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| 沈阳机床厂陶瓷刀具切削加工时的磨损与光滑 | | 发布者：admin 日期：2014-1-18 点击：919 | | |
沈阳机床厂1．导语
沈阳机床厂陶瓷刀具具有硬度高、耐磨功用及高温力学功用优异、化学稳定性好、不易与金属发作粘结等特征，可广泛运用于难加工资料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬质合金刀具高3～10倍，可大高低行进切削加工生产率。近三十年来，因为在陶瓷刀具制作技术中完成了对资料纯度和晶粒规范的有用操控，开发了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶须或少数金属的增加技术，以及选用多种增韧补强机制等，使陶瓷刀具的强度、耐性、抗冲击功用等都有了较大行进。但陶瓷刀具并不是全能的。陶瓷刀具在切削加工进程中要接受高温、高压作用，不可避免地要遭到不一样程度的磨损或破损。已有的研讨标明，每一种陶瓷刀具都有其特定的加工计划，不一样的陶瓷刀具或同种陶瓷刀具在加工不一样工件资料时其磨损形状和刀具寿数会有很大不一样，因此存在陶瓷刀具与切削政策的最佳匹配疑问。关于这方面的研讨国内外已有一些文献报导，但因实验条件和研讨方法各异，不一样研讨者的实验作用和研讨定论也存在区别。
这篇文章在作者已有的研讨基础上，参看国内外的有关文献报导，对陶瓷刀具切削加工时的磨损、光滑以及陶瓷刀具与加工政策的最佳匹配疑问进行了归纳评述，以期对新式陶瓷刀具资料的研发与开发、实习加工中陶瓷刀具的选用与磨损操控等起到必定的经历和参看作用。
沈阳机床厂2．陶瓷刀具切削加工时的磨损机理
沈阳机床厂在陶瓷刀具切削加工进程中，一贯存在两个冲突副，即前刀面与切屑间的冲突副和后刀面与工件间的冲突副。其间，前者影响刀具前刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损和已加工外表质量，前、后刀面的磨损均影响刀具寿数。陶瓷刀具首要用于高速切削场合，切削温度常可高达800～1000℃乃至更高，切削压力也很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损归纳作用的作用，其磨损机制首要包含磨料磨损、粘结磨损、化学反响、松懈磨损、氧化磨损等。已有的研讨标明，陶瓷刀具的磨损与切削条件靠近有关。不一样的陶瓷刀具资料在不一样切削条件下加工不一样的工件资料时，占主导地位的磨损机制能够有所不一样。如在低速切削时，因为切削温度较低，其磨损机理通常表现为磨粒磨损；而在高速切削时，则以高温致使的粘着磨损、化学反响、氧化磨损和松懈磨损为主。
沈阳机床厂作者的研讨标明：Al2O3基陶瓷刀具在接连切削钢件时，其磨损机理首要为伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损，而在切削铸铁时首要为磨料磨损。Wayne 和Brandt 等人经过研讨用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718资料得出定论：在低速切削条件下，磨料磨损和粘结磨损为陶瓷刀具的首要磨损机制；而在高速切削条件下，粘结磨损、化学反响和松懈磨损为陶瓷刀具的首要磨损机制。因为Inconel 718资料高温强度高，塑性变形大，加工硬化严肃，切削力和切削温度均很高。当切削温度小于900℃时，刀具前刀面以粘结磨损为主；当温度抵达1200℃时，Ni就初步向刀具中间松懈。因为Ni的松懈，一方面使刀具资料外表硬度下降，功用下降；另一方面使刀具与工件的亲和性增加，粘结磨损增大。因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718时有必要运用切削液含氯化石蜡的切削液作用非常好。
沈阳机床厂Casto等人经过研讨用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI 1040资料得出定论：刀具的磨损机理首要表现为粘结磨损和磨料磨损，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040钢时，刀具外表存在严肃的化学反响。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337钢时，前刀面和后刀面的磨损机理不一样。化学反响及塑性变形是前刀面磨损的首要缘由，后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发作开裂，致使陶瓷颗粒掉落所构成的。Brandt发现了Al2O3基陶瓷刀具切削时表层的塑性变形表象，并以为这是因为Al2O3与FeO钢外表氧化产品或MgO陶瓷增加剂反响构成了尖晶石计划，或者是Al2O3与SiO2、CaO作用构成了低熔点、低硬度的化合物。作者的研讨标明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性，跟着TiB2含量的增加，刀具的耐磨功用增强。
