用陶瓷刀具切削高硬度材料

HEATS

具有代表性的高硬度材料有模具钢、淬火钢和轧辊等，对这种材料以往大都采用磨削方法进行精加工。现在为了降低生产成本而改用切削加工。

欲实现对高硬度材料进行切削加工，必须具备的条件是刀具硬度应远远高于被切削材料的硬度。此外，由于对高硬度材料进行切削加工时，刀头的温度非常高，所以它还需具备以下各种特性：

• 耐塑性变形性能很好，即高温硬度很好。
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• 化学稳定性很好，即不会与被切削材料、氧气和切削液等发生化学反应，也不会出现热分解现象。
  
• 热传导率很好，即高温刀头不会因热冲击而产生缺损现象。

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以往大都用立方氮化硼(CBN)刀具对高硬度材料进行高速切削和断续切削加工。与立方氮化硼刀具相比，陶瓷刀具的韧性较差，在可靠性方面也稍差一些。但陶瓷刀具的价格比立方氮化硼刀具便宜，所以在降低生产成本方面非常有利。只要在实际使用时注意刀头的形状和选择最合适的切削条件，以保证整个加工过程一开始即进入稳定状态，那么完全可以用陶瓷刀具代替立方氮化硼刀具加工高硬度材料。
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照片1 HC4的纤维组织结构	图1 被切削材料硬度和HC4、HC5的适用范围
照片2 HC5的纤维组织结构

本文着重介紹由日本特殊陶业公司所生产的HC4和HC5陶瓷刀具对高硬度材料进行切削加工时的特点，并以具有代表性的实例说明其效果。

切削高硬度材料的陶瓷刀具

HC4和HC5都属于Al2O3-TiC系的陶瓷，通常人们称这种系列的陶瓷为黑陶瓷。HC5是在原来HC2基楚上增加了硬质相，并实施了微粒化，成为一种耐磨损性和耐缺损性都得到了改善的材料。HC4是在HC5的基础上增加了高融点碳化物，是一种更为微細化的适用于切削高硬度材料的材质。照片1所示是HC4的显微组织结构。照片2所示是HC5的显微组织结构。由此可以说，对高硬度材料进行切削加工的陶瓷材料显微组织结构的关键是存在硬质相和微細化结构。通常HC5可用于对广泛的高硬度材料进行加工。如果被切削材料特別硬，那么用HC4比HC5可更好地发挥其高性能。图1所示是被切削材料的硬度与HC4和HC5的适用范围。
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* d! h' _8 s* _5 j0 {3 [( z' i# f# z4 @' t1 g: e9 g/ p5 ?1 ^9 {1 N2 S$ e+ \, O) y8 u* p8 D" P2 k# A8 w( h4 |; |6 \( C$ _% z# @ ~ v; L/ N5 Y* a D7 @+ ?! w- `' M* Y* H7 H5 N! e5 F, Q) d" s' T/ f* o

表1 各种陶瓷刀具的物理特性

: @& e5 |) G9 k6 R& v		密度 g/cm³	硬度HRA # S/ a7 G* V2 d# ]0 H8 h	抗弯力 (MPa) ) i; z8 m5 D3 P. g	破坏韧性 (MPa·m0.5)杨氏率 (GPa) 6 `9 e6 f( l! E$ l9 o% f
Al2O3系	HC1	0.4 , _! a3 A% D0 B* E) W& s7 [	94.0 . H: k2 ]2 |1 X# k7 ?* K$ V	700	4	400
Al2O3-TiC系 , n8 h3 h9 c" |	HC2 % L @; Y1 @: a/ k$ q	4.3	94.5 6 T! p6 B \$ o	800 9 t+ P6 v. w/ z	5	420 , g! Y7 @$ N6 h
	HC4	4.6 / g" V! E# J8 K8 v* H5 r	95.5	1000	5 ! j* ]8 K) d/ `, [ P	420 6 q" Z+ H% s |2 @
	HC5 5 M1 n# m7 U* e- \1 o" D	4.3	95.0 8 O8 M, c+ Y/ r U$ \	900	5	420 & z' k+ L J; d9 w9 ?- k
TiC系	HC6 + L! e' T1 H H1 J7 p; W* h	4.7	94.0	800	5 # x% T# }7 M |# F0 \2 L; |	450
Si3N4系	SX2	3.2 9 p" C! R5 [' ~$ c6 O" N	93.5 5 a3 g" W* Y+ M( f' D7 \	1100	7 6 y) R0 E! H; a$ x6 O	320

表1所示是各种陶瓷刀具的物理特性。

切削高硬度材料料时刀具的损伤类型

在用陶瓷刀具切削高硬度材料时，刀头处出现的损伤大多数是表面碎裂型损伤，如照片3所示在刀具前面出现贝壳状碎裂。与切削一般材料相比，切削高硬度材料时的切削阻抗较大，特別是背分力较大。这是因为经过连续加工后刀具背面被磨损而使背分力增大。这种背分力的增大则意味背分力和垂直方向的拉伸应力在刀片内起作用，当它们超过刀具材料强度时则就出现碎裂型损伤。
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此外也容易出现刀具前面的月牙洼磨损和刀头失去锋利的缺损。产生这两种类型损伤的主要原因是刀头温度升高。防止这类损伤的方法是适当降低切削速度。綜上所述可知，欲用陶瓷刀具稳定地对高硬度材料进行加工的关键是要不断地抑制那些长时间且稳定地作用于刀片内的最大应力，并使它有所降低。

