陶瓷刀具切削加工时的磨损与润滑

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陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点，可广泛应用于难加工材料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬质合金刀具高3～10倍，可大幅度提高切削加工生产率。近三十年来，由于在陶瓷刀具制造工艺中实现了对原料纯度和晶粒尺寸的有效控制，开发了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶须或少量金属的添加技术，以及采用多种增韧补强机制等，使陶瓷刀具的强度、韧性、抗冲击性能等都有了较大提高。但陶瓷刀具并不是万能的。陶瓷刀具在切削加工过程中要承受高温、高压作用，不可避免地要受到不同程度的磨损或破损。已有的研究表明，每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，不同的陶瓷刀具（或同种陶瓷刀具）在加工不同工件材料时其磨损形态和刀具寿命会有很大不同，因此存在陶瓷刀具与切削对象的最佳匹配问题。对于这方面的研究国内外已有一些文献报道，但因实验条件和研究方法各异，不同研究者的实验结果和研究结论也存在差异。

本文在作者已有的研究基础上，参考国内外的相关文献报道，对陶瓷刀具切削加工时的磨损、润滑以及陶瓷刀具与加工对象的最佳匹配问题进行了综合评述，以期对新型陶瓷刀具材料的研制与开发、实际加工中陶瓷刀具的选用与磨损控制等起到一定的指导和参考作用。

2．陶瓷刀具切削加工时的磨损机理

在陶瓷刀具切削加工过程中，始终存在两个摩擦副，即前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与工件间的摩擦副。其中，前者影响刀具前刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损和已加工表面质量，前、后刀面的磨损均影响刀具寿命。陶瓷刀具主要用于高速切削场合，切削温度常可高达800～1000℃（甚至更高），切削压力也很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果，其磨损机制主要包括磨料磨损、粘结磨损、化学反应、扩散磨损、氧化磨损等。已有的研究表明，陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关。不同的陶瓷刀具材料在不同切削条件下加工不同的工件材料时，占主导地位的磨损机制可能有所不同。如在低速切削时，由于切削温度较低，其磨损机理往往表现为磨粒磨损；而在高速切削时，则以高温引起的粘着磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。

作者的研究表明：Al2O3基陶瓷刀具在连续切削钢件时，其磨损机理主要为伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损，而在切削铸铁时主要为磨料磨损。Wayne和Brandt等人通过研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718材料得出结论：在低速切削条件下，磨料磨损和粘结磨损为陶瓷刀具的主要磨损机制；而在高速切削条件下，粘结磨损、化学反应和扩散磨损为陶瓷刀具的主要磨损机制。由于Inconel718材料高温强度高，塑性变形大，加工硬化严重，切削力和切削温度均很高。当切削温度小于900℃时，刀具前刀面以粘结磨损为主；当温度达到1200℃时，Ni就开始向刀具中心扩散。由于Ni的扩散，一方面使刀具材料表面硬度下降，性能降低；另一方面使刀具与工件的亲和性增加，粘结磨损增大。

因此，用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718时必须使用切削液（含氯化石蜡的切削液效果更好）。

Casto等人通过研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI1040材料得出结论：刀具的磨损机理主要表现为粘结磨损和磨料磨损，而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI1040钢时，刀具表面存在严重的化学反应。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI4337钢时，前刀面和后刀面的磨损机理不同。化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原因，后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发生断裂，导致陶瓷颗粒脱落所致。Brandt发现了Al2O3基陶瓷刀具切削时表层的塑性变形现象，并认为这是由于Al2O3与FeO（钢表面氧化产物）或MgO（陶瓷添加剂）反应形成了尖晶石结构，