金屬陶瓷材料異軍突起 切削加工刀具挑戰(zhàn)未來(lái)

肖永清

陶瓷刀具是現(xiàn)代金屬切削加工中的一種新型材料刀具。它不僅能提高生產(chǎn)效率，加工普通刀片不能加工的超硬材料,而且是現(xiàn)有各類(lèi)刀具的補(bǔ)充,是刀具家族中一支新生力量，在機(jī)械加工行業(yè)中占有十分重要的地位。由于我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)對(duì)現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)刀具的差別缺乏足夠認(rèn)識(shí)，長(zhǎng)期以來(lái)重主機(jī)、輕工具，使我國(guó)工具技術(shù)發(fā)展和行業(yè)水平與現(xiàn)代制造業(yè)的要求相去甚遠(yuǎn)。在一般要求的車(chē)削加工中,硬質(zhì)合金是各機(jī)械制造廠首選的刀具材料，但在某些精加工場(chǎng)合，傳統(tǒng)硬合金刀具材料的耐磨性和刃口的鋒利程度很難同時(shí)滿足工件的小尺寸公差、高表面質(zhì)量和高生產(chǎn)效率的要求，選用金屬陶瓷刀具則是解決這一難題最直接和有效的方法，應(yīng)當(dāng)引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

1 金屬陶瓷刀具的性能特點(diǎn)及功用

金屬陶瓷又稱為鈦基硬質(zhì)合金(亦稱為“瓷金”、“陶金”等)，它具有優(yōu)良的機(jī)械力學(xué)性能及高溫性能，既具有陶瓷材料的高硬度，又具有金屬材料的強(qiáng)韌性，而且價(jià)格相對(duì)較為低廉。但長(zhǎng)期以來(lái)，金屬陶瓷作為切削刀具材料的應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其它同類(lèi)硬質(zhì)合金那樣廣泛。近年來(lái)，金屬陶瓷刀具材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用正在逐漸受到重視，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。

由于金屬陶瓷的高溫性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金。與硬質(zhì)合金比較，金屬陶瓷具備以下性能特點(diǎn)：

刀具后刀面的摩擦磨損主要由刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起，與刀具的硬度和高溫硬度直接相關(guān)。金屬陶瓷刀片硬度高，紅硬性好，因此其后刀面耐磨性較好。高硬度也是提高刀具前刀面耐磨性的重要因素。

材料的表面自由能與其熱焓值、表面張力等有關(guān)，是表征材料表面性能的基礎(chǔ)指標(biāo)，它也是表征材料表面在高溫條件下的化學(xué)穩(wěn)定性，材料表面自由能的負(fù)值越大，其化學(xué)性能越穩(wěn)定。切削鋼時(shí)，刀具前刀面磨損的主要形式為月牙洼磨損，磨損速度與刀具材料高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性、刀具材料物質(zhì)熔入鐵中的固溶度等密切相關(guān)。由于金屬陶瓷的表面自由能、熔入鐵中固溶度和材質(zhì)間的擴(kuò)散反應(yīng)均低于硬質(zhì)合金，因此金屬陶瓷刀具前刀面抗月牙洼磨損的能力也優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具。材料表面自由能越低(G負(fù)值大)，化學(xué)穩(wěn)定性越好，材料抗氧化能力也越強(qiáng)。刀具的邊界磨損主要發(fā)生在切深邊界與空氣相接觸處，該處因氧化劇烈易形成溝狀磨損。金屬陶瓷的抗氧化性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金。

陶瓷刀具在金屬切削加工中，顯示出以下優(yōu)越性：可加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料，如硬度達(dá)HRC65的各類(lèi)淬硬鋼和硬化鑄鐵，因而可免除對(duì)材料進(jìn)行退火處理所消耗的電力以及對(duì)材料性能造成的損害，并可提高工件的硬度，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命;不僅能對(duì)高硬度材料進(jìn)行粗、精加工，也可進(jìn)行銑削、刨削、斷續(xù)切削和毛坯拔荒粗車(chē)等沖擊力很大的加工;刀具耐用度比傳統(tǒng)刀具提高幾倍甚至幾十倍，可減少加工中的換刀次數(shù)，保證被加工工件的高精度和表面質(zhì)量;可進(jìn)行高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車(chē)代磨”、“以銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具提高3～10倍，達(dá)到節(jié)約工時(shí)、電力、機(jī)床數(shù)30%～70%或更高的效果。但目前金屬陶瓷材料的主要性能缺陷也還表現(xiàn)在：韌性不足，抗機(jī)械沖擊性能較差。因此金屬陶瓷刀片不適合用于斷續(xù)切削、硬材料切削和帶黑皮冷硬層工件的切削;導(dǎo)熱性差。因此金屬陶瓷刀片的耐熱應(yīng)力變化能力差，易產(chǎn)生熱裂紋，故不宜用于濕式切削和硬材料切削。通過(guò)與硬質(zhì)合金刀具材料的比較分析可知，金屬陶瓷刀具材料具有如下特點(diǎn)：可適應(yīng)從低速到高速的切削加工；使用壽命較長(zhǎng)；加工表面質(zhì)量較高；價(jià)格較為低廉；可解決鎢資源匱乏的問(wèn)題。

