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| 沈陽機(jī)床廠陶瓷刀具切削加工時的磨損與光滑 | | 發(fā)布者：admin 日期：2014/1/18 點(diǎn)擊：1058 | | |
沈陽機(jī)床廠1．導(dǎo)語
沈陽機(jī)床廠陶瓷刀具具有硬度高、耐磨功用及高溫力學(xué)功用優(yōu)異、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)作粘結(jié)等特征，可廣泛運(yùn)用于難加工資料切削、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質(zhì)合金刀具高3～10倍，可大高低行進(jìn)切削加工生產(chǎn)率。近三十年來，因?yàn)樵谔沾傻毒咧谱骷夹g(shù)中完成了對資料純度和晶粒規(guī)范的有用操控，開發(fā)了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少數(shù)金屬的增加技術(shù)，以及選用多種增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制等，使陶瓷刀具的強(qiáng)度、耐性、抗沖擊功用等都有了較大行進(jìn)。但陶瓷刀具并不是全能的。陶瓷刀具在切削加工進(jìn)程中要接受高溫、高壓作用，不可避免地要遭到不一樣程度的磨損或破損。已有的研討標(biāo)明，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工計劃，不一樣的陶瓷刀具或同種陶瓷刀具在加工不一樣工件資料時其磨損形狀和刀具壽數(shù)會有很大不一樣，因此存在陶瓷刀具與切削政策的最佳匹配疑問。關(guān)于這方面的研討國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報導(dǎo)，但因?qū)嶒?yàn)條件和研討方法各異，不一樣研討者的實(shí)驗(yàn)作用和研討定論也存在區(qū)別。
這篇文章在作者已有的研討基礎(chǔ)上，參看國內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)報導(dǎo)，對陶瓷刀具切削加工時的磨損、光滑以及陶瓷刀具與加工政策的最佳匹配疑問進(jìn)行了歸納評述，以期對新式陶瓷刀具資料的研發(fā)與開發(fā)、實(shí)習(xí)加工中陶瓷刀具的選用與磨損操控等起到必定的經(jīng)歷和參看作用。
沈陽機(jī)床廠2．陶瓷刀具切削加工時的磨損機(jī)理
沈陽機(jī)床廠在陶瓷刀具切削加工進(jìn)程中，一貫存在兩個沖突副，即前刀面與切屑間的沖突副和后刀面與工件間的沖突副。其間，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損和已加工外表質(zhì)量，前、后刀面的磨損均影響刀具壽數(shù)。陶瓷刀具首要用于高速切削場合，切削溫度常可高達(dá)800～1000℃乃至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機(jī)械磨損與化學(xué)磨損歸納作用的作用，其磨損機(jī)制首要包含磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反響、松懈磨損、氧化磨損等。已有的研討標(biāo)明，陶瓷刀具的磨損與切削條件靠近有關(guān)。不一樣的陶瓷刀具資料在不一樣切削條件下加工不一樣的工件資料時，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制能夠有所不一樣。如在低速切削時，因?yàn)榍邢鳒囟容^低，其磨損機(jī)理通常表現(xiàn)為磨粒磨損；而在高速切削時，則以高溫致使的粘著磨損、化學(xué)反響、氧化磨損和松懈磨損為主。
