陶瓷刀具在航空發動機難加工材料中的應用
在航空發動機製造行業，材料性能不斷提升，難加工材料（高溫合金）的數控加工技術已經成為行業內普遍關注的問題。陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性能和耐熱性能好、化學穩定性優良、不易與金屬產生粘結的特點，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合金刀具高8～10倍，能夠大幅度提高切削效率。當前，新型陶瓷刀具不斷出現，有專家預計，在世界範圍內陶瓷刀具在機械加工刀具中所占比重將達15%～20%。它的發展將可能引起切削加工領域的又一次革命。
高溫合金（主要指鎳基或鈷基合金）在高溫下具有優良的穩定性和防蠕變性，GH4169常溫下硬度高（可達HRC35～47），韌性很好。但與普通鋼件相比，其機械加工性能較差，切削過程需要消耗更多的能量。
21世紀初，相關產業公司開始大量購進數控設備，逐步淘汰了普通機床，可轉位硬質合金刀具逐步取代了傳統的焊接刀具，生產效率得到前所未有的提高。
近10年來，應用硬質合金刀具加工鈦基、鎳基和鈷基高溫合金得到廣泛普及，硬質合金材料在低於600℃的工作溫度下所表現出來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。但硬質合金刀具有一個致命的弱點，其熔點約為1200℃，當切削區溫度高於800℃時，刀刃的強度和硬度會大幅下降，磨損加劇，甚至難以完成正常切削。因此，應用硬質合金刀具切削高溫合金材料時,為避免切削區溫度過高,線速度只能維持在40m/min左右。對加工餘量較大的零件，由於緩慢的切削速度，金屬去除率很低，占機時間很長，生產成本大大增加，這使得現代數控機床的潛力遠沒有發揮出來。隨著新型發動機性能不斷提高，新材料不斷湧現，硬質合金刀具已經很難適應。因此，尋找一種更加理想的切削刀具已成為當務之急。
發達國家的航空發動機企業（如美國GE公司、英國羅•羅公司）早在20年前就開始用采陶瓷刀具加工高溫合金材料。陶瓷材料最大特點就是熔點高（2000℃以上），1200℃時硬度不會下降很多，是一種非常理想的取代硬質合金刀具實現高速切削的材料。而在我國，由於種種原因，此類刀具的使用還未廣泛普及。
切削加工中的切屑成型是一種典型的大變形過程,涉及到材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性問題,在高速切削過程中還涉及到熱力藕合問題。
著名切削專家皮斯潘尼和莫詹特（Piisnen & Merchant）早在1945年提出的切屑形成機理中指出：在剪切力（切削力）的作用下，剪切面附近的晶界開始被撕裂變形，與基體分離形成切屑，並產生大量的熱量。實際上，約80%的切削熱由此產生。
應用陶瓷刀具實現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，切削區溫度升高，軟化切屑，使切削變得很容易。儘管陶瓷材料與硬質合金材料相比，其韌性與耐磨性相差很多，但其高溫穩定性是硬質合金刀具遠達不到的。因此，提高線速度是增加切削區溫度最有效的方法。理論上說，陶瓷刀具的切削速度和金屬去除率應是硬質合金刀具的5～10倍甚至更多。
刀具商在推廣時只提出陶瓷刀具適合加工HRC55以上的材料，而對於小於HRC55的材料未見相應的報導。本文針對小於HRC55的材料的加工談一點自己的體會。
由於長時間使用硬質合金刀具，操作者已習慣於低速切削，而這種適合硬質合金的加工方式恰恰是陶瓷刀具加工中的最大禁忌。在使用陶瓷刀具時，出於安全考慮，操作者總是不敢提高轉速，甚至希望在普通車床上使用陶瓷刀具。以往陶瓷刀具使用過程中遇到的大部分問題都是由於切削速度不足而造成的。
在國外眾多陶瓷刀具供應商中，通過比較，此公司最終選定了美國綠葉公司（Greenleaf Corporation）的陶瓷刀具。其專利產品WG300首次採用了晶須增刃技術，大大改善了基體的韌性，具有卓越的耐熱負載性和抗衝擊能力，從而解決了陶瓷材料質脆易碎的致命難題。
試驗加工實例
1 鎳基高溫合金GH4169環鍛件的加工
