶瓷刀具时容易陷入“误区”,不恰当的切削参数的采用将导致切削性能的下降。为此,有必要增强对其性能与特点的认识,才能真正通过此工具实现加工的高效率和低成本。

陶瓷(ceramic)刀具简介
与硬质合金刀具相比,陶瓷刀具硬度高,耐磨性好,刀具寿命长。同时,陶瓷刀具与钢铁等金属的亲和力小,摩擦系数低,并且在1200℃时仍能保持HRA80左右的高硬度,抗热冲击性能好,适合在高温下进行高速切削。此外,其独具的原材料价格低廉优势,也是陶瓷刀具备受关注一个重要原因。 表1 陶瓷与常用硬合金的性能比较 刀具材料 密度
g/cm3 常温硬度
HRA 抗弯强度
GPa 抗压强度
GPa 断裂强度
MPa·m1/2 弹性模量
GPa 耐热性

陶瓷 3.2~6.6 91~95 0.4~1.3 3~5 3~9 280~420 1300~1400
硬质合金 10~15 88~92 0.9~2.5 3~6 9~17 400~690 800~1000

从表1可以看出,陶瓷刀具密度低,硬度高。在韧性方面,抗弯强度、断裂韧性、弹性模量等则不如硬质合金。这正是陶瓷刀具在某些场合不能取代硬质合金的重要原因。陶瓷刀具耐热性能好,在1300℃高温时还能保持很高硬度,其高温切削性能高于硬质合金,在超硬材料加工中优势明显。
陶瓷刀具的分类
目前陶瓷刀具主要有氧化铝(Al2O3)基,氮化硅(Si3N4)基和赛阿龙(Sialon)等三大类。
氧化铝基陶瓷
氧化铝基陶瓷硬度高、耐磨性好,但韧性较氮化硅等差很多,多用于车削。主要有以下三种:
氧化铝基添加氧化物。这类陶瓷强度低,抗热振性及断裂韧性较差,切削时易崩刃,目前已被其它Al2O3复合陶瓷取代。
氧化铝复合陶瓷。使用最广的是添加TiC的复合物,比如Sandvik可乐满公司的CC650牌号,适于切削淬硬钢和冷硬铸铁,广泛用于钢厂轧辊和传动轴等工件的车削。
Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷。在Al2O3陶瓷基体中添加SiCw晶须而成。SiCw晶须作用类似钢筋混凝土中的钢筋,能成为阻挡或改变裂纹发展的障碍,使其韧性大幅提高,可有效地用于断续切削及粗车、铣削和扩孔等工序,适于加工镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。
氮化硅基陶瓷
Si3N4陶瓷是一种非氧化物陶瓷,硬度可达1800~2000HV,热硬性好,能承受1300~1400℃的高温,与碳和金属元素化学反应小,摩擦系数较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料,尤其适用于大进给量或断续切削。
最新的Si3N4陶瓷不仅可用于粗加工,而且可用于断续切削和有冷却液的切削,例如Sandvik可乐满公司的690,6090,1690等牌号。目前Si3N4基陶瓷刀具的崩刃率为2%~3%,与硬质合金相当,可以大量应用于生产线。该类陶瓷刀具的缺点是磨加工性不如普通陶瓷。Si3N4-TiC-Co复合陶瓷、Si3N4晶须增韧陶瓷、Si3N4-Al2O3-Y2O3复合陶瓷等是目前研究最为广泛的几种氮化硅基陶瓷。
氮化硅陶瓷是用于铣削的最佳刀具材料之一,其高韧性、高耐磨性等特点使其成为灰铸铁铣削的一个全新解决方案。以下试举例说明:某公司变速箱体铣削加工。工件材料HT250,半精加工,余量3mm左右。机床为4轴加工中心。干式切削。  对比方案 (硬质合金刀片) 推荐方案(陶瓷刀片)
刀具 刀体 山特维克可乐满R365-080Q27-S15M,6刃65度刀盘。 山特维克可乐满R245-080Q27-12M,直径80mm,6切削刃的45度铣刀盘。
刀片 R365-1505ZNE-KM K20D R245-12T3E 6090
切削参数 切宽 50mm
切深 3mm
线速度 350m/min 1000m/min
进给 2.1mm/r 1.2mm/r
单件加工时间 1.5分钟 1分钟
寿命 40件/刃 50件/刃
金属去除率 428cm3/min 667cm3/min

说明 此刀具为业内使用硬质合金刀片的刀体中效率最高刀具之一。 比前面的解决方案效率提高56%

图 CC6060
赛阿龙陶瓷
SiAlON实际上是Si3N4中Si、N原子被Al和O原子置换所形成的一大类固熔体的总称,主要有b-sialon、a-sialon、O-sialon三种,尤以前两种最为常见。山特维克可乐满CC6060和CC6065均属于这两类赛阿龙陶瓷。相比晶须增韧陶瓷,赛阿龙陶瓷更适合高硬度优质耐热合金切削,它的硬度高,在切削优质耐热合金时,抗沟槽磨损能力突出。在耐热合金加工过程中,晶须增韧陶瓷适于粗加工,而赛阿龙陶瓷则擅长半精加工和精加工。
以加工Inconel718为例,CC6065/CC6060分别用于半精到精加工,线速度250m/min,进给量0.2mm/r,切深2mm。相比较传统硬质合金刀片的50m/min左右的推荐线速度,效率提高到原来的5倍。
规避使用误区,实现高效率和低成本
在产品生产成本中,

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