陶瓷刀具是用特種陶瓷粉末材料，采用科學(xué)配方，通過(guò)特殊生產(chǎn)工藝，使用現(xiàn)代化設(shè)備生產(chǎn)制造出來(lái)的。其特點(diǎn)為高硬度、高強(qiáng)度、高紅硬性、高耐磨性及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)等，其切削加工效率為普通硬質(zhì)合金的3～9倍。其普遍適用于機(jī)械加工中的車(chē)、銑、鏜、刨等機(jī)床的粗、半精及精加工，更加適合于各類(lèi)CNC數(shù)控車(chē)，銑床及加工中心等現(xiàn)代化機(jī)床的使用。高硬度陶瓷刀片的常溫硬度值已超過(guò)了最好的硬質(zhì)合金刀片硬度，而達(dá)到92.5～94 HRA，這就大大提高了切削能力和耐磨性。它可以加工硬度高達(dá)65HRC的各類(lèi)淬硬鋼和硬化鑄鐵，從而減少了退火工序，節(jié)省了電力。

優(yōu)良的耐磨性不僅延長(zhǎng)了刀具的切削壽命，而且還減少了加工中的換刀次數(shù)，從而降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了生產(chǎn)效率。高強(qiáng)度陶瓷刀片的抗彎強(qiáng)度，目前已可達(dá)到600～900 MPa，其抗壓強(qiáng)度已超過(guò)了高速鋼而接近普通硬質(zhì)合金。高抗高溫氧化性陶瓷刀片的耐熱性和抗高溫氧化性良好，即使在1 100～1 400 ℃切削高溫時(shí)，仍能保持較高硬度、強(qiáng)度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間切削。因此加工速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具，實(shí)現(xiàn)高速切削。其切削速度可比硬質(zhì)合金刀具提高3～10倍，因而能大幅度提高生產(chǎn)效率。

斷裂韌性值是評(píng)價(jià)陶瓷刀片抗破損能力的重要指標(biāo)之一，它與材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝等因素有關(guān)。陶瓷刀片斷裂韌性接近某些牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀片，因而具有良好的抗沖擊能力。尤其在進(jìn)行銑、刨、鏜削及其他斷續(xù)切削時(shí)，更能顯示其優(yōu)越性。高抗熱震性陶瓷材料的抗熱震性是指在承受急劇溫度變化時(shí)，評(píng)價(jià)抗破損能力的重要指標(biāo)。由于強(qiáng)度高，較低熱膨脹系數(shù)而明顯優(yōu)于其他刀片，因而在高強(qiáng)度斷續(xù)零件的毛坯加工方面，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。

金屬陶瓷刀具適用于加工材質(zhì):各類(lèi)淬硬鋼(58～65 HRC);冷硬鑄鐵(80～90 HS);高錳鋼;鎳(Ni),鉻(Cr)合金;各類(lèi)鑄鐵(200～400 HB);各類(lèi)非金屬材料，石墨，陶瓷素坯，玻璃鋼，耐火材料等。

與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具相比較，金屬陶瓷刀具在用于精加工時(shí)有兩方面的優(yōu)點(diǎn)特別突出：一是切削刃均勻磨損，切削刃有再磨銳效應(yīng)；二是化學(xué)性能穩(wěn)定性。在國(guó)外，金屬陶瓷發(fā)展迅猛，應(yīng)用比例在擴(kuò)大，如日本金屬陶瓷刀具已占可轉(zhuǎn)位刀具的三分之一。

隨著我國(guó)機(jī)床裝備水平的不斷發(fā)展和對(duì)工件加工的尺寸精度，表面粗糙度要求的不斷提高，金屬陶瓷在精細(xì)車(chē)削加工領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越受到機(jī)械制造廠家的重視。盡管歐美、日韓、甚至臺(tái)灣的刀具制造廠都推出了各自系列的金屬陶瓷刀具產(chǎn)品，但我國(guó)相當(dāng)一部分制造廠的車(chē)削精細(xì)細(xì)加工還是停留在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金加工的水平。從目前以我國(guó)的情況來(lái)看，金屬陶瓷刀具的應(yīng)用主要有3方面問(wèn)題需要解決：①能否勝任工件尺寸精度要求高，且大批量生產(chǎn)的要求。②是否適用工件表面質(zhì)量要求高，但材料粘軟的工件的精加工,如低碳鋼，低合金鋼，不銹鋼的精加工。③對(duì)于有斷續(xù)車(chē)削的精加工是否合適。

2 金屬陶瓷刀具磨損的原因及對(duì)機(jī)床的要求

金屬切削加工是工業(yè)生產(chǎn)中最基本、最廣泛、最高水平，直接關(guān)系到機(jī)械加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量和制造工藝，直接影響工業(yè)生產(chǎn)效率及成本消耗。金屬切削刀具作為切削加工的基礎(chǔ)裝備之一，其發(fā)展成本對(duì)機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展速度起著關(guān)鍵性的作用。隨著新刀具材料如陶瓷、人造金剛石、立方氮化硼、涂層硬質(zhì)合金等的出現(xiàn)，金屬切削及刀具技術(shù)作為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)工藝及裝備，也進(jìn)入了以發(fā)展高速切削，開(kāi)發(fā)新的切削工藝、加快刀具結(jié)構(gòu)變革為特征的發(fā)展新階段。