該材料相當於美國材料牌號Inconel 718，硬度HRC35～47。由於對陶瓷刀具的特性瞭解不夠，此相關產業公司還沒有從硬質合金刀具參數選擇的束縛中擺脫出來，第一次試驗選擇了以下參數：線速度為230m/min，進給速度為0.23mm/r，切深為1.7mm，即使採用以上切速也比使用硬質合金刀具所選切速高6倍；選用的刀片為RNGN 120700 T1 WG300。所得的試驗結果並不理想。刀刃側面出現較深的溝狀磨損，刀尖處有局部“崩刃”現象。
分析結果可知，這是由於線速度不夠，切削點溫度低，鐵屑沒有充分軟化導致啃蝕刀刃形成溝狀磨損。另外，等切深切削也是產生溝狀磨損的重要原因。
經過多次試驗，選擇了以下參數：線速度為380m/min，進給速度為0.23mm/r，切深為1.7mm。進刀時，採用了斜向切削新工藝（見圖1和圖2），即在切削過程中逐漸降低切深，切削點處的溝狀磨損會消失。在下一次切削時保持正常切深即可達到斜向切削效果，因為此時工件表面已經是斜面。斜向切削時切削深度必須由深到淺。刀片越升越高最終退出切削，在已加工表面產生一個斜面。第二次切削時採用直線切削，可高效率地切除第一次切削留下的斜面。由於多次切削時切深採用遞減方式，可能需要時間會較長，但刀具壽命會延長很多。這會大大減少換刀時間。試驗結果令人滿意，磨損輕微，刀刃形狀完好。
2 鈷元素含量高的鑄造高溫合金圓環的斷續切削
該材料屬鑄造高溫合金，硬度小於HRC33，含Co量14%～16%（品質分數），該材料韌性大，是高溫合金中最難加工的材料之一。該零件結構是大直徑小弦長的環塊。加工時將多塊零件組成的一個圓環，並沒有頭尾吻接，零件之間留有間隙。為了保證刀尖強度，以往採用超低速切削（線速度僅為10m/min）。而且加工後的零件表面還會呈現晶粒與晶界間有明顯的凸凹不平，還需用磨削的方法進行表面修整加工。
為解決加工效率低這一難題，此公司試用陶瓷刀具加工該零件。由於對採用陶瓷刀片斷續切削沒有概念，第一次試驗選擇了線速度為420m/min。一刀走下來，刀片完全撞碎；第二次試驗，將線速度提高到560m/min，並適當調整了切深和進給，結果是刀片沒碎，但刀尖嚴重磨損。後來，又進行了多次試驗，並逐步把切速提高到線速度為790m/min，這是以前從未達到過的切速，經過多次調整切削參數及走刀路線，刀片只表現出正常的磨損，加工後的零件尺寸滿足要求，同時粗糙度達到了Ra1.6μm。加工效率是原來的近80倍。經過試驗，得到斷續切削加工規律：選擇負倒棱較大的刀片，降低進給，增大切速。遵循這個原則，斷續切削將會順利進行。
結論
根據以上試驗，得到以下結論：
（1）刀片壽命的長與短，速度是關鍵。一定要轉變觀念，大膽提高切削速度。保證在切削過程中產生足夠的切削熱，這是提高刀具壽命關鍵中的關鍵。但切速並不是越高越好，切削溫度過高，過多的切削熱不能被帶走而留在基體內造成零件溫度升高，由於熱應力導致零件變形。另外，在試驗中我們發現，一旦速度超過某一極限值，刀刃磨損將非常快。
（2）陶瓷材料的耐磨性不如硬質合金，如果採用等切深多次切削，勢必在刀刃與零件的接觸點處出現垂直於刀刃的溝狀磨損。因此，需要不斷改變刀刃與工件的接觸點，這種方法對於延長刀刃的使用壽命非常有效。
（3）與硬質合金相比，陶瓷材料還是較脆的，因此在切削過程中應堅決杜絕振動現象。這就要求機床有足夠大的功率，主軸轉動平穩，進給均勻，切削路線為“推削”。不要試圖在普通機床上使用陶瓷刀具。
（4）對於不同硬度的材料要選用合理的切削參數及走刀路線，使進給和切速優化組合，只有這樣才能保證高效切削。
（5）刀片正面如果出現局部崩刃(見圖3)是由於側面磨損加劇產生壓力造成，這種現象通常不影響刀具的性能。實際上，刀片前面崩刃後會產生新的鋒利的刀刃，切削可以繼續進行，切削效果也令人滿意，在精加工時“崩刃”會影響光潔度，還會產生“毛邊”。 “崩刃”時，在刀片前面可看到火花，此火花是由於溫度很高的鐵屑通過刀片粗糙平面時產生的，應降低進給完成本次切削。
（6）在下次切削前，應檢查是否需要更換刀片，粗加工時應充分利用已“崩刃”的刀片，不要匆忙決定放棄該刀片。可以繼續使用已“崩刃”刀片直到的確不能切削為止。