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照片3 碎裂状缺损

陶瓷刀具切削高硬度材料的推荐切削条件

用陶瓷刀具可切削的被切削材料的最高硬度为HRC65。以往切削硬度较高的材料时，所用的切削速度较慢。这几年用陶瓷刀具切削硬度为HRC65的材料时，切削速度可达到200mm/min。但在切削硬度超过HRC60的材料时，刀具易出现前面所讲的碎裂损伤，这样就缩短了刀具的使用寿命，且加工稳定性也随之下降。为此在切削这材料时推荐使用图1所示稍稍降低的切削速度。另外，用于切削高硬度材料的陶瓷刀片的前缘圆角R应稍大一些。
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最适宜的进給量和切入深度的大致标准如下： ' w5 L$ I9 t4 s" v

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• 进給量≦(1/6)R；
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• 切入深度≦(1/3)R。

式中R是刀具前缘的圆角半径。
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对刀头作最佳处理的探讨

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通常为了抑制陶瓷刀具出现卷刃（刀头出现微少的缺损）而设置倒角和进行圆角R的珩磨。这是在弄清楚刀头处理和损伤类型之间的关系之后，再按不同损伤类型采取对刀头进行处理的相应措施。

用作试验的被切削材料经渗碳淬火达到高于HRC60的硬度，用150mm/min的切削速度进行湿式切削。所用的刀柄是C22L-14，刀片是HC4系列的TNGN332。没有作特別说明时，只使用未经圆角R珩磨的刀片。
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图2 切削阻抗随倒角角度增大的变化(低切削条件)	图3 切削阻抗随倒角量角度的变化(高切削条件) % E3 B, |$ F$ `4 R+ \ I
图4 切削阻抗随倒角量增大的变化(低切削条件) . W: X( ?# U( T7 }5 P' W% e7 x	图5 切削阻抗随倒角量增大的变化(高切削条件)

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图6 刀片的倒角角度对使用寿命的影响

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测量切削阻抗

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刀片倒角量为0.2mm不变的修件下，倒角角度在25°到45°之间变化。图2所示是进給量为0.10mm/rev和切入深度为0.1mm时，切削阻抗随倒角角度增大所发生的变化状況。图3所示是进給量为0.18mm/rev和切入深度为0.2mm时，切削阻抗随倒角角度增大所发生的变化状況。由图2中可见，当切削条件较低时，切削阻抗随倒角角度的增大只发生较小的变化。而从图3中可见，当切削条件较高时，切削阻抗随倒角角度的增大迅速上升，特別是背分力的升高更为明显。
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另一种试验是倒角角度保持35°不变，倒角量则在0.1到0.3mm之间变化。图4所示是进給量为0.1mm/rev和切入深度0.1mm时，切削阻抗随倒角量的增大所发生的变化。图5所示是进給量为0.18mm/rev和切入深度为0.2mm时，切削阻抗随倒角量的增大所发生的变化状況。由图中可见，不论是低切削条件还是高切削条件，切削阻抗随倒角量的增大只发生很少的变化。

由此可知，切削阻抗的变化主要取决于倒角角度的大小，而与倒角量的大小变化基本上没有关系。

开始加工到刀具出现损伤的时间

图6所示是在4种不同切削条件下，刀具倒角量保持0.2mm不变，倒角角度在25°到45°之间变化时，测量从开始加工到刀具出现损伤的时间。由图中可以看出，在进給量为0.1mm/r，切入深度为0.1mm的切削条件下，到刀具出现损伤的加工时间与刀具的倒角角度无关，且刀具的使用寿命为最长。随着进給量成切入深度的增大，到刀具出现损伤的加工时间随倒角角度的增大发生明显的变化。其变化特点是刀具倒角角度为35°时的使用寿命最长。在25°到35°范围内所出现的损伤类型是刀头处出现微少的卷刃。而在35°到45°范围内出现的损伤如图7所示，是在倒角度上部出现碎裂损伤。从不同类型的损伤可知，不论是何种切削条件，刀具出现初期损伤的刀片倒角角度基本上是同一角度。
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由另一方面试验可知，在倒角角度保持一定的条件下，倒角量在0.1到0.3mm之间变化，在各种切削条件下，刀片的使用寿命基本上无多大变化。
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图7 倒角上部的碎裂

图8 圆角珩磨提高使用寿命

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刀片圆角珩磨对使用寿命的影响

前面已经讲过，在高切削条件下不论对刀头角度设置成多少度，在加工初期即可明显地看到损伤，因而不可能希望刀具有很长的使用寿命。但对刀片实施圆角R的珩磨之后，即可使刀具的使用寿命达到原来的3倍，如图8所示。这主要是对刀片实施圆角R的珩磨之后，可在加工初期即实现无损伤地稳定在某一常数处进行加工。现在，HC4刀片是以经过圆角R珩磨的状況为标准规格。 8 s! N* J: u2 h0 u6 M" m# e

