0 引言

　　干式切削即在切削加工中不使用切削液或少采用切削液，是一種環(huán)境污染小、資源占用率低的“綠色”加工技術(shù)，可使加工成本降低16%左右，干式切削對(duì)刀具的物理、力學(xué)和切削性能等提出了較高的要求。目前，陶瓷刀具在機(jī)械加工中越來(lái)越發(fā)揮著重要的作用，特別是在干式切削技術(shù)出現(xiàn)后，對(duì)陶瓷刀具提出了更高的要求。

　　1 陶瓷刀具切削性能特點(diǎn)

　　陶瓷刀具具有很高的硬度與耐磨性一般硬質(zhì)合金刀具的硬度在HRA90～93，而陶瓷刀具的常溫硬度達(dá)HRA92～95。由于其硬度高，所以耐磨性有較大提高，刀具耐用度比硬質(zhì)合金高幾倍。

　　具有很高的紅硬性一般硬質(zhì)合金刀具在溫度為800～1 000 ℃時(shí)，其硬度將有一個(gè)突然降低的階段，而陶瓷刀具的硬度隨溫度的升高變化很小，即使在1,200 ℃時(shí)，硬度仍達(dá)HRA80。

　　很高的化學(xué)穩(wěn)定性其抗氧化溫度為1,750℃，而硬質(zhì)合金為800 ℃，高速鋼僅為550 ℃。

　　它與金屬的親和力極小即使在熔化溫度下與鋼也不相互反應(yīng)，具有良好的抗黏結(jié)、擴(kuò)散、氧化磨損能力：有較低的摩擦系數(shù)，減小切削力，得到良好的表面粗糙度。

　　抗彎強(qiáng)度較低純氧化鋁可以耐非常高的溫度，但是它的強(qiáng)度和韌性很低，工作條件如果不好，容易破碎。

　　由于陶瓷刀具的紅硬性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于硬質(zhì)合金和高速鋼，韌性和強(qiáng)度高于CRS，所以比較適用于高速和超高速條件下的干式切削。

　　2 干式切削對(duì)刀具的要求

　　干式切削由于不用切削液，要求刀具有更高的性能，主要表現(xiàn)在:

　　刀具材料應(yīng)具有優(yōu)良的紅硬性和耐磨性干式切削的切削溫度通常比濕式切削高得多，紅硬性高的刀具材料才能有效地承受切削過程的高溫，保持刀具的良好耐磨性。

　　刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和耐沖擊能力干式切削的切削力比濕式切削要大，并且干式切削的切削條件差，故刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和耐沖擊性能。

　　刀具材料應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)降低刀具- 切屑和刀具- 工件表面之間的摩擦系數(shù)，在一定程度上可彌補(bǔ)切削液的潤(rùn)滑作用，抑制切削溫度的上升。

　　刀具應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)合理的刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，不但可以降低切削力，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，降低溫度，而且還有斷屑或控制切屑流動(dòng)方向等功能。

　　3 提高陶瓷刀具切削性能的途徑

　　為了提高干式切削加工中陶瓷刀具的強(qiáng)度和韌性，減低陶瓷對(duì)破碎的敏感性，一般在其相變、熱壓和成分等方面進(jìn)行改進(jìn)。

　　晶須增韌

　　晶須對(duì)提高陶瓷刀具的韌性能起到很好的作用。生產(chǎn)中以SiC、Si3N4作為晶須居多，SiC晶須具有一定的纖維結(jié)構(gòu)，平均直徑0.6μm，長(zhǎng)度為20～80μm，在Al2O3基體中添加一定比例的SiC晶須時(shí)，形成“晶須增韌陶瓷”，其斷裂韌性提高2～5倍，而且可有效地防止產(chǎn)生積屑瘤，相當(dāng)程度地增加了陶瓷的韌性、強(qiáng)度和抗熱沖擊性能。在Al2O3基體中添加20%～30%的晶須時(shí)，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性最好，其效果最佳。