通常刀具的失效形式分為磨損和破損兩類(lèi)。有研究表明，金屬陶瓷刀具切削加工時(shí)的磨損與所加工的工件材料和切削條件密切相關(guān)，在不同的切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，占主導(dǎo)地位的磨損機(jī)制有所不同。從根本上看，決定金屬陶瓷刀具磨損的主要原因是其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。陶瓷材料所固有的脆性是導(dǎo)致其磨損的主要原因。從材料的微觀結(jié)構(gòu)上看，金屬陶瓷刀具磨損的基本現(xiàn)象是材料的斷裂及轉(zhuǎn)移。因此，裂紋的形成與擴(kuò)展對(duì)金屬陶瓷刀具的磨損會(huì)產(chǎn)生重要影響。由于金屬陶瓷材料為復(fù)相結(jié)構(gòu)，在晶界存在氣孔和雜質(zhì)等缺陷，并且各相之間存在熱脹失配和彈性模量的差別。

晶界氣孔的存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，氣孔作為裂紋源將誘導(dǎo)晶界裂紋，裂紋擴(kuò)展至氣孔時(shí)與氣孔連接，其結(jié)果加速了裂紋的擴(kuò)展。彈性模量與熱脹失配產(chǎn)生的過(guò)大殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料在未受載荷時(shí)就產(chǎn)生開(kāi)裂，氣孔率的增加使金屬陶瓷刀具的耐磨性能大大降低。

在常規(guī)材料中加入納米粉體可制備出納米復(fù)相陶瓷材料，同時(shí)可提高材料的強(qiáng)度和韌性。研制的納米改性金屬陶瓷刀具材料，是添加TiN的Ti(C,N)基金屬陶瓷，其中TiN是納米級(jí)的微粉。

納米TiN改性TiC基金屬陶瓷刀具的基礎(chǔ)成分主要有：TiC、TiN、WC、Ni、Co、Mo、C、TiC、TiN及WC是金屬陶瓷刀具的硬質(zhì)相，Ni為主要的粘結(jié)相，由于Co具有比Ni更高的韌性和硬度，與硬質(zhì)相潤(rùn)濕好，能減少合金孔隙度，故以Co取代部分Ni可使金屬陶瓷具有高硬度和高強(qiáng)度的良好匹配。而Mo能顯著改善液態(tài)金屬對(duì)硬質(zhì)相的潤(rùn)濕性，燒結(jié)時(shí)能抑制碳化物相晶粒的長(zhǎng)大，對(duì)燒結(jié)后金屬陶瓷的性能影響也很大。所制備的金屬陶瓷刀片主要有三角形和正方形，該刀片主要用于車(chē)削加工。納米改性金屬陶瓷刀具材料的力學(xué)性能介于WC基硬質(zhì)合金和非金屬陶瓷之間，其硬度比WC基硬質(zhì)合金高，但比非金屬陶瓷低；而其抗彎強(qiáng)度則要比WC基硬質(zhì)合金低，高于非金屬陶瓷。

鑄鐵材料為脆性材料，切屑為崩碎切屑，切削時(shí)沖擊力大，切屑與前刀面的接觸面積小，單位壓力大，因此刀具易受沖擊；切削速度比鋼低，否則刀具會(huì)由于崩刃而不能使用。由不同刀具材料的磨損對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：在所選切削條件下，納米改性金屬陶瓷刀具的切削性能不如YG8刀具好。納米改性金屬陶瓷刀具切削灰鑄鐵時(shí)，使用壽命不如切鋼時(shí)高，納米改性金屬陶瓷刀具的切削性能在切削鑄鐵時(shí)比YGS刀具材料切削性能要差，因此納米改性金屬陶瓷刀具材料在加工灰鑄鐵時(shí)優(yōu)勢(shì)不大。

由于納米改性金屬陶瓷刀具表現(xiàn)出較好的導(dǎo)熱性能，因此這類(lèi)刀具在加工不銹鋼這類(lèi)導(dǎo)熱性差、韌性好的難加工工件材料時(shí)，也有很好的切削性能。在高速切削時(shí)表現(xiàn)出良好的切削性能，因此納米改性Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具不失為一種理想的用于高速切削加工的刀具，而且隨著此類(lèi)刀具的強(qiáng)韌性不斷提高，使用范圍會(huì)不斷擴(kuò)大。在納米改性金屬陶瓷刀具的制備中，由于納米粉的添加量占整個(gè)材料成分的比例較少, 因此刀具的成本提高不大，其性能價(jià)格比和未加納米的金屬陶瓷刀具相比則有較大提高。