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按刀片的损伤类型提高使用寿命的方法

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4 f u: \/ C4 b4 _' C* V& c, ~& v( I $ y7 ?- b- o% R 表2 刀片损伤类型和刀片角度的处理方法 　 加工效率(切入深度×进给量) 7 y& P. a1 |1 @! R( f# k 小 中 大 刀头角度处理 " {+ Y8 U) P) r/ i 小 无卷刃 可提高效率 - P! y% z) p2 C, S4 T c 出现卷刃 加大倒角角度 早期缺损 需降低效率 中 3 d& U" e- B% J( ^ 无卷刃 可提高效率 使用高效率加工条件 有较长的使用寿命 早期缺损 需降低效率 8 u! l; v* x- R7 P+ [ 大 无卷刃 可提高效率 1 Y6 Y. p. ?; P2 m9 h, t 倒角上部出现碎裂缺损 ; O" d6 A O$ c+ P: p' t& p 减少倒角角度早期缺损 需降低效率 . z' b- \) }& S: e' W! ^

9 D3 N) s/ x: ?' t$ ~' [- ^ P$ p7 s8 S& Y+ [. z) ^# m3 A7 |) L/ Y2 e, r. o0 |; l* I Y5 B0 N6 c" \ 表3  实施圆角R珩磨对刀片寿命的影响 项目 $ t% t3 p; L1 l# O2 s i 不实施珩磨 实施珩磨 8 q% P% L B0 ~- E# b* w6 g: n- h0 ^ 后面磨损量 9 j. g0 ]% B/ }) Q2 d6 _ 小 稍大 卷刃 . B! o& `3 S$ R; e5 p( Y 调换刀片后 可能出现卷刃 调换刀片后 可减少卷刃 使用寿命 - ?) e) ~3 n6 \& E$ a 不稳定 / Q( C* J* m# s/ ] 稳定

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用ZC4加工齿圈 ! W7 @- F0 N6 ?, W, e v, q	用ZC4加工半轴齿轮 , |# u1 o I8 B# O9 M3 L$ u
1 V" l! `% M/ N- _& s8 f 用HC4加工半轴齿轮	- @4 K9 ~6 X. e9 Q' M! F* \+ p 用HC5加工半轴齿轮 % ?0 H0 H j' U. V+ N( J
) K& i1 E8 v' A+ m5 B* Q9 u% o( e 用HC5加工轧辊 / j! u, t9 q9 h' u+ w- S, K	$ X6 t' G a+ n# k 用HC5加工齿轮

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当刀具出现上述类型损伤时，则需将刀头角度处理到最佳状态，一般都可以用珩磨圆角R的方法来加以改善。参考表2、3所示的方法可提高刀具的使用寿命。如果对刀头的角度进行处理之后还不能延长其使用寿命，那么应该考虑切削条件是否适当，选用最适宜的进給量和切入深度。

陶瓷刀具切削高硬度材料的加工实例

采用HC4刀片加工

采用ZC4刀片加工图9中所示齿圈。ZC4刀片是在HC4刀片上涂覆后的产品。与HC4相比，ZC4的耐磨损性得到了改善。对一般黑陶瓷来说，用ZC4加工硬度特別高的材料时，其性能也很好，使用寿命是原来刀片的2倍。
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用ZC4加工图10中所示半轴齿轮。这时ZC4的使用寿命也是一般黑陶瓷的2倍。

图11所示是淬火后的曲轴轴颈部分，以往用立方氮化硼(CBN)刀片加工。现在改用HC4刀片加工，仅刀片一双角的加工量就与立方氮化硼刀片的加工量相同。这意味着四双角的加工量可使总加工数达到四倍。加之陶瓷刀片的价格比立方氮化硼刀片便宜得多，所以可大幅度地降低生产成本。

采用HC5刀片加工
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图12所示半轴齿轮的材质是黑皮渗碳钢，用HC5刀片加工时，其使用寿命为一般黑陶瓷刀片的2倍。由于工件表面很粗糙且有较大余量，否则还可以进一步提高HC5刀片的使用寿命。因对刀片进行了圆角R珩磨，所以可防止出现卷刃现象。

图13所示的零件是轧辊。以往加工轧辊时刀片使用寿命较短的原因是加工不久即出现缺损。现在改用防止缺损性能很好的HC5之后，其使用寿命为以往刀片的2倍，且可以实现稳定地加工。

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对图14齿轮的加工是一个成功地提高断续加工时刀片使用寿命的实例。使用耐卷刃性能很好的HC5加工时，其使用寿命为一般黑陶瓷的2倍。 ! b+ X5 b+ t" w; k _. @

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以上介紹说明了只要对陶瓷刀片的卷刃和缺损等损伤类型来取有效的措施，就可以用这种刀片来加工高硬度材料，从而达到降低生产成本的目的。预计今后的机械加工还要进一步向高效率方向发展，所以还将开发各种新刀具的材料，并向用户提供最佳的刀片形状，从而再进一步提高刀具的使用寿命满足用户的需求。

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