沈陽機(jī)床廠作者的研討標(biāo)明：Al2O3基陶瓷刀具在接連切削鋼件時，其磨損機(jī)理首要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結(jié)磨損，而在切削鑄鐵時首要為磨料磨損。Wayne 和Brandt 等人經(jīng)過研討用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718資料得出定論：在低速切削條件下，磨料磨損和粘結(jié)磨損為陶瓷刀具的首要磨損機(jī)制；而在高速切削條件下，粘結(jié)磨損、化學(xué)反響和松懈磨損為陶瓷刀具的首要磨損機(jī)制。因?yàn)镮nconel 718資料高溫強(qiáng)度高，塑性變形大，加工硬化嚴(yán)肅，切削力和切削溫度均很高。當(dāng)切削溫度小于900℃時，刀具前刀面以粘結(jié)磨損為主；當(dāng)溫度抵達(dá)1200℃時，Ni就初步向刀具中間松懈。因?yàn)镹i的松懈，一方面使刀具資料外表硬度下降，功用下降；另一方面使刀具與工件的親和性增加，粘結(jié)磨損增大。因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel 718時有必要運(yùn)用切削液含氯化石蠟的切削液作用非常好。
沈陽機(jī)床廠Casto等人經(jīng)過研討用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI 1040資料得出定論：刀具的磨損機(jī)理首要表現(xiàn)為粘結(jié)磨損和磨料磨損，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI 1040鋼時，刀具外表存在嚴(yán)肅的化學(xué)反響。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI 4337鋼時，前刀面和后刀面的磨損機(jī)理不一樣。化學(xué)反響及塑性變形是前刀面磨損的首要緣由，后刀面的磨損機(jī)理則是陶瓷顆粒間發(fā)作開裂，致使陶瓷顆粒掉落所構(gòu)成的。Brandt發(fā)現(xiàn)了Al2O3基陶瓷刀具切削時表層的塑性變形表象，并以為這是因?yàn)锳l2O3與FeO鋼外表氧化產(chǎn)品或MgO陶瓷增加劑反響構(gòu)成了尖晶石計劃，或者是Al2O3與SiO2、CaO作用構(gòu)成了低熔點(diǎn)、低硬度的化合物。作者的研討標(biāo)明：Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高強(qiáng)鋼和淬硬鋼時具有較好的耐磨性，跟著TiB2含量的增加，刀具的耐磨功用增強(qiáng)。
沈陽機(jī)床廠關(guān)于晶須增韌陶瓷刀具，因?yàn)榫ы氃跓釅哼M(jìn)程中定向散布于筆直熱壓軸平面，構(gòu)成晶須在不一樣外表上的散布區(qū)別，因此晶須增韌陶瓷刀具的耐磨功用與晶須的取向有關(guān)，θ=0°外表的耐磨功用最差，而θ=90°外表的耐磨功用最佳。當(dāng)?shù)毒咄蟮睹婺p為主時，應(yīng)挑選θ=90°外表作為刀具后刀面；當(dāng)?shù)毒咴缒甑睹婺p為主時，則應(yīng)挑選θ=90°外表作為刀具前刀面。當(dāng)?shù)毒咔啊⒑蟮睹嬉黄鸫嬖谳^大磨損時，應(yīng)挑選θ=45°外表作為刀具的前后刀面，以行進(jìn)刀具的抗磨損才調(diào)。
沈陽機(jī)床廠Si3N4基陶瓷自七十年代后期初步作為刀具資料運(yùn)用，其時已在鑄鐵和鎳基合金的切削加工中得到廣泛運(yùn)用。Si3N4基陶瓷刀具在高速切削鑄鐵時首要發(fā)作磨料磨損，而在高速切削碳鋼時首要發(fā)作化學(xué)磨損。化學(xué)磨損自身在陶瓷刀具的總磨損量中所占份額通常并不大，但化學(xué)作用可使機(jī)械磨損的程度大大加重，如化學(xué)溶解及松懈作用會致使陶瓷外表強(qiáng)度削弱，加重刀具與工件間的粘結(jié)，然后致使嚴(yán)肅的粘結(jié)磨損和微觀開裂磨損。用Si3N4陶瓷刀具切削AISI 1045鋼時，其磨損率比切削灰鑄鐵時高出兩個數(shù)量級；切削鑄鐵時工件與刀具之間的Fe、Si等元素的互相松懈作用比切削鋼時小得多。切削鋼時，Si3N4陶瓷刀具的磨損首要與刀具和工件間的化學(xué)作用有關(guān)，因?yàn)镾i3N4顆粒的化學(xué)溶解及不斷被從玻璃相中拔除，Si3N4陶瓷刀具表現(xiàn)出很高的磨損率。Si3N4陶瓷刀具切削鋼時的高磨損率首要?dú)w因于以下兩種要素：①Si3N4氧化而在刀具外表構(gòu)成的SiO2層不斷被磨去；②SiO2與工件外表的FeO構(gòu)成低熔點(diǎn)共晶混合物。有人對Sialon陶瓷刀具與鐵基合金間的化學(xué)作用進(jìn)行過專門研討，作用標(biāo)明：在高溫下β′-Sialon 顆粒與鐵基合金發(fā)作化學(xué)反響，硅和氮在鐵基合金中發(fā)作溶解和松懈。鋼中的合金元素對Sialon與鋼之間的反響活性有必定影響，鎳、硅、碳、磷等元素可下降反響活性，而鉻、鉬、鈦、釩等元素則會增大反響活性。