（7）陶瓷刀片不會出現嚴重斷裂而釀成事故，除非執行了嚴重的錯誤操作。陶瓷刀片主要磨損形式有崩刃、後刀面磨損。所謂後刀面磨損是一種漸進的磨損形式，各種刀具都存在這種磨損，其磨損程度與相應的切速是衡量刀具壽命的指標。對於鎳基合金零件陶瓷刀片的溝狀磨損現象發生在切深線上，理想的應用方法應是溝狀磨損達到最大的同時後刀面磨損也達到最大。溝狀磨損允許擴展至刀片1/3的厚度上，迅速的溝狀磨損或崩刃經常出現在切削區域內，是由於切削區域熱量不足造成的。只要提高切速或降低進給或兩者同時調整即可糾正。
（8）適用於硬質合金刀具的走刀路線應區別於陶瓷刀片走刀路線，（見圖4）。由於溝狀磨損陶瓷刀片會很快失效。陶瓷刀具切削編程與硬質合金刀具的編程方法和走刀路線不完全同，必須採用恰當的走刀路線和切削參數。
（9）壁厚小於2mm的薄壁件的精加工，不適合選用陶瓷刀具。還是要使用硬質合金刀具。
結束語
陶瓷材料是21 世紀最有希望、最有競爭力的刀具材料，它的發展將有可能引起切削加工領域的又一次革命。雖然我們在嘗試過程中獲得了一些經驗，但還需要進一步試驗拓寬加工材料的品種，只有掌握好陶瓷刀具的性能，才能更好地應用於高溫合金的加工。
資料來源：全球數控刀具網
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高溫合金（主要指鎳基或鈷基合金）在高溫下具有優良的穩定性和防蠕變性，GH4169常溫下硬度高（可達HRC35～47），韌性很好。但與普通鋼件相比，其機械加工性能較差，切削過程需要消耗更多的能量。
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切削加工中的切屑成型是一種典型的大變形過程,涉及到材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性問題,在高速切削過程中還涉及到熱力藕合問題。
著名切削專家皮斯潘尼和莫詹特（Piisnen & Merchant）早在1945年提出的切屑形成機理中指出：在剪切力（切削力）的作用下，剪切面附近的晶界開始被撕裂變形，與基體分離形成切屑，並產生大量的熱量。實際上，約80%的切削熱由此產生。
應用陶瓷刀具實現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，切削區溫度升高，軟化切屑，使切削變得很容易。儘管陶瓷材料與硬質合金材料相比，其韌性與耐磨性相差很多，但其高溫穩定性是硬質合金刀具遠達不到的。因此，提高線速度是增加切削區溫度最有效的方法。理論上說，陶瓷刀具的切削速度和金屬去除率應是硬質合金刀具的5～10倍甚至更多。
刀具商在推廣時只提出陶瓷刀具適合加工HRC55以上的材料，而對於小於HRC55的材料未見相應的報導。本文針對小於HRC55的材料的加工談一點自己的體會。
由於長時間使用硬質合金刀具，操作者已習慣於低速切削，而這種適合硬質合金的加工方式恰恰是陶瓷刀具加工中的最大禁忌。在使用陶瓷刀具時，出於安全考慮，操作者總是不敢提高轉速，甚至希望在普通車床上使用陶瓷刀具。以往陶瓷刀具使用過程中遇到的大部分問題都是由於切削速度不足而造成的。
在國外眾多陶瓷刀具供應商中，通過比較，此公司最終選定了美國綠葉公司（Greenleaf Corporation）的陶瓷刀具。其專利產品WG300首次採用了晶須增刃技術，大大改善了基體的韌性，具有卓越的耐熱負載性和抗衝擊能力，從而解決了陶瓷材料質脆易碎的致命難題。
試驗加工實例
1 鎳基高溫合金GH4169環鍛件的加工
該材料相當於美國材料牌號Inconel 718，硬度HRC35～47。由於對陶瓷刀具的特性瞭解不夠，此相關產業公司還沒有從硬質合金刀具參數選擇的束縛中擺脫出來，第一次試驗選擇了以下參數：線速度為230m/min，進給速度為0.23mm/r，切深為1.7mm，即使採用以上切速也比使用硬質合金刀具所選切速高6倍；選用的刀片為RNGN 120700 T1 WG300。所得的試驗結果並不理想。刀刃側面出現較深的溝狀磨損，刀尖處有局部“崩刃”現象。
分析結果可知，這是由於線速度不夠，切削點溫度低，鐵屑沒有充分軟化導致啃蝕刀刃形成溝狀磨損。另外，等切深切削也是產生溝狀磨損的重要原因。
