陶瓷刀具将大规模替代硬质合金刀具

寂静回声

随着刀具技术和机床技术的相互结合，工件材料与刀具材料的互相促进，航空航天制造业也在不断发展。可以说刀具材料不断发展是航空航天制造业不断发展的驱动力。目前航空航天制造业广泛应用的刀具材料牌号多达上千种，根据刀具材料来划分，不外乎以下几大类：工具钢（碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料。碳素工具钢适于制造手动工具，碳素工具钢T10A和T12A应用较广泛。

航空制造业中，硬质合金刀具所占比重最大。硬质合金刀具在航空制造中是主导刀具，应用范围则相当广泛，在数控刀具材料中占主导地位。硬质合金成为主要的刀具材料，使切削加工实现了向硬质合金时代的过渡，由于不同牌号的硬质合金性能特点不同，因而其应用范围也不同。硬质合金不但可用于制造各种机夹可转位刀具，而且可以制造整体式立铣刀、铰刀、丝锥和钻头等。硬质合金刀具分为普通硬质合金、涂层硬质合金、超细颗粒硬质合金、碳（氮）化钛基硬质合金。

YT类硬质合金具有YG类和YW类的大部分优良性能，在航空制造业应用较广。涂层硬质合金有比基体更高的硬度、耐磨性、耐热性，应用广泛。超细颗粒硬质合金可以大范围地运用于断续切削。碳（氮）化钛基硬质合金主要用于钢件的连续表面的精加工和半精加工。

随着新技术革命的发展，要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本.，特别是数控机床的发展，要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。日前各种高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨和耐高温的难以切削的新材料日益增多。据文献估计，这类材料己占国际上加工总数的50%以上.，硬质合金刀具对其中不少新材料的加工难以胜任。另一方面，现在国际上硬质合金产量己达20000- 25000t。每年消耗大量的金属，如W、Co、Ta和Nb等。这些金属的矿产资源正日益减少，价格上涨，按日前消耗速度，用不了几十年.有些资源将耗尽。陶瓷刀具就是在这样的背景下发展起来的。

早在1912-1913年.英国和德国己出现了氧化铝陶瓷刀具，但其在生产上的应用则始于1950年。由于其强度、韧度低，较长时期内仅限于做连续切削精加工用.，且切削速度和进给量都较低。直到1968年才出现第2代陶瓷刀具-复合氧化铝刀具，在强度和韧度上较之氧化铝刀具有了明显提高，可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件.得到了较广泛的应用。20世纪70年代末到80年代初国际出现了第3代陶瓷刀具-氮化硅陶瓷刀具。这类陶瓷刀具有比复合氧化铝刀具更高的韧性、抗冲击性、高温强度和抗热震性。陶瓷刀片在各工业发达国家的产量增长很快。

我国自20世纪60年代中开始批量生产复合氧化铝刀片，目前年生产量为14-15万片。氧化硅陶瓷刀片虽自20世纪70年代中就开始研究，由于性能欠佳，不能满足需求。近几年来，随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入，使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高，从而使氮化硅陶瓷刀具在我国迅速发展起来。

虽然我国陶瓷刀具的研究水平不比国外差，但实际应用发展较慢。据有关资料报导，目前国内陶瓷刀具占总刀具使用量的比例不超过1%。氮化硅陶瓷刀具是近年来才在生产中推广使用的一种新型刀具。因此，不论在刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面，均缺乏成熟的经验。我国陶瓷刀具在可转位刀具中比重很小，年产量不到硬质合金的0. 1%。从切削性能上看，我国陶瓷刀具正向高硬度合金铸铁粗加工、断续切削方向发展。

陶瓷刀具特点：

1、耐磨性好，可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命；

2、不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；

3、陶瓷刀片切削时与金属摩擦力小，切削不易粘接在刀片上.不易产生积屑瘤.加上可以进行高速切削。所以在条件相同时，工件表而粗糙度比较低。

4、刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；

5、耐高温，红硬性好。可在1200摄氏度下连续切削。所以陶瓷刀具的切削速度可以比硬质合金高很多。可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果；

6、氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta和Nb等重要的金属。

目前我国陶瓷刀具的应用还处于起步阶段，实际应用发展较慢。陶瓷刀具主要用于硬质合金刀具难以切削的工件粗加工。航空制造业推广使用陶瓷刀具的时间不长，在陶瓷刀具的几何参数、切削用量以及使用技术方面需要积累经验。陶瓷材料与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、热硬性和耐磨性。陶瓷刀具化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金，非常适合干式连续高速切削高温合金、淬硬刚、轴承钢、高强度钢等难加工材料。航空发动机中高温合金应用很多，盘轴类零件较多，正是陶瓷刀具发挥其优势的地方。实现高效加工，以陶瓷刀具替代部分硬质合金刀具，是完全可行的。陶瓷刀具不是万能刀具，只有正确使用才能充分发挥其优越性。