對燃油經(jīng)濟性好的燃氣渦輪發(fā)動機的需求持續(xù)增加，導致傳統(tǒng)的耐熱超合金材料正被新型超韌性高溫和耐磨合金取代。新型材料的需求旺盛使加工這些材料的刀具需求同步增長。

       需要快速切削這些材料的制造商認識到，僅靠傳統(tǒng)的加工指導原則已不能使其保持競爭力。刀具制造商卻深諳這些加工難點，適時推出了具有高生產(chǎn)效率和良好成本效益的刀具選擇：陶瓷復合材料刀具。

       陶瓷復合材料具有優(yōu)異的高溫性能和高強度。這種性能使陶瓷復合材料成為一種高生產(chǎn)率和高穩(wěn)定性的刀具材料，能夠承受加工耐熱高溫超合金和其它難加工材料的苛刻切削條件。

       晶須增強陶瓷刀具

       最廣為人知的切削耐熱超合金的陶瓷復合材料是晶須增強陶瓷。晶須增強陶瓷刀具在30年前已經(jīng)出現(xiàn)，并以其10倍于硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)效率迅速占領市場。當時，由于缺乏晶須增強的支持，陶瓷刀具在切削耐熱超合金時顯得力不從心。此后，隨著晶須增強技術(shù)的應用，陶瓷刀具在加工難加工材料時展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

       近10年出現(xiàn)的涂層晶須增強陶瓷比非涂層晶須增強陶瓷進一步提升了加工效率和降低了生產(chǎn)成本。像涂層硬質(zhì)合金刀具一樣，涂層晶須增強陶瓷刀片增強了抗高溫和耐磨損性能，從而進一步提升了生產(chǎn)效率，延長了刀具壽命。

       將非涂層晶須增強陶瓷刀具升級為涂層刀具，切削速度可平均提高20%～40%。根據(jù)涂層刀具的不同材質(zhì)，進給速度可提高20%，刀具壽命可延長50%～100%。在很多應用場合，涂層刀具的加工表面光潔度更好，切削長度相比非涂層刀具也更長。

       使用陶瓷復合材料刀具并不是將刀片安裝到刀桿刀窩并啟動機床運行按鈕那樣簡單。用戶必須掌握這些刀具的性能提升、精確測量和刀具磨損調(diào)整的基本知識。

       正確使用方法

       晶須增強陶瓷刀片由細晶氧化鋁與被稱作晶須的碳化硅晶體制成。Al2O3是一種抗高溫、抗磨損的材料，但缺乏足夠強度，因此其切削性能不穩(wěn)定。就像在水泥中加入鋼筋，玻璃鋼中加入纖維一樣，通過增加碳化硅晶須，Al2O3的強度能得到提高且性能穩(wěn)定。晶須增強后的陶瓷刀具較之傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具可以更高的速度切削。

       高切削速度對于耐熱超合金的塑化或軟化至關(guān)重要。塑化后的材料才可一層層地被高效去除。但是，塑化過程會在切削區(qū)域產(chǎn)生大量熱量。切削熱量需要有效排除，才能使母材的微觀結(jié)構(gòu)不受影響。因此，合理平衡切削速度和進給速度并保持正確的平均切屑厚度（ACT）就很必要，這樣才能將大量的切削熱通過切屑帶走。

       將進給速度用ACT來描述，而不用每轉(zhuǎn)進給或每齒進給，這是因為切屑厚度會因進給速度及其它很多因素的變化而改變。例如，圓刀片的ACT與切深有關(guān)，因為切深改變會使刀具的有效主偏角變化，使切屑變厚或減薄。

       使用直線刃刀片時，ACT與刀具相對零件的方向有關(guān)，也就是與主偏角有關(guān)。使用帶主偏角的刀具加工有很多益處，例如可防止陶瓷刀具產(chǎn)生缺口，但此時重要的是要調(diào)整編程進給速度以避免切屑變厚并確?？深A測的刀具磨損方式。

       晶須增強陶瓷刀片ACT的經(jīng)驗值為0.002″～0.004″(0.05mm～0.10mm)。此值可保證切屑維持適當?shù)慕孛娲笮∫詭ё咴诘毒吆凸ぜ缑骈g因高切削速度而產(chǎn)生的大量熱量。