陶瓷刀具材料對(duì)沖擊和振動(dòng)載荷比較敏感。新一代的陶瓷刀具材料雖然在耐沖擊和抗振性方面有了很大進(jìn)步，但是也未從根本上改變其弱點(diǎn)。實(shí)踐證明，適于陶瓷刀具加工的機(jī)床必須具有良好的剛性、足夠的功率和高的轉(zhuǎn)數(shù)。從國(guó)內(nèi)目前機(jī)床情況來(lái)看，中型機(jī)床在精、半精加工時(shí)這3方面都可基本滿足要求。對(duì)淬硬鋼或硬鎳鑄鐵等難加工材料的加工，由于其選用的切削速度較低，即使采用陶瓷刀具來(lái)加工，其功率也是足夠的。而在普通鋼材或鑄鐵精加工時(shí)，往往這三方面都不容易滿足。所以國(guó)外在汽車(chē)工業(yè)中都設(shè)計(jì)專用機(jī)床用陶瓷刀具加工汽車(chē)零件。重型機(jī)床的剛性好，有足夠的轉(zhuǎn)速及功率，只要使用得當(dāng)，在重型工業(yè)的加工中，采用陶瓷刀具的成功率往往比較高。另外，在分析機(jī)床剛性時(shí)，一定要注意的是機(jī)床-工件-刀具工藝系統(tǒng)剛性，而不是孤立的一臺(tái)機(jī)床的剛性。例如：必須要考慮工件的剛性、夾具的剛性、頂尖剛性及刀具剛性、刀具中心高是否與加工工件中心一致等。任何環(huán)節(jié)的剛性不足和操作不當(dāng)，都將大幅度地降低陶瓷刀具的切削性能和效率。使用陶瓷刀具的機(jī)床，即使一時(shí)不太理想時(shí)，也必須對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行認(rèn)真檢修，使之符合一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)才使用，切忌使用那些年久失修，快散架的機(jī)床。

對(duì)于那些硬度高而形狀不規(guī)則的毛坯，應(yīng)注意必須先倒角后再用陶瓷刀具切削(倒角可用硬質(zhì)合金刀具在低速下進(jìn)行)。毛坯切入處的倒角，可避免陶瓷刀具剛接觸工作時(shí)，承受過(guò)大的沖擊載荷(一般倒角的角度最好略小于刀具的主偏角)，造成初始損壞。毛坯切出處的倒角，主要是為避免陶瓷刀具切離零件時(shí)被留下的一圈料邊打壞。要知道高速轉(zhuǎn)動(dòng)的高硬毛坯的任何一點(diǎn)毛邊，都有可能打壞陶瓷刀具，而從已車(chē)圓了的毛坯開(kāi)始切削，卻可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地切削，所以千萬(wàn)不要忽略了倒角這一“小”問(wèn)題。

陶瓷刀片的厚度、刀尖圓弧、半徑、刀尖的角度是影響刀具強(qiáng)度的因素。刀片的厚度越小，強(qiáng)度越低；刀尖圓弧半徑越大，強(qiáng)度越好；刀尖的角度越小，強(qiáng)度越低。原則上粗車(chē)時(shí)選用厚度大，刀尖圓弧半徑大，刀尖角度大。反之選用小厚度、小半徑、小角度來(lái)精加工。

在切削過(guò)程中，判定刀具切削性能的優(yōu)劣，往往從刀具切削部分的材料、幾何形狀和刀具結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，而刀具材料的分析則以傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金為主要研究對(duì)象。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具很難勝任或根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)某些高強(qiáng)度、高硬度材料的加工，而陶瓷刀具由于具有很好的耐磨性、紅硬性，適干加工高硬材料。即使在1 200～1 350 ℃的高溫下仍能繼續(xù)切削，且與金屬親和力小，切屑不易粘刀，不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度值小。它還可以進(jìn)行高速切削，減少換刀次數(shù)和由于刀具磨損而引起的尺寸誤差，大大提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，因而受到人們的重視。根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料報(bào)道，陶瓷刀具在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展應(yīng)用非常快，有的已達(dá)到刀具總構(gòu)成比的10%以上。美國(guó)用熱壓陶瓷刀具加工冷硬鑄鐵(HRC66)和高溫合金時(shí)，采用的切削用量很高，大大提高了生產(chǎn)率。我國(guó)雖然在陶瓷刀具研究水平上不比外國(guó)差，但實(shí)際應(yīng)用發(fā)展較慢，在精密加工中應(yīng)用更少。陶瓷刀具有許多優(yōu)點(diǎn)，雖然所適應(yīng)的加工材料及切削速度范圍要比一般硬質(zhì)合金刀具大得多。但是，隨著被切削零件情況的變化，其切削性能也會(huì)出現(xiàn)較大的變化，因此，必須針對(duì)所切削零件的材料特性及結(jié)構(gòu)情況來(lái)優(yōu)選最佳的陶瓷刀片型號(hào)。陶瓷刀具是以地殼中最豐富的元素硅(Si)等為原料，陶瓷刀具具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 金屬陶瓷刀的發(fā)展是切削加工領(lǐng)域的又一次革命

陶瓷材料是21世紀(jì)最有希望、最有競(jìng)爭(zhēng)力的刀具材料，它的發(fā)展將有可能引起切削加工領(lǐng)域的又一次革命。雖然人們?cè)趪L試過(guò)程中獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，但還需要進(jìn)一步試驗(yàn)拓寬加工材料的品種，只有掌握好陶瓷刀具的性能，才能更好地應(yīng)用于高溫合金的加工。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)，材料性能不斷提升，難加工材料(高溫合金)的數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的問(wèn)題。陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能和耐熱性能好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)的特點(diǎn)，已成為高速切削高溫合金的主要刀具材料之一。而且陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質(zhì)合金刀具高8～10倍，能夠大幅度提高切削效率。當(dāng)前，新型陶瓷刀具不斷出現(xiàn)，有專家預(yù)計(jì)，在世界范圍內(nèi)陶瓷刀具在機(jī)械加工刀具中所占比例將達(dá)15%～20%。它的發(fā)展將可能引起切削加工領(lǐng)域的又一次革命。

