近年来,随着材料工程的发展和新材料的不断涌现,在航空航天及大尺度加工体加工方面,随着难加工材料被采用程度的加深和复合材料的不断涌现,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*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。对于处在转型期的“中国制造”来说,经过前期的技术积累和工艺探索,随着“C919大型客机”和“运-20战略运输机”等国产大飞机的投入量产,并以此为代表,在材料技术和制造工艺的升级换代要求迫在眉睫的需求下,中国制造对陶瓷和金属陶瓷刀具的需求必定会有一个大的提升。
同时,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,刀具材料的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,其中,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*大。硬质合金刀具在航空制造业中是主导刀具,应用范围相当广泛,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、超细颗粒硬质合金和碳(氮)化钛基硬质合金等。
YT类硬质合金具有YG类和YW类的大部分优良性能,在航空制造业中应用较广。涂层硬质合金有比基体更高的硬度、耐磨性和耐热性,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效率和降低生产成本,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。
目前,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,这类材料已占国际上加工总数的50%以上,而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的产量己达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,按目前的消耗速度,用不了几十年了,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年才出现第二代陶瓷刀具—复合氧化铝刀具,其在强度和韧度上较之氧化铝刀具有了明显的提高,可以在较高的速度和较大的进给量下切削各种工件,从而得到了较广泛的应用。
20世纪70年代末到80年代初,国际上出现了第三代陶瓷刀具—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、高温强度和抗热振性,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的提高,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10%。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。
陶瓷刀具的特点:
(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,并因此也可以提高工件的硬度,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、断续切削和毛坯拔粗等冲击力很大的加工;
(3)陶瓷刀片切削时与金属的摩擦力小,故切屑不易粘在刀片上,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,工件表面的粗糙度比较低。
(4)刀具的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℃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)氮化硅陶瓷刀具的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。陶瓷刀具的化学稳定性、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、淬硬钢、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*刀具,只有正确使用才能充分发挥其优越性。
全球陶瓷刀具品牌榜:(1)德利尔【德国,创立于1818年,是德国一家高科技工程集团,在材料技术领域独具优势】;(2)住友【日本,Sumitomo住友电工是日本*大的综合性刀具生产厂商之一,拥有超过100多年的制造刀具的生产经验】;(3)山特维克【瑞典,1862年在瑞典山特维克镇创立】;(4)KOMET【德国,位于世界*行列】;(5)海默【德国】;(6)泰珂洛(TUNGALOY)【日本】;(7)三菱【日本】;(8)特固克【韩国,韩国*大的综合刀具制造商】;(9)尤尼莫克(现已被京瓷收购)【丹麦】。
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