沈阳机床厂关于晶须增韧陶瓷刀具，因为晶须在热压进程中定向散布于笔直热压轴平面，构成晶须在不一样外表上的散布区别，因此晶须增韧陶瓷刀具的耐磨功用与晶须的取向有关，θ=0°外表的耐磨功用最差，而θ=90°外表的耐磨功用最佳。当刀具往后刀面磨损为主时，应挑选θ=90°外表作为刀具后刀面；当刀具早年刀面磨损为主时，则应挑选θ=90°外表作为刀具前刀面。当刀具前、后刀面一起存在较大磨损时，应挑选θ=45°外表作为刀具的前后刀面，以行进刀具的抗磨损才调。
沈阳机床厂Si3N4基陶瓷自七十年代后期初步作为刀具资料运用，其时已在铸铁和镍基合金的切削加工中得到广泛运用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削铸铁时首要发作磨料磨损，而在高速切削碳钢时首要发作化学磨损。化学磨损自身在陶瓷刀具的总磨损量中所占份额通常并不大，但化学作用可使机械磨损的程度大大加重，如化学溶解及松懈作用会致使陶瓷外表强度削弱，加重刀具与工件间的粘结，然后致使严肃的粘结磨损和微观开裂磨损。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045钢时，其磨损率比切削灰铸铁时高出两个数量级；切削铸铁时工件与刀具之间的Fe、Si等元素的互相松懈作用比切削钢时小得多。切削钢时，Si3N4陶瓷刀具的磨损首要与刀具和工件间的化学作用有关，因为Si3N4颗粒的化学溶解及不断被从玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表现出很高的磨损率。Si3N4陶瓷刀具切削钢时的高磨损率首要归因于以下两种要素：①Si3N4氧化而在刀具外表构成的SiO2层不断被磨去；②SiO2与工件外表的FeO构成低熔点共晶混合物。有人对Sialon陶瓷刀具与铁基合金间的化学作用进行过专门研讨，作用标明：在高温下β′-Sialon 颗粒与铁基合金发作化学反响，硅和氮在铁基合金中发作溶解和松懈。钢中的合金元素对Sialon与钢之间的反响活性有必定影响，镍、硅、碳、磷等元素可下降反响活性，而铬、钼、钛、钒等元素则会增大反响活性。
沈阳机床厂尽管陶瓷刀具的磨损与切削条件靠近有关，但挑选陶瓷刀具磨损特性的首要要素仍是陶瓷资料的组分和微观计划。陶瓷刀具磨损的根柢表象是资料的开裂及搬运，因此裂纹的构成与拓展将对磨损发作重要影响。陶瓷刀具资料多为复相陶瓷，在晶界处存在玻璃相、气孔、杂质等，且各相之间存在热胀失配和弹性模量的不一样。晶界气孔的存在会致使应力会集，气孔作为裂纹源将诱导晶界裂纹，而且因为气孔首要在晶界上发作，裂纹拓展至气孔时与气孔联接，然后加立刻裂纹的拓展。Rice等人的研讨标明：气孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨功用大大下降，弹性模量与热胀失配所发作的过大剩余应力会致使资料在未受外载时就发作开裂。因为多晶陶瓷所加的增加剂在烧结进程中首要以玻璃相方法存在于晶界上，在高速切削发作的高温条件下，玻璃相粘度下降而发作塑性活动，致使晶界滑移，并在晶界交界处发作应力会集表象。假定应力会集使得相邻晶粒彻底塑性变形，则会使应力松懈，假定不能与附近晶界变形相适应，则应力会集将使晶界处发作裂纹。裂纹成核后，跟着晶界滑移程度的不断增加，将会致使裂纹发作。陶瓷刀具资料晶体中的很多位错为裂纹成核供给了沈阳机床厂另一种方法，跟着磨损进程的不断进行，位错不断增殖，在晶界处就会构成更多因位错而发作的微裂纹，这些裂纹相接就会构成接连裂纹，然后致使陶瓷刀具耐磨功用下降。
沈阳机床厂3．陶瓷刀具切削加工时的光滑
沈阳机床厂关于陶瓷刀具在切削加工中是不是需求光滑其时观念尚不一起。有些教授以为，陶瓷刀具具有高硬度、高熔点、耐高温等特征，且抗热震性较差，对热应力很活络，不恰当的冷却作用会使刀具发作热裂纹而发作破损，因此陶瓷刀具切削加工时不需冷却和光滑即可满足运用需求。但也有不少研讨者以为，陶瓷刀具在加工某些难加工资料时如用晶须增韧陶瓷刀具加工镍基高温合金，有必要充分运用切削液含氯化石蜡的切削液作用非常好。选用恰当的冷却和光滑对减小陶瓷刀具磨损、延伸其运用寿数非常有利。