高溫合金(主要指鎳基或鈷基合金)在高溫下具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和防蠕變性，常溫下硬度高(可達(dá)hrc35～47)，韌性很好。但與普通鋼件相比，其機(jī)械加工性能較差，切削過(guò)程需要消耗更多的能量。

21世紀(jì)初，我國(guó)大量購(gòu)進(jìn)數(shù)控設(shè)備，逐步淘汰了普通機(jī)床，可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具逐步取代了傳統(tǒng)的焊接刀具，生產(chǎn)效率得到前所未有的提高。近10年來(lái)，應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具加工鈦基、鎳基和鈷基高溫合金得到廣泛普及，硬質(zhì)合金材料在低于600 ℃的工作溫度下所表現(xiàn)出來(lái)的高硬度及高韌性使之成為切削高溫合金及鈦合金非常理想的的刀具。但硬質(zhì)合金刀具有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，其熔點(diǎn)約為1 200 ℃，當(dāng)切削區(qū)溫度高于800 ℃時(shí)，刀刃的強(qiáng)度和硬度會(huì)大幅下降，磨損加劇，甚至難以完成正常切削。因此，應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具切削高溫合金材料時(shí),為避免切削區(qū)溫度過(guò)高,線速度只能維持在40 m/min左右。對(duì)加工余量較大的零件，由于緩慢的切削速度，金屬去除率很低，占機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，生產(chǎn)成本大大增加，這使得現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。隨著新型發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，新材料不斷涌現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀具已經(jīng)很難適應(yīng)。因此，尋找一種更加理想的切削刀具已成為當(dāng)務(wù)之急。

早在20年前，發(fā)達(dá)國(guó)家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)就開(kāi)始采用陶瓷刀具加工高溫合金材料。陶瓷材料最大特點(diǎn)就是熔點(diǎn)高，1 200 ℃時(shí)硬度不會(huì)下降很多，是一種非常理想的取代硬質(zhì)合金刀具實(shí)現(xiàn)高速切削的材料。而在我國(guó)，由于種種原因，此類(lèi)刀具的使用還未廣泛普及。切削加工中的切屑成形是一種典型的大變形過(guò)程,涉及到材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性問(wèn)題,在高速切削過(guò)程中還涉及到熱力藕合問(wèn)題。

應(yīng)用陶瓷刀具實(shí)現(xiàn)高速切削的核心，就是要充分利用陶瓷材料的高溫特性，提高切削速度，使切削熱量不斷聚積，切削區(qū)溫度升高，軟化切屑，使切削變得很容易。盡管陶瓷材料與硬質(zhì)合金材料相比，其韌性與耐磨性相差很多，但其高溫穩(wěn)定性是硬質(zhì)合金刀具遠(yuǎn)達(dá)不到的。因此，提高線速度是增加切削區(qū)溫度最有效的方法。理論上說(shuō)，陶瓷刀具的切削速度和金屬去除率應(yīng)是硬質(zhì)合金刀具的5～10倍甚至更多。

金屬陶瓷材料在鋼材切削中具有優(yōu)異耐磨性、高韌性和良好的抗塑性變形能力，促進(jìn)了金屬陶瓷的發(fā)展。目前，在歐、美、日市場(chǎng)銷(xiāo)售的金屬陶瓷絕大部分均是以Ti(C,N)基為基礎(chǔ)的金屬陶瓷。瑞典山特維克公司開(kāi)發(fā)的無(wú)鎳金屬陶瓷，它具有環(huán)保、耐沖擊、耐磨和抗塑變特性，主要應(yīng)用于軟鋼材、不銹鋼和鑄鐵的精加工、超精車(chē)、高速小切深，實(shí)現(xiàn)高光潔度表面和嚴(yán)格尺寸公差。目前，作為功能材料的金屬陶瓷發(fā)展主要集中3方面：①超細(xì)晶粒和納米級(jí)金屬陶瓷。由于超細(xì)晶粒和納米級(jí)金屬陶瓷比常規(guī)金屬陶瓷具有更高的強(qiáng)韌性、硬度、耐磨性等綜合性能，因此受到了世界各工業(yè)大國(guó)的廣泛關(guān)注。金屬陶瓷材料在作為刀具材料的發(fā)展方面還包括了金屬陶瓷與表面涂層相結(jié)合的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。②梯度金屬陶瓷的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。由于一些金屬陶瓷制品在使用時(shí)，不同工作部位往往有不同的性能要求，若采用現(xiàn)有的耐熱金屬、陶瓷或金屬陶瓷等單一材料都難以滿足這種工作條件，而采用陶瓷金屬層狀結(jié)構(gòu)又會(huì)引起界面處的熱應(yīng)力集中，這就需要開(kāi)發(fā)熱應(yīng)力緩釋型金屬陶瓷，即梯度金屬陶瓷，它是一種由于組織連續(xù)變化引起性能緩變得功能復(fù)合材料。這種材料可用作航天飛機(jī)的熱防護(hù)材料、核反應(yīng)堆的內(nèi)壁材料、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室材料和梯度刀片材料等。③精加工是決定機(jī)加工零件質(zhì)量的最終工序，有時(shí)甚至是唯一工序。對(duì)精加工來(lái)說(shuō)，刀具的加工精度和耐磨性才是重要的。因此，粗加工，甚至半精加工在某種程度上可以說(shuō)是把金屬去除率和機(jī)床怠工時(shí)間作為主要影響加工經(jīng)濟(jì)性的因素。然而，精加工更關(guān)注加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，用傳統(tǒng)的、基于刀具使用壽命和金屬去除率方法來(lái)計(jì)算加工經(jīng)濟(jì)性的話，并不能完全反映真實(shí)狀況。