　　隨著納米晶陶瓷材料致密化技術(shù)的發(fā)展，陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性會(huì)有新的突破，如納米晶ZrO2陶瓷己經(jīng)具有較理想的韌性，晶須增強(qiáng)的氧化鋁陶瓷刀具除可銑削耐熱合金外，還可粗加工超合金，其生產(chǎn)效率可提高近10倍。

　　通過抑制劑來(lái)細(xì)化晶粒

　　加入MgO作為抑制劑來(lái)抑制陶瓷晶粒的增長(zhǎng)，可以提高其強(qiáng)度和韌性。陶瓷刀片在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，存在晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。為遏制晶粒長(zhǎng)大，常在陶瓷粉中加入MgO作為抑制劑。但該氧化物燒結(jié)后形成玻璃相，沉積于晶界處，使晶界分離，降低晶界強(qiáng)度，且易產(chǎn)生晶間碎裂。如能在低溫下燒結(jié)陶瓷，則無(wú)需添加抑制劑，就可避免上述現(xiàn)象，提高陶瓷刀片性能。一種微細(xì)顆粒(0.22 μm)、高純度(99.99%)的新型氧化鋁陶瓷粉末，可用于制造陶瓷刀片。這種微細(xì)粉末具有很大的比表面積(15.1m2/g)。壓實(shí)時(shí)具有極大的表面能。在此能量作用下，燒結(jié)時(shí)所需溫度明顯降低，在1,230 ℃時(shí)即可充分燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)無(wú)需添加抑制劑。制造這種刀片可用高速離心壓實(shí)法，在100 ～200N的強(qiáng)大離心力作用下壓實(shí)坯料，經(jīng)干燥后在1,230℃的溫度下燒結(jié)1.5h即可獲得成品。這種新型陶瓷刀片的平均晶粒尺寸0.7μm。而一般陶瓷刀片的平均晶粒尺寸卻2μm。使用這種刀片對(duì)灰鑄鐵和中碳鋼進(jìn)行干式車削具有滿意的切削性能。

　　通過采用先進(jìn)的制粉燒結(jié)工藝和增韌技術(shù)，可使陶瓷刀具的強(qiáng)度和斷裂韌性大幅度提高，如Al2O3—ZrO2陶瓷的抗彎強(qiáng)度可達(dá)到700MPa，斷裂韌性KIC達(dá)5MPam?以上。

　　加入添加劑

　　加入氧化鋯或加入碳化鈦與氮化鈦的混合物可改善其韌性，提高耐沖擊性能。盡管加入了這些添加劑，但是其韌性比硬質(zhì)合金還是低得多。

　　4 陶瓷刀具在干式切削中的應(yīng)用分析

　　4.1 確定合理刀具幾何形狀及參數(shù)

　　合理的刀具幾何參數(shù)，是指粗加工或半精加工時(shí)能保證刀具有較高生產(chǎn)率和刀具耐用度，精加工時(shí)在具備較高刀具耐用度的基礎(chǔ)上可保證加工出符合預(yù)定尺寸精度和表面質(zhì)量的工件的刀具幾何參數(shù)。干式切削中，刀具幾何形狀和參數(shù)的優(yōu)化非常重要。標(biāo)準(zhǔn)刀具不宜采用干式切削，應(yīng)選擇優(yōu)化的刀具幾何形狀，以減少加工中刀具與切屑間的摩擦。刀具幾何形狀優(yōu)化應(yīng)做到盡量減少刀具與工件表面之間的接觸面積。雖然陶瓷刀具切削性能優(yōu)良，但是如果在使用中不能合理地選擇其幾何參數(shù)，仍不能很好地發(fā)揮作用。在選擇陶瓷刀具的幾何參數(shù)時(shí)，除要考慮刀具的一般規(guī)律外。還應(yīng)考慮陶瓷刀具特有的規(guī)律。根據(jù)陶瓷刀具脆硬的特點(diǎn)，保證其使用穩(wěn)定可靠、不發(fā)生崩刃是選擇陶瓷刀具合理幾何參數(shù)的主要依據(jù)。

