近年來,隨著材料工程的發展和新材料的不斷涌現,在航空航天及大尺度加工體加工方面,隨著難加工材料被采用程度的加深和復合材料的不斷涌現,以及隨著數控機床的大規模普及、數字化智能化加工工藝的普及,高速加工和超長時間加工越來越占據*地位。
而陶瓷和金屬陶瓷刀具的出現,正對應了制造業對于高速高效加工的迫切需求。對于處在轉型期的“中國制造”來說,經過前期的技術積累和工藝探索,隨著“C919大型客機”和“運-20戰略運輸機”等國產大飛機的投入量產,并以此為代表,在材料技術和制造工藝的升級換代要求迫在眉睫的需求下,中國制造對陶瓷和金屬陶瓷刀具的需求必定會有一個大的提升。
同時,隨著刀具技術和機床技術的相互結合,工件材料與刀具材料的互相促進,航空航天制造業也在不斷發展。可以說,刀具材料的不斷發展是航空航天制造業不斷發展的驅動力。
目前,航空航天制造業廣泛應用的刀具材料牌號多達上千種,根據刀具材料來劃分,不外乎以下幾大類:工具鋼(碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼)、硬質合金、陶瓷和超硬刀具材料。碳素工具鋼適于制造手動工具,其中,碳素工具鋼T10A和T12A應用較廣泛。
航空制造業中,硬質合金刀具所占比重*大。硬質合金刀具在航空制造業中是主導刀具,應用范圍相當廣泛,在數控刀具材料中占主導地位。
硬質合金成為主要的刀具材料,使切削加工實現了向硬質合金時代的過渡。由于不同牌號的硬質合金性能特點不同,因而其應用范圍也不同。硬質合金不但可用于制造各種機夾可轉位刀具,而且可以制造整體式立銑刀、鉸刀、絲錐和鉆頭等。硬質合金刀具分為普通硬質合金、涂層硬質合金、超細顆粒硬質合金和碳(氮)化鈦基硬質合金等。
YT類硬質合金具有YG類和YW類的大部分優良性能,在航空制造業中應用較廣。涂層硬質合金有比基體更高的硬度、耐磨性和耐熱性,應用廣泛;超細顆粒硬質合金可以大范圍地運用于斷續切削;碳(氮)化鈦基硬質合金主要用于鋼件的連續表面的精加工和半精加工。
隨著新技術革命的發展,要求不斷提高切削加工生產效率和降低生產成本,特別是數控機床的發展,要求開發比硬質合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。
目前,各種高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫的難以切削的新材料日益增多。據文獻估計,這類材料已占國際上加工總數的50%以上,而硬質合金刀具對其中不少新材料的加工難以勝任;另一方面,現在國際上硬質合金的產量己達20000-25000t,每年消耗大量的金屬,如W、Co、Ta和Nb等,這些金屬的礦產資源正日益減少,價格上漲,按目前的消耗速度,用不了幾十年了,有些資源將耗盡。
陶瓷刀具就是在這樣的背景下發展起來的。早在1912-1913年,英國和德國己出現了氧化鋁陶瓷刀具,但其在生產上的應用則始于1950年。由于其強度、韌度低,較長時期內僅限于做連續切削精加工用,且切削速度和進給量都較低,直到1968年才出現第二代陶瓷刀具—復合氧化鋁刀具,其在強度和韌度上較之氧化鋁刀具有了明顯的提高,可以在較高的速度和較大的進給量下切削各種工件,從而得到了較廣泛的應用。
20世紀70年代末到80年代初,國際上出現了第三代陶瓷刀具—氮化硅陶瓷刀具。這類陶瓷刀具有比復合氧化鋁刀具更高的韌性、抗沖擊性、高溫強度和抗熱振性,陶瓷刀片在各工業發達國家的產量增長很快。
我國自20世紀60年代中開始,批量生產復合氧化鋁刀片,目前年生產量為14-15萬片。氧化硅陶瓷刀片雖自20世紀70年代中就開始研究,由于性能欠佳,不能滿足需求。
近幾年來,隨著對高溫結構陶瓷領域研究的不斷深入,使氮化硅陶瓷的性能有了很大的提高,從而使氮化硅陶瓷刀具在我國迅速發展起來。
雖然我國陶瓷刀具的研究水平不比國外差,但實際應用發展較慢。據有關資料報導,目前,國內陶瓷刀具占總刀具使用量的比例不超過10%。氮化硅陶瓷刀具是近年來才在生產中推廣使用的一種新型刀具,因此,不論在刀具的幾何參數、切削用量以及使用技術方面,均缺乏成熟的經驗。我國陶瓷刀具在可轉位刀具中比重很小,年產量不到硬質合金的1%。從切削性能上看,我國陶瓷刀具正向高硬度合金鑄鐵粗加工、斷續切削方向發展。
陶瓷刀具的特點:
(1)耐磨性好。可加工傳統刀具難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電力,并因此也可以提高工件的硬度,延長機器設備的使用壽命;
(2)不僅能對高硬度材料進行粗、精加工,也可進行銑削、刨削、斷續切削和毛坯拔粗等沖擊力很大的加工;
(3)陶瓷刀片切削時與金屬的摩擦力小,故切屑不易粘在刀片上,不易產生積屑瘤,加上可以進行高速切削,所以在條件相同時,工件表面的粗糙度比較低。
(4)刀具的耐用度比傳統刀具高幾倍甚至幾十倍,減少了加工中的換刀次數,保證被加工工件的小錐度和高精度;
(5)耐高溫,紅硬性好。可在1200℃下連續切削,所以,陶瓷刀具的切削速度可以比硬質合金高很多,可進行高速切削或實現“以車銑代磨”,切削效率比傳統刀具高3-10倍,達到節約工時、電力、機床數30-70%或更高的效果;
(6)氮化硅陶瓷刀具的主要原料是自然界很豐富的氮和硅,用它代替硬質合金,可節約大量W、Co、Ta和Nb等重要的金屬。
目前,我國陶瓷刀具的應用還處于起步階段,實際應用發展較慢。陶瓷刀具主要用于硬質合金刀具難以切削的工件粗加工。航空制造業推廣使用陶瓷刀具的時間不長,在陶瓷刀具的幾何參數、切削用量以及使用技術方面需要積累經驗。
陶瓷材料與硬質合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、熱硬性和耐磨性。陶瓷刀具的化學穩定性、抗氧化能力等均優于硬質合金,非常適合干式連續高速切削高溫合金、淬硬鋼、軸承鋼、高強度鋼等難加工材料。
航空發動機中,高溫合金應用很多,盤軸類零件較多,正是陶瓷刀具發揮其優勢的地方。實現高效加工,以陶瓷刀具替代部分硬質合金刀具是完全可行的。
陶瓷刀具不是*刀具,只有正確使用才能充分發揮其優越性。
全球陶瓷刀具品牌榜:(1)德利爾【德國,創立于1818年,是德國一家高科技工程集團,在材料技術領域獨具優勢】;(2)住友【日本,Sumitomo住友電工是日本*大的綜合性刀具生產廠商之一,擁有超過100多年的制造刀具的生產經驗】;(3)山特維克【瑞典,1862年在瑞典山特維克鎮創立】;(4)KOMET【德國,位于世界*行列】;(5)海默【德國】;(6)泰珂洛(TUNGALOY)【日本】;(7)三菱【日本】;(8)特固克【韓國,韓國*大的綜合刀具制造商】;(9)尤尼莫克(現已被京瓷收購)【丹麥】。
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