切削刃的可靠性和刀具壽命的可預(yù)見(jiàn)性是精加工需要考慮的關(guān)健因素，尤其是在大規(guī)模和大批量的生產(chǎn)中，工件的最終尺寸和表面質(zhì)量在數(shù)控機(jī)床高速切削的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，切削過(guò)程中無(wú)法人為控制。其它要考慮的因素包括加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機(jī)床刀夾具的狀態(tài)、工件的加工狀態(tài)及數(shù)控程序的編程方式。是否使用快換的模塊式刀具也是縮短機(jī)床怠機(jī)時(shí)間的重要因素之一。

切削速度也是影響精加工經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一，提高粗加工工序的經(jīng)濟(jì)性意味著有更高的金屬去除率和用更高的切削速度。對(duì)于精加工工序來(lái)說(shuō)，其對(duì)工件精確度的要求限制了加工的進(jìn)給量。精加工的加工余量相對(duì)較少，因而金屬去除率并非需要考慮的決定性因素，背吃刀量對(duì)表面粗糙度的影響并不明顯。一個(gè)工序的切削時(shí)間等于工件的切削長(zhǎng)度除以進(jìn)給和轉(zhuǎn)速，切削速度又與主軸轉(zhuǎn)速成比例，如果車(chē)床的主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)的話，可以通過(guò)提高切削速度來(lái)減少加工切削時(shí)間。因而提高精加工工序生產(chǎn)率的主要方式就是通過(guò)調(diào)整切削速度。

材料的加工性能影響車(chē)削精加工刀具性能的最主要因素為工件材料、工件表面狀況和工件的形狀。隨著鍛造技術(shù)，鑄造技術(shù)和粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)地，對(duì)應(yīng)用于精加工工序的刃口的要求也不斷地提高。

低碳鋼盡管硬度低，延展性好，但卻有粘刀的趨勢(shì)，斷屑困難，所以低碳鋼的切削性能并不好。積屑瘤會(huì)影響到刀具的使用壽命和工件的表面質(zhì)量。含碳量增加可以改善材料的切削性能，但同時(shí)又加劇了磨粒磨損的程度。合金鋼通常比碳鋼的強(qiáng)度要好，盡管容易加工，但對(duì)切削刃的韌性有更高的要求。各種合金元素和不同的熱處理工藝使得合金材料的結(jié)構(gòu)和硬度都不一樣。不同灰鑄鐵的拉伸強(qiáng)度不一樣，但通常被認(rèn)為是容易加工的材料，加工時(shí)切削刃會(huì)有一定程度的磨粒磨損發(fā)生，但沒(méi)有斷屑的要求。

球墨鑄鐵強(qiáng)度更高，韌性也比灰鑄鐵好，屬長(zhǎng)鐵屑類(lèi)，對(duì)加工的要求也更高。對(duì)于鑄鐵的加工來(lái)說(shuō)，要求切削刃有很好的紅硬性和化學(xué)穩(wěn)定性。切削刃主要的磨損形式為磨粒磨損、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。需要注意的是，因金屬陶瓷刀具的抗彎強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度較低，在切削冷硬鑄鐵時(shí)切削力和切削力波動(dòng)較大，因此刀具壽命較低且多以崩刃、微崩的形式失效。

金屬陶瓷刀具由于具有硬度高、耐磨性好、高溫力學(xué)性能優(yōu)良和不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特性，廣泛應(yīng)用于難加工材料的切削加工中，并可用于超高速切削、高速干切削和硬材料切削。在TiC基金屬陶瓷刀具中添加納米TiN顆粒，強(qiáng)度、韌性和硬度等性能都有一定提高。由于納米改性金屬陶瓷刀具在切削加工過(guò)程中承受著高溫和高壓的作用和其力學(xué)性能的限制，不可避免地都要有不同程度的磨損。

4 新型金屬陶瓷材料刀具推動(dòng)現(xiàn)代切削加工技術(shù)的快速發(fā)展

陶瓷刀具材料隨著其組成結(jié)構(gòu)和壓制工藝的不斷改進(jìn)，特別是納米技術(shù)的進(jìn)展，使得陶瓷刀具的增韌成為可能。在不久的將來(lái)，陶瓷可能繼高速鋼、硬質(zhì)合金以后會(huì)引起切削加工的第3次革命。因陶瓷刀具有高硬度(HRA91-95)、高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750～1 000 MPa)、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗粘結(jié)性能良好、摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1 200 ℃時(shí)硬度達(dá)到HRA80。

