陶瓷复合材料刀具

陶瓷复合材料刀具

对燃油经济性好的燃气涡轮发动机的需求持续加添，导致传统的

耐热超合金材料正被新型超韧性高不冷不热耐磨合金取代。新型材料的

需求旺盛使加工这些材料的刀具需求同步增长。

需要快速切削这些材料的制造商认得到，仅靠传统的加工引导原

则已不能使其保持竞争力。刀具制造商却深谙这些加工难点，适时推出

了具有高生产效率和良好成本效益的刀具选择：陶瓷复合材料刀具。

陶瓷复合材料具有优异的高温性能和高强度。这种性能使陶瓷复

合材料成为一种高生产率和高稳定性的刀具材料，能够承受加工耐热高

温超合金和其它难加工材料的苛刻切削条件。

晶须加强陶瓷刀具

最广为人知的切削耐热超合金的陶瓷复合材料是晶须加强陶瓷。

晶须加强陶瓷刀具在30年前已经显现，并以其10倍于硬质合金刀具的

生产效率快速占据市场。当时，由于缺乏晶须加强的支持，陶鎏刀具在

切削耐热超合金时显得力不从心。此后，随着晶须加强技术的应用，陶

瓷刀具在加工难加工材料时呈现出了优异的性能。

近10年显现的涂层晶须加强陶瓷比非涂层晶须加强陶瓷进一步提

升了加工效率和降低了生产成本。像涂层硬质合金刀具一样，涂层晶须

加强陶瓷刀片加强了抗高不冷不热耐磨损性能，从而进一步提升了生产

效率，延长了刀具寿命。

将非涂层晶须加强陶瓷刀具升级为涂层刀具，切削速度可平均提

高20%〜40%。依据涂层刀具的不同材质，进给速度可提高20%,刀具寿

命可延长50%〜100%。在很多应用场合，涂层刀具的加工表面干净度更

好，切削长度相比非涂层刀具也更长。

使用陶瓷复合材料刀具并不是将刀片安装到刀杆刀窝并启动机床

运行按钮那样简单。用户必需把握这些刀具的性能提升、精准明确测量

和刀具磨损调整的基本学问。

正确使用方法

晶须加强陶瓷刀片由细晶氧化铝与被称作晶须的碳化硅晶体制成。

A1203是一种抗高温、抗磨损的材料，但缺乏充足强度，因此其切削性

能不稳定。就像在水泥中加入钢筋，玻璃银中加入纤维一样，通过加添

碳化硅晶须，A1203的强度能得到提高且性能稳定。晶须加强后的陶瓷

刀具较之传统硬质合金刀具可以更高的速度切削。

高切削速度对于耐热超合金的塑化或软化至关紧要。塑化后的材

料才可一层层地被高效去除。但是，塑化过程会在切削区域产生大量热

量。切削热量需要有效排出，才能使母材的微观结构不受影响。因此，

合理平衡切削速度和进给速度并保持正确的平均切屑厚度(ACT)就很

必要，这样才能将大量的切削热通过切屑带走。

将进给速度用ACT来描述，而不用每转进给或每齿进给，这是由

于切屑厚度会因进给速度及其它很多因素的变化而更改。例如，圆刀片

的ACT与切深有关，由于切深更改会使刀具的有效主偏角变化，使切屑

变厚或减薄。

使用直线刃刀片时，ACT与刀具相对零件的方向有关，也就是与主

偏角有关。使用带主偏角的刀具加工有很多好处，例如可防止陶瓷刀具

产生缺口，但此时紧要的是要调整编程进给速度以避开切屑变厚并确保

可推测的刀具磨损方式。

晶须加强陶瓷刀片ACT的阅历值为0.002"〜0.004”(0.05mm〜

0.10mm)o此值可保证切屑维持适当的截面大小以带走在刀具和工件界

面间因高切削速度而产生的大量热量。

切屑过薄将不能带走充足热量，其结果是热量会传递绐母材。此

外，切屑过薄将引起刀具与工件磨擦而非刀具切削工件，并加快后刀面

磨损使刀具提前失效。切屑过厚的作用正相反，将导致刀片承受的压力

加添而使刀片崩刃或断裂。

依据被切材料的成分，需适当调整切削速度和进给速度。此外，

需要特别值得注意的是被切削材料的硬度，硬度高的材料需用较低的切

削速度来使母材塑化到肯定程度后，才能被有效去除。

相变增韧陶瓷刀具

一种新型的，在车削和铁削耐热超合金时■获得青睐的陶瓷复合材

料是相变增韧陶瓷。这种陶瓷的强度几乎是晶须加强陶瓷的两倍，可在

陶瓷刀具的切削速度下以硬质合金刀具的进给速度进给。此外，与其它

陶瓷复合材料刀具相比，强度加添的相变增韧陶瓷刀具可使生产率提高

两倍。

到目前为止，唯一可获得的相变增韧陶瓷是绿叶公司的XSYTIN-E

该陶瓷热性能稳定.由晶须和颗粒增韧的氮化硅制成厂比绿叶公司其它

陶瓷刀具的强度高出近一倍。

相变增韧陶瓷的重要优点是在苛刻条件、大切削力及断续切削条

件下保持强度的本领，并且在连续切削中也表现优异。这种刀具应用于

浩繁场合，包括加工锻件和铸件表皮以及高耐磨材料。

需要注意的是，相变增韧陶瓷刀片的使用方法与市场上其它陶瓷

刀具不太一样，必需要加添进给速度，假如进给速度不够高，后刀面磨

损将非常严重，这将导致刀具过早磨损。相变增韧陶鎏刀具的ACT通常

比晶须加强陶瓷和赛阿龙材料刀具高很多。

为了说明使用区分，此处以直径为1/2〃(12.7mm)的非涂层晶须

加强陶瓷圆刀片车削Inconel718为例。起始切削参数的选择采纳阅历

“8原则”：切削速度为800sfm(244m/min)；进给速度为0.008ipr

(0.20nim/r)；切深为0.080”<2.03mm)；材料去除率为

33

6.14in/min(100.6cm/min)0

当由晶须加强陶瓷刀片改为相变增韧陶瓷刀片时，通常切削速度

需要略微下调，但进给速度可大幅提高。采纳切削速度700〜750sfm

(213〜229m/min)、进给速度0.014〜0.016ipr(0.36〜0.41mm/r)和

切深0.080〃〜0.120”(2.03mm〜3.05mm),可以很简单地切削

Inconel718o切削条件理想时，材料去除率可达9.4ir?/min

(154.2cm3/min)〜17.31//min.(283.5cm3/min)。

相变增韧陶瓷的另一优点是切削速度范围较宽。受限于转速或老

式设备，传统的加工方法会采纳硬质合金刀具粗加工耐热超合金，而不

允许使用晶须加强陶瓷刀具。过去不能使用陶瓷刀具的用户现在发觉可

使用相变增韧陶瓷刀具。切深相同时，结合0.008〜O.OlOipr(0.20-

0.25mm/r)的稍低进给速度，同一把相变增韧陶瓷刀具的切削速度可降

低至450sfm(137m/niin)o可见，相变增韧陶瓷刀具填补了硬质合金刀

具和陶瓷刀具之间的空白。

相变增韧陶瓷刀具的这些优点对必需加工耐热超合金的制造商来

说意味着什么？与硬质合金刀具相比，假如采纳晶须加强陶瓷刀具使基

础线生产效率提升1