經過多次試驗，選擇了以下參數：線速度為380m/min，進給速度為0.23mm/r，切深為1.7mm。進刀時，採用了斜向切削新工藝（見圖1和圖2），即在切削過程中逐漸降低切深，切削點處的溝狀磨損會消失。在下一次切削時保持正常切深即可達到斜向切削效果，因為此時工件表面已經是斜面。斜向切削時切削深度必須由深到淺。刀片越升越高最終退出切削，在已加工表面產生一個斜面。第二次切削時採用直線切削，可高效率地切除第一次切削留下的斜面。由於多次切削時切深採用遞減方式，可能需要時間會較長，但刀具壽命會延長很多。這會大大減少換刀時間。試驗結果令人滿意，磨損輕微，刀刃形狀完好。
2 鈷元素含量高的鑄造高溫合金圓環的斷續切削
該材料屬鑄造高溫合金，硬度小於HRC33，含Co量14%～16%（品質分數），該材料韌性大，是高溫合金中最難加工的材料之一。該零件結構是大直徑小弦長的環塊。加工時將多塊零件組成的一個圓環，並沒有頭尾吻接，零件之間留有間隙。為了保證刀尖強度，以往採用超低速切削（線速度僅為10m/min）。而且加工後的零件表面還會呈現晶粒與晶界間有明顯的凸凹不平，還需用磨削的方法進行表面修整加工。
為解決加工效率低這一難題，此公司試用陶瓷刀具加工該零件。由於對採用陶瓷刀片斷續切削沒有概念，第一次試驗選擇了線速度為420m/min。一刀走下來，刀片完全撞碎；第二次試驗，將線速度提高到560m/min，並適當調整了切深和進給，結果是刀片沒碎，但刀尖嚴重磨損。後來，又進行了多次試驗，並逐步把切速提高到線速度為790m/min，這是以前從未達到過的切速，經過多次調整切削參數及走刀路線，刀片只表現出正常的磨損，加工後的零件尺寸滿足要求，同時粗糙度達到了Ra1.6μm。加工效率是原來的近80倍。經過試驗，得到斷續切削加工規律：選擇負倒棱較大的刀片，降低進給，增大切速。遵循這個原則，斷續切削將會順利進行。
結論
根據以上試驗，得到以下結論：
（1）刀片壽命的長與短，速度是關鍵。一定要轉變觀念，大膽提高切削速度。保證在切削過程中產生足夠的切削熱，這是提高刀具壽命關鍵中的關鍵。但切速並不是越高越好，切削溫度過高，過多的切削熱不能被帶走而留在基體內造成零件溫度升高，由於熱應力導致零件變形。另外，在試驗中我們發現，一旦速度超過某一極限值，刀刃磨損將非常快。
（2）陶瓷材料的耐磨性不如硬質合金，如果採用等切深多次切削，勢必在刀刃與零件的接觸點處出現垂直於刀刃的溝狀磨損。因此，需要不斷改變刀刃與工件的接觸點，這種方法對於延長刀刃的使用壽命非常有效。
（3）與硬質合金相比，陶瓷材料還是較脆的，因此在切削過程中應堅決杜絕振動現象。這就要求機床有足夠大的功率，主軸轉動平穩，進給均勻，切削路線為“推削”。不要試圖在普通機床上使用陶瓷刀具。
（4）對於不同硬度的材料要選用合理的切削參數及走刀路線，使進給和切速優化組合，只有這樣才能保證高效切削。
（5）刀片正面如果出現局部崩刃(見圖3)是由於側面磨損加劇產生壓力造成，這種現象通常不影響刀具的性能。實際上，刀片前面崩刃後會產生新的鋒利的刀刃，切削可以繼續進行，切削效果也令人滿意，在精加工時“崩刃”會影響光潔度，還會產生“毛邊”。 “崩刃”時，在刀片前面可看到火花，此火花是由於溫度很高的鐵屑通過刀片粗糙平面時產生的，應降低進給完成本次切削。
（6）在下次切削前，應檢查是否需要更換刀片，粗加工時應充分利用已“崩刃”的刀片，不要匆忙決定放棄該刀片。可以繼續使用已“崩刃”刀片直到的確不能切削為止。
（7）陶瓷刀片不會出現嚴重斷裂而釀成事故，除非執行了嚴重的錯誤操作。陶瓷刀片主要磨損形式有崩刃、後刀面磨損。所謂後刀面磨損是一種漸進的磨損形式，各種刀具都存在這種磨損，其磨損程度與相應的切速是衡量刀具壽命的指標。對於鎳基合金零件陶瓷刀片的溝狀磨損現象發生在切深線上，理想的應用方法應是溝狀磨損達到最大的同時後刀面磨損也達到最大。溝狀磨損允許擴展至刀片1/3的厚度上，迅速的溝狀磨損或崩刃經常出現在切削區域內，是由於切削區域熱量不足造成的。只要提高切速或降低進給或兩者同時調整即可糾正。
（8）適用於硬質合金刀具的走刀路線應區別於陶瓷刀片走刀路線，（見圖4）。由於溝狀磨損陶瓷刀片會很快失效。陶瓷刀具切削編程與硬質合金刀具的編程方法和走刀路線不完全同，必須採用恰當的走刀路線和切削參數。
（9）壁厚小於2mm的薄壁件的精加工，不適合選用陶瓷刀具。還是要使用硬質合金刀具。
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