正常切削時(shí)，陶瓷刀具耐用度極高，切削速度可比硬質(zhì)合金提高2～5倍，特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可切削硬度達(dá)HRC65的各類(lèi)淬硬鋼和硬化鑄鐵等。常用的有：氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。氧化鋁基陶瓷刀具比硬質(zhì)合金有更高的紅硬性，高速切削狀態(tài)下切削刃一般不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，但它的強(qiáng)度和韌性很低，為改善其韌性，提高耐沖擊性能，通常可加入ZrO或TiC和TiN的混合物；另一種方法是加入純金屬或碳化硅晶須。氮化硅基陶瓷除紅硬性高以外，還具有良好的韌性，與氧化鋁基陶瓷相比，它的缺點(diǎn)是在加工鋼時(shí)易產(chǎn)生高溫?cái)U(kuò)散，加劇刀具磨損，氮化硅基陶瓷主要應(yīng)用于斷續(xù)車(chē)削灰鑄鐵及銑削灰鑄鐵。金屬陶瓷是一種以碳化物為基體材料，其中TiC為主要的硬質(zhì)相(0.5～2 μm)，它們通過(guò)Co或Ti粘結(jié)劑結(jié)合起來(lái)，是一種與硬質(zhì)合金相似的刀具，但它具有較低的親和性、良好的摩擦性及較好的耐磨性。它比常規(guī)硬質(zhì)合金能承受更高的切削溫度，但缺乏硬質(zhì)合金的耐沖擊性，強(qiáng)力切削時(shí)的韌性以及低速大進(jìn)給時(shí)的強(qiáng)度。近年通過(guò)大量的研究、改進(jìn)和采用新的制作工藝，其抗彎強(qiáng)度和韌性均有了很大提高，如日本三菱金屬公司開(kāi)發(fā)的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山德維克公司開(kāi)發(fā)的金屬陶瓷刀片新品CT系列和涂層金屬陶瓷刀片系列，其晶粒組織的直徑細(xì)小至1 μm以下，抗彎強(qiáng)度和耐磨性均遠(yuǎn)高于普通的金屬陶瓷，大大拓寬了應(yīng)用范圍。金屬陶瓷材料早在20世紀(jì)60年代就已被美國(guó)福特汽車(chē)公司使用，之后各國(guó)不斷在材料成分、組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合劑等方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。20世紀(jì)70～80年代通過(guò)在金屬陶瓷中加入Ti、Mo、W、Ta等的氮化物和碳化物，使材料韌性持續(xù)提高。進(jìn)入90年代后，利用表面處理技術(shù)開(kāi)發(fā)了硬表面金屬陶瓷和帶涂層金屬陶瓷，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了超細(xì)微粒金屬陶瓷和超韌金屬陶瓷。隨著金屬陶瓷材料性能的不斷改善，其應(yīng)用范圍也在日漸廣泛。下面介紹幾種新型金屬陶瓷刀具材料及其在切削加工中的應(yīng)用。

日本三菱綜合材料公司開(kāi)發(fā)的NX2525牌號(hào)超細(xì)微粒金屬陶瓷的組織中，彌散分布著大量微小硬質(zhì)點(diǎn)，這使它具有優(yōu)異的抗脆性損傷能力。此外，由于NX2525中結(jié)合劑含量較少，故其耐磨性高于P10硬質(zhì)合金，硬度達(dá)92.2 HRA，抗彎強(qiáng)度達(dá)2.0 GPa，兼具高硬度和高韌性；它既可用于低速切削也可在較高速度下切削，既可用于車(chē)削也可用于銑削，具有很好的通用性，是金屬陶瓷刀具材料的首選品種。

三菱公司開(kāi)發(fā)的另一種超細(xì)微粒金屬陶瓷牌號(hào)為NX1010，與NX2525相比，它的硬度更高(達(dá)92.7 HRA)，但抗彎強(qiáng)度較低(1.8 GPa)。NX1010適用于高速連續(xù)車(chē)削，刀具壽命長(zhǎng)，加工表面質(zhì)量好。除三菱公司外，其它公司也開(kāi)發(fā)了許多性能優(yōu)良的新牌號(hào)金屬陶瓷產(chǎn)品，如山特維克公司的CT5015、CT525，肯納公司的KT125、KT175，威迪亞公司的TT105、TT115，東芝公司的NS520、NS530，京瓷公司的PV30、PV60等。

與硬質(zhì)合金刀片相比，新牌號(hào)金屬陶瓷刀片的切削性能進(jìn)一步改善，除重載切削、斷續(xù)切削外，金屬陶瓷刀片在加工中損傷較小，壽命較長(zhǎng)。在低速(v<91.44 m/min)、小進(jìn)給(f<0.1 mm/齒)、小切深(d<0.51 mm)的切削條件下，金屬陶瓷刀片的壽命可比涂層硬質(zhì)合金刀片更長(zhǎng)。在干式切削條件下，尤其在低速切削(v<91.44 m/min)以及切削低碳鋼(HB<180)時(shí)，由于金屬陶瓷抗粘附、熔附能力強(qiáng)，因此可獲得比硬質(zhì)合金刀片更好的加工表面質(zhì)量。

CVD涂層硬質(zhì)合金刀片在20世紀(jì)70年代投入使用，80年代得到迅速發(fā)展，目前市場(chǎng)銷(xiāo)售的涂層金屬陶瓷刀片幾乎全部采用PVD工藝沉積。以日本三菱公司產(chǎn)品為例，最常用的涂層金屬陶瓷牌號(hào)為UP35N和AP25N。UP35N是在硬度較低(91.2 HRA)、韌性較好的NK335金屬陶瓷基體上沉積硬度較高(3 000 HV)的復(fù)合鈦化物，它在中、低速切削范圍內(nèi)可充分發(fā)揮耐磨損和抗缺損的綜合性能。AP25N是在硬度較高(92.2 HRA)、組織細(xì)密的NX2525金屬陶瓷基體上沉積硬度較低(2 400 HV)的TiAlN基復(fù)合化合物，由于其熱傳導(dǎo)率、抗熱沖擊性能極高，因此既可作為車(chē)削刀具材料，又可用于銑削加工，在高速切削時(shí)可獲得較高的使用壽命。