沈陽機(jī)床廠盡管陶瓷刀具的磨損與切削條件靠近有關(guān)，但挑選陶瓷刀具磨損特性的首要要素仍是陶瓷資料的組分和微觀計劃。陶瓷刀具磨損的根柢表象是資料的開裂及搬運(yùn)，因此裂紋的構(gòu)成與拓展將對磨損發(fā)作重要影響。陶瓷刀具資料多為復(fù)相陶瓷，在晶界處存在玻璃相、氣孔、雜質(zhì)等，且各相之間存在熱脹失配和彈性模量的不一樣。晶界氣孔的存在會致使應(yīng)力會集，氣孔作為裂紋源將誘導(dǎo)晶界裂紋，而且因?yàn)闅饪资滓诰Ы缟习l(fā)作，裂紋拓展至氣孔時與氣孔聯(lián)接，然后加立刻裂紋的拓展。Rice等人的研討標(biāo)明：氣孔率的增加使陶瓷刀具的耐磨功用大大下降，彈性模量與熱脹失配所發(fā)作的過大剩余應(yīng)力會致使資料在未受外載時就發(fā)作開裂。因?yàn)槎嗑沾伤拥脑黾觿┰跓Y(jié)進(jìn)程中首要以玻璃相方法存在于晶界上，在高速切削發(fā)作的高溫條件下，玻璃相粘度下降而發(fā)作塑性活動，致使晶界滑移，并在晶界交界處發(fā)作應(yīng)力會集表象。假定應(yīng)力會集使得相鄰晶粒徹底塑性變形，則會使應(yīng)力松懈，假定不能與附近晶界變形相適應(yīng)，則應(yīng)力會集將使晶界處發(fā)作裂紋。裂紋成核后，跟著晶界滑移程度的不斷增加，將會致使裂紋發(fā)作。陶瓷刀具資料晶體中的很多位錯為裂紋成核供給了沈陽機(jī)床廠另一種方法，跟著磨損進(jìn)程的不斷進(jìn)行，位錯不斷增殖，在晶界處就會構(gòu)成更多因位錯而發(fā)作的微裂紋，這些裂紋相接就會構(gòu)成接連裂紋，然后致使陶瓷刀具耐磨功用下降。
沈陽機(jī)床廠3．陶瓷刀具切削加工時的光滑
沈陽機(jī)床廠關(guān)于陶瓷刀具在切削加工中是不是需求光滑其時觀念尚不一起。有些教授以為，陶瓷刀具具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐高溫等特征，且抗熱震性較差，對熱應(yīng)力很活絡(luò)，不恰當(dāng)?shù)睦鋮s作用會使刀具發(fā)作熱裂紋而發(fā)作破損，因此陶瓷刀具切削加工時不需冷卻和光滑即可滿足運(yùn)用需求。但也有不少研討者以為，陶瓷刀具在加工某些難加工資料時如用晶須增韌陶瓷刀具加工鎳基高溫合金，有必要充分運(yùn)用切削液含氯化石蠟的切削液作用非常好。選用恰當(dāng)?shù)睦鋮s和光滑對減小陶瓷刀具磨損、延伸其運(yùn)用壽數(shù)非常有利。
沈陽機(jī)床廠Tonshoff等人研討了Al2O3/TiC陶瓷刀具車削淬硬鋼時光滑劑的作用，切削實(shí)驗(yàn)分別在干切削和不一樣光滑劑光滑條件下進(jìn)行。作用標(biāo)明：刀具的磨損、已加工外表質(zhì)量以及切屑的構(gòu)成均遭到光滑劑的影響。與干切削比照，選用光滑劑的刀具壽數(shù)延伸，工件已加工外表質(zhì)量明顯行進(jìn)。這首要是因?yàn)楣饣瑒┲械臉O壓增加劑在切削條件下與工件外表發(fā)作沖突化學(xué)反響而構(gòu)成了化學(xué)吸附膜。經(jīng)過對光滑切削條件下的工件外表進(jìn)行成分剖析，發(fā)現(xiàn)了含F(xiàn)eS和FePO4等成分的極壓光滑膜，正是這種極壓光滑膜下降了切削沖突力，克制了粘結(jié)的發(fā)作，然后減小了刀具磨損。