沈阳机床厂Tonshoff等人研讨了Al2O3/TiC陶瓷刀具车削淬硬钢时光滑剂的作用，切削实验分别在干切削和不一样光滑剂光滑条件下进行。作用标明：刀具的磨损、已加工外表质量以及切屑的构成均遭到光滑剂的影响。与干切削比照，选用光滑剂的刀具寿数延伸，工件已加工外表质量明显行进。这首要是因为光滑剂中的极压增加剂在切削条件下与工件外表发作冲突化学反响而构成了化学吸附膜。经过对光滑切削条件下的工件外表进行成分剖析，发现了含FeS和FePO4等成分的极压光滑膜，正是这种极压光滑膜下降了切削冲突力，克制了粘结的发作，然后减小了刀具磨损。
Cheryl对Si3N4 / TiC 陶瓷资料在900℃高温下的冲突磨损实验研讨标明：Si3N4和TiC在高温下发作氧化，在冲突外表生成含Si和Ti的氧化物保护膜，可明显下降冲突系数，并有利于行进资料的耐磨功用。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具进行镍基合金的切削实验发现，干切削条件下刀具失效的首要缘由是严肃的前刀面磨损及切屑在刀具上的粘结，而运用切削光滑剂改进了刀具的切削功用，行进了切削功率和加工件的外表质量。有人曾对多种光滑剂、增加剂对陶瓷—金属冲突副的光滑作用进行了研讨，发现油基切削液比水基切削液更为有用。如运用含二烷基二硫化磷酸锌ZDDP的光滑油进行光滑，Si3N4陶瓷刀具切削45钢时的磨损率与干切削比照可减小两个数量级，切削不锈钢时的磨损率比干切削时可减小一个数量级。外表剖析发现，Si3N4及工件的磨损外表上有ZnO、FeS、FePO4等冲突化学反响产品生成。
沈阳机床厂作者曾对Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬钢进行了实验研讨，作用标明：该陶瓷刀具高速干切削时具有自光滑功用。当切削速度较低时，切削温度也较低，刀具的磨损机制首要表现为磨料磨损与粘结磨损；当切削速度很高时，刀具外表均匀切削温度较高，实习瞬时最高温度大于均匀温度，切削后刀具磨损区的XRD谱SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高温下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高两个数量级以上。因为Fe与SiC晶须的化学反响及互相溶解，使刀具资猜中Fe元素含量增加，进一步增大了刀具与工件的粘着倾向，因此对刀具的耐磨功用倒运。因此，富含SiC颗粒或SiC晶须的陶瓷刀具不适合加工钢件。
沈阳机床厂表1 陶瓷刀具资料组分1323℃时在Fe 中的溶解度
资料组分－溶解度mol%
ZrO2－3.6×10-8
Al2O3－5.6×10-7
TiC－1.0×10-3
TiN－1.9×10-3
SiC－6.4×10-1
Al2O3 / ZrO2
沈阳机床厂陶瓷刀具中的资料组分Al2O3和ZrO2在高温下的化学稳定性好，且与Fe的溶解度很小，不易向工件资猜中松懈及溶解，因此Al2O3/ZrO2具有较好耐磨功用。因为Al2O3/ZrO2陶瓷刀具在高温1170℃以上下ZrO2的增韧作用会明显减小，所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不适合温度较高的高速或超高速切削，只适合在较低切削速度计划内进行切削加工，Si3N4基陶瓷刀具适于高速切削铸铁，加工镍基合金也能获得满足作用，但切削奥氏体不锈钢时则磨损严肃。因为Si3N4和Fe 之间存在较大亲和力以及Si和Fe之间的互相松懈，高速切削发作的高温会大大加重Si3N4与这类工件间的化学作用及元素松懈，加重Si3N4刀具的磨损，所以Si3N4刀具也不适合高速切削纯铁和碳钢等资料。总的来说，Al2O3基陶瓷刀具具有超卓的耐磨损功用及耐高温功用均高于Si3N4基陶瓷刀具，且其高温化学稳定性极好，不易与铁元素发作互相松懈或化学反响，因此Al2O3基陶瓷刀具的运用计划最广，适于高速切削钢、铸铁及其合金；Si3N4基陶瓷刀具的开裂耐性和抗热裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，适于断续加工铸铁及铸铁合金；ZrO2增韧陶瓷刀具室温耐性较高，适于断续切削，但不适合温度较高的高速或超高速切削；增加SiC的陶瓷刀具最适合加工镍基高温合金、纯镍和高镍合金等，但不适于加工钢和铸铁。
沈阳机床厂5．结语
沈阳机床厂综上所述，不一样品种的陶瓷刀具或同品种刀具加工不一样工件时，其磨损形状不一样。冷却与光滑对陶瓷刀具的磨损和刀具寿数会发作很大影响，选用恰当的冷却和光滑对减小陶瓷刀具磨损、延伸运用寿数非常有利。
在实习运用中，每一种陶瓷刀具都有其特定的加工计划，陶瓷刀具与其加工政策之间存在最佳匹配疑问，应依据所加工的工件资料挑选适合的刀具资料，并依据刀具资猜中是不是富含高温下易与工件资料发作松懈及化学作用的组分来断定最佳切削用量。
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