       切屑過薄將不能帶走足夠熱量，其結(jié)果是熱量會傳遞給母材。此外，切屑過薄將引起刀具與工件磨擦而非刀具切削工件，并加快后刀面磨損使刀具提前失效。切屑過厚的作用正相反，將導致刀片承受的壓力增加而使刀片崩刃或斷裂。

       根據(jù)被切材料的成分，需適當調(diào)整切削速度和進給速度。此外，需要特別值得注意的是被切削材料的硬度，硬度高的材料需用較低的切削速度來使母材塑化到一定程度后，才能被有效去除。

       相變增韌陶瓷刀具

       一種新型的，在車削和銑削耐熱超合金時獲得青睞的陶瓷復合材料是相變增韌陶瓷。這種陶瓷的強度幾乎是晶須增強陶瓷的兩倍，可在陶瓷刀具的切削速度下以硬質(zhì)合金刀具的進給速度進給。此外，與其它陶瓷復合材料刀具相比，強度增加的相變增韌陶瓷刀具可使生產(chǎn)率提高兩倍。

       到目前為止，唯一可獲得的相變增韌陶瓷是綠葉公司的XSYTIN-1。該陶瓷熱性能穩(wěn)定，由晶須和顆粒增韌的氮化硅制成，比綠葉公司其它陶瓷刀具的強度高出近一倍。

       相變增韌陶瓷的主要優(yōu)點是在苛刻條件、大切削力及斷續(xù)切削條件下保持強度的能力，并且在連續(xù)切削中也表現(xiàn)優(yōu)異。這種刀具應用于眾多場合，包括加工鍛件和鑄件表皮以及高耐磨材料。

       需要注意的是，相變增韌陶瓷刀片的使用方法與市場上其它陶瓷刀具不太一樣，必須要增加進給速度，如果進給速度不夠高，后刀面磨損將十分嚴重，這將導致刀具過早磨損。相變增韌陶瓷刀具的ACT通常比晶須增強陶瓷和賽阿龍材料刀具高很多。

       為了說明使用區(qū)別，此處以直徑為1/2″(12.7mm)的非涂層晶須增強陶瓷圓刀片車削Inconel 718為例。起始切削參數(shù)的選擇采用經(jīng)驗“8原則”：切削速度為800 sfm (244 m/min)；進給速度為0.008 ipr (0.20mm/r)；切深為0.080″(2.03mm)；材料去除率為6.14in3/min (100.6 cm3/min)。

       當由晶須增強陶瓷刀片改為相變增韌陶瓷刀片時，通常切削速度需要略微下調(diào)，但進給速度可大幅提高。采用切削速度700～750sfm (213～229 m/min)、進給速度0.014～0.016 ipr (0.36～0.41 mm/r) 和切深0.080″～0.120″(2.03mm～3.05mm)，可以很容易地切削Inconel 718。切削條件理想時，材料去除率可達9.4 in3/min (154.2 cm3/min)～17.3 in3/min.(283.5 cm3/min)。

       相變增韌陶瓷的另一優(yōu)點是切削速度范圍較寬。受限于轉(zhuǎn)速或老式設備，傳統(tǒng)的加工方法會采用硬質(zhì)合金刀具粗加工耐熱超合金，而不允許使用晶須增強陶瓷刀具。過去不能使用陶瓷刀具的用戶現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)可使用相變增韌陶瓷刀具。切深相同時，結(jié)合0.008～0.010 ipr (0.20～0.25 mm/r) 的稍低進給速度，同一把相變增韌陶瓷刀具的切削速度可降低至450 sfm(137 m/min)?？梢姡嘧冊鲰g陶瓷刀具填補了硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具之間的空白。

       相變增韌陶瓷刀具的這些優(yōu)點對必須加工耐熱超合金的制造商來說意味著什么？與硬質(zhì)合金刀具相比，如果采用晶須增強陶瓷刀具使基礎線生產(chǎn)效率提升10倍，從而可在同一臺機床上完成更多的加工作業(yè)、節(jié)約刀具成本及管理成本，最終使生產(chǎn)能力大為提高。

       除采用涂層晶須增強陶瓷或新的相變增韌陶瓷帶來生產(chǎn)力提升外，潛在的生產(chǎn)力提升也十分巨大。對加工耐熱超合金及其它挑戰(zhàn)性工件材料零件的所有制造商來說，應用范圍廣泛的陶瓷復合材料刀具切實為一種解決方案。