Cheryl對Si3N4 / TiC 陶瓷資料在900℃高溫下的沖突磨損實(shí)驗(yàn)研討標(biāo)明：Si3N4和TiC在高溫下發(fā)作氧化，在沖突外表生成含Si和Ti的氧化物保護(hù)膜，可明顯下降沖突系數(shù)，并有利于行進(jìn)資料的耐磨功用。用Si3N4基和Al2O3基陶瓷刀具進(jìn)行鎳基合金的切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干切削條件下刀具失效的首要緣由是嚴(yán)肅的前刀面磨損及切屑在刀具上的粘結(jié)，而運(yùn)用切削光滑劑改進(jìn)了刀具的切削功用，行進(jìn)了切削功率和加工件的外表質(zhì)量。有人曾對多種光滑劑、增加劑對陶瓷—金屬沖突副的光滑作用進(jìn)行了研討，發(fā)現(xiàn)油基切削液比水基切削液更為有用。如運(yùn)用含二烷基二硫化磷酸鋅ZDDP的光滑油進(jìn)行光滑，Si3N4陶瓷刀具切削45鋼時的磨損率與干切削比照可減小兩個數(shù)量級，切削不銹鋼時的磨損率比干切削時可減小一個數(shù)量級。外表剖析發(fā)現(xiàn)，Si3N4及工件的磨損外表上有ZnO、FeS、FePO4等沖突化學(xué)反響產(chǎn)品生成。
沈陽機(jī)床廠作者曾對Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研討，作用標(biāo)明：該陶瓷刀具高速干切削時具有自光滑功用。當(dāng)切削速度較低時，切削溫度也較低，刀具的磨損機(jī)制首要表現(xiàn)為磨料磨損與粘結(jié)磨損；當(dāng)切削速度很高時，刀具外表均勻切削溫度較高，實(shí)習(xí)瞬時最高溫度大于均勻溫度，切削后刀具磨損區(qū)的XRD譜SiC→TiN→TiC→Al2O3→ZrO2。在高溫下SiC在Fe中的溶解度比TiC和TiN的溶解度高兩個數(shù)量級以上。因?yàn)镕e與SiC晶須的化學(xué)反響及互相溶解，使刀具資猜中Fe元素含量增加，進(jìn)一步增大了刀具與工件的粘著傾向，因此對刀具的耐磨功用倒運(yùn)。因此，富含SiC顆粒或SiC晶須的陶瓷刀具不適合加工鋼件。
沈陽機(jī)床廠表1 陶瓷刀具資料組分1323℃時在Fe 中的溶解度
資料組分－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
沈陽機(jī)床廠陶瓷刀具中的資料組分Al2O3和ZrO2在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性好，且與Fe的溶解度很小，不易向工件資猜中松懈及溶解，因此Al2O3/ZrO2具有較好耐磨功用。因?yàn)锳l2O3/ZrO2陶瓷刀具在高溫1170℃以上下ZrO2的增韌作用會明顯減小，所以Al2O3/ZrO2陶瓷刀具不適合溫度較高的高速或超高速切削，只適合在較低切削速度計劃內(nèi)進(jìn)行切削加工，Si3N4基陶瓷刀具適于高速切削鑄鐵，加工鎳基合金也能獲得滿足作用，但切削奧氏體不銹鋼時則磨損嚴(yán)肅。因?yàn)镾i3N4和Fe 之間存在較大親和力以及Si和Fe之間的互相松懈，高速切削發(fā)作的高溫會大大加重Si3N4與這類工件間的化學(xué)作用及元素松懈，加重Si3N4刀具的磨損，所以Si3N4刀具也不適合高速切削純鐵和碳鋼等資料。總的來說，Al2O3基陶瓷刀具具有超卓的耐磨損功用及耐高溫功用均高于Si3N4基陶瓷刀具，且其高溫化學(xué)穩(wěn)定性極好，不易與鐵元素發(fā)作互相松懈或化學(xué)反響，因此Al2O3基陶瓷刀具的運(yùn)用計劃最廣，適于高速切削鋼、鑄鐵及其合金；Si3N4基陶瓷刀具的開裂耐性和抗熱裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，適于斷續(xù)加工鑄鐵及鑄鐵合金；ZrO2增韌陶瓷刀具室溫耐性較高，適于斷續(xù)切削，但不適合溫度較高的高速或超高速切削；增加SiC的陶瓷刀具最適合加工鎳基高溫合金、純鎳和高鎳合金等，但不適于加工鋼和鑄鐵。
沈陽機(jī)床廠5．結(jié)語
沈陽機(jī)床廠綜上所述，不一樣品種的陶瓷刀具或同品種刀具加工不一樣工件時，其磨損形狀不一樣。冷卻與光滑對陶瓷刀具的磨損和刀具壽數(shù)會發(fā)作很大影響，選用恰當(dāng)?shù)睦鋮s和光滑對減小陶瓷刀具磨損、延伸運(yùn)用壽數(shù)非常有利。
在實(shí)習(xí)運(yùn)用中，每一種陶瓷刀具都有其特定的加工計劃，陶瓷刀具與其加工政策之間存在最佳匹配疑問，應(yīng)依據(jù)所加工的工件資料挑選適合的刀具資料，并依據(jù)刀具資猜中是不是富含高溫下易與工件資料發(fā)作松懈及化學(xué)作用的組分來斷定最佳切削用量。
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