　　月牙洼磨損是導(dǎo)致陶瓷刀具失效的主要原因，這是因?yàn)榧庸ぶ械毒吲c切屑接觸區(qū)域的溫度升高所致。由于陶瓷刀具韌性和強(qiáng)度較低，刀具幾何參數(shù)的選擇就顯得尤為重要。因此，通常應(yīng)使陶瓷刀具有:

　　大的負(fù)前角和負(fù)刃傾角使刀尖和刃口有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，減緩沖擊和月牙洼擴(kuò)展，使刀尖和刃口可在較長(zhǎng)的切削時(shí)間里保持足夠的強(qiáng)度。

　　配合大的后角是設(shè)計(jì)陶瓷刀具的另一要點(diǎn)，可使刀具刃口楔角增大，減少刀具與已加工表面之間的接觸長(zhǎng)度，有效降低后刀面的磨損和破損幾率。

　　4.2 不同材基的陶瓷刀具適用不同被加工材料

　　陶瓷刀具種類較多，在干式切削時(shí)應(yīng)根據(jù)被加工材料的特點(diǎn)合理選擇。

　　Al2O3系陶瓷刀具主要用于加工各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵等)和各種鋼料(碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、淬硬鋼等)：也可加工銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料。由于鋁元素的化學(xué)親合作用，Al2O3陶瓷刀具不適于加工鋁合金和鈦合金。Al2O3陶瓷制造的滾刀、鉸刀、成形車刀等各類刀具不僅可用于普通車床加工，而且由于其穩(wěn)定可靠的切削性能，特別適用于數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)生產(chǎn)線加工，尤其對(duì)高精度、高硬度以及大型工件的切削具有良好效果。

　　Si3N4系陶瓷刀具的加工范圍與Al2O3系陶瓷刀具近似，但是Si3N4系陶瓷刀具不適合加工產(chǎn)生長(zhǎng)屑的鋼料。Si3N4系陶瓷刀具特別適合加工灰鑄鐵。

　　淬硬鋼通常含硅量高，易與Si3N4系陶瓷刀具產(chǎn)生高溫?cái)U(kuò)散，從而加劇刀具磨損。因此選用Al2O3系陶瓷刀具及Ti(C，N)基陶瓷刀具較為合適，具有較高的耐用度。

　　4.3 陶瓷刀具適用的加工工藝

　　陶瓷刀具適合于高速和小進(jìn)給量切削，多用于制造滾刀、鉸刀、成形車刀等各類刀具，可用于普通車床加工，而且由于其穩(wěn)定可靠的切削性能，特別適用于數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)生產(chǎn)線加工，尤其對(duì)高精度、高硬度以及大型工件的切削具有良好效果。以提高生產(chǎn)效率為目的高速切削，最能體現(xiàn)陶瓷刀具的優(yōu)點(diǎn)，陶瓷刀具在高速干式切削加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

　　5 陶瓷刀具的發(fā)展趨勢(shì)

　　新型金屬陶瓷

　　由于陶瓷刀具硬度高，而斷裂韌性差，因此，使刀具材料的硬度與斷裂韌性達(dá)到最佳組合是研究的重點(diǎn)。而新近開發(fā)的以TiB2基金屬陶瓷材料具有高硬度、較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，TiB2基金屬陶瓷將具有很廣闊的發(fā)展前景。

　　晶須增韌陶瓷刀具

　　氧化鋁基陶瓷刀具能夠加工所有的鋼材和鑄鐵，并通過添加20%～30%的SiC晶須，使其抗斷裂強(qiáng)度和抗沖擊能力得到增強(qiáng)。

　　涂層刀具

　　通過對(duì)氮化硅陶瓷刀具進(jìn)行一次或多次的化學(xué)涂層，使其壽命大大提高，應(yīng)用范圍得到拓寬。陶瓷刀具材料的研究方向目前正走向超微分、復(fù)相陶瓷、涂層及金屬陶瓷材料。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　隨著陶瓷刀具的發(fā)展，陶瓷刀具在干式切削中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。目前我國(guó)陶瓷刀具已經(jīng)形成了一定的生產(chǎn)能力，這些都為陶瓷刀具切削的研究與應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。