陶瓷刀具可规模替代硬质合金刀具

在航空航天及大尺度加工体加工方面，随着难加工材料的被采用程度的加深和复合材料不断涌现，以及随着数控机床的大规模普及、数字化智能化加工工艺的普及，高速加工和超长时间加工越来越占据绝对地位。

而陶瓷和金属陶瓷刀具的出现正对应了制造业对于高速高效加工的迫切需求。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。