涂層金屬陶瓷刀片與金屬陶瓷刀片一樣，均適用于半精加工和精加工，但涂層金屬陶瓷刀片的耐磨損、抗缺損性能更好，壽命更長(zhǎng)，可適應(yīng)更高的切削速度。涂層金屬陶瓷刀片用于斷續(xù)切削時(shí)，其抗熱沖擊性、抗脆性損傷性能等均優(yōu)于金屬陶瓷刀片，其壽命約高出2倍。這是由于用PVD法沉積涂層時(shí)工藝溫度較低，對(duì)基體損傷小，能充分發(fā)揮基體與涂層各自的功能特性。此外，刀片表面形成的殘余壓應(yīng)力也對(duì)提高切削性能有利。與CVD涂層硬質(zhì)合金刀片相比，涂層金屬陶瓷刀片具有更強(qiáng)的抗粘附、熔附能力，因此可獲得更高的加工表面質(zhì)量。雖然采用CVD法已可在硬質(zhì)合金基體沉積出TiN-Al2O3-TiCN柱狀結(jié)晶三層厚膜涂層，但在切深較小的精加工中和加工低碳鋼等較軟材料時(shí)，這些涂層卻難以充分發(fā)揮各自作用，加工表面質(zhì)量并不理想。此時(shí)若改用涂層金屬陶瓷或金屬陶瓷刀片，則有望明顯提高加工表面質(zhì)量。

NX2525超細(xì)微粒金屬陶瓷除主要用于連續(xù)、斷續(xù)車(chē)削和鏜削外，也可用于銑削，但一般情況下只限于銑削加工硬度較低的鋼和鑄鐵。日本三菱公司開(kāi)發(fā)了專門(mén)用于銑削加工的NX4545金屬陶瓷刀片。類(lèi)似的金屬陶瓷銑刀片產(chǎn)品還包括山特維克公司的CT530、肯納公司的KT175等。此類(lèi)刀片不僅可用于銑削低碳鋼，而且可銑削帶黑皮硬鋼、模具鋼、不銹鋼等。NX4545刀片的結(jié)合相采用了特殊合金，提高了刀片韌性，由于基體中含有高硬度鈦化物硬質(zhì)相，故耐磨性很好。NX4545的適用范圍較廣，可用于仿形銑、掘入銑、銑槽、銑臺(tái)肩面等多種加工場(chǎng)合。在所有使用硬質(zhì)合金刀片的生產(chǎn)線上幾乎都可使用NX4545刀片，如按硬質(zhì)合金刀片的切削條件加工，刀片壽命可提高3倍以上；如按金屬陶瓷刀片的高效切削條件加工，工時(shí)可大為縮短。NX4545刀片大多為無(wú)斷屑槽平頂型，銑削加工時(shí)不宜加潤(rùn)滑冷卻液。

目前金屬陶瓷在刀具材料中所占份額在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家約為1/5～1/4，在日本已達(dá)25%。在國(guó)際工具市場(chǎng)上，除金屬陶瓷車(chē)刀片、銑刀片外，用金屬陶瓷制造的鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀等復(fù)雜刀具產(chǎn)品也相繼問(wèn)世，其工作壽命、加工效率比粉末高速鋼刀具提高數(shù)倍。有專家預(yù)測(cè)，未來(lái)金屬陶瓷刀片的需求量將占可轉(zhuǎn)位刀片總量的50%，并將成為銑削鋼材的首選材料。我國(guó)已可生產(chǎn)YN05、YN10、TN05、TN10、TN20等多種牌號(hào)的金屬陶瓷刀片。隨著金屬陶瓷材料性能的進(jìn)一步改進(jìn)及工業(yè)化應(yīng)用的不斷推廣，必將有力推動(dòng)現(xiàn)代切削加工技術(shù)的快速發(fā)展。

陶瓷刀具有非常高的耐磨性，它比硬質(zhì)合金有更好的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高速條件下切削加工并待續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，比用硬質(zhì)合金刀具平均提高效率3～10倍。新型陶瓷刀具對(duì)切削加工朝著高速、高效、高精度方向發(fā)展將產(chǎn)生很大推動(dòng)，其推廣應(yīng)用將給金屬切削加工工藝帶來(lái)變革，改變傳統(tǒng)的刀具材料和切削技術(shù)，節(jié)省工時(shí)、電力、機(jī)床占用臺(tái)數(shù)和生產(chǎn)面積30%～70%，節(jié)省戰(zhàn)略性貴重金屬，從而帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)切削刀具材料提出了越來(lái)越高的要求，尤其金屬陶瓷作為一種硬度高、耐磨性好、韌性不斷改善、可適應(yīng)干式切削的新型刀具材料，并對(duì)控制環(huán)境污染和降低制造成本有著廣闊的應(yīng)用前景。