专利名称:超硬、难加工材料切削刀具及刃磨和使用方法
本发明涉及一种改进的陶瓷刀具和它的刃磨与使用方法，特别是一种能胜任多种超硬、难加工材料坯件拔荒粗加工、工件半精加工与精加工的机械夹固或粘接镶齿切削刀具和它的刃磨与使用方法。
高纯氧化铝陶瓷或氧化铝基复合陶瓷(Al2O3+15～30%TiC)刀具的缺点如“切削刀具材料的现状和发展趋势”(Herbert S.Kalish”Status ReportCutting Tool Materials”＜Metal Progress＞No.11/1983)一文所述主要是性脆。因此尽管它具有不少优点，但由于氧化铝基陶瓷刀具的抗冲击能力差、易崩刃，故它在刀具材料构成比中被限制在1～5%的范围内。冷压或热压烧结制得的Sialon(Si3N4-Al2O3)陶瓷如“氮化硅为灰铸铁加工提供高切削效率”(“Silicon nitride inserts offer high cutting rates for cost iror＜Cutting Tool Engineering＞Vol.35/1983/No.1-2)一文所述，它不适于钢件加工，也很少用于有色金属件加工。在硬铁金属，如冷硬铸铁、淬硬钢，和镍基合金等难加工材料加工中要求具有优良韧性、高的硬度与高温强度、在高温与高应力作用下具备高耐磨性的切削刀具(日本专利No 82145079、No 84146983、No 8469475，美国专利US-4388085、US-4286905，欧州专利No 95129)，特别是具有超高速切削、高材料切除率加工、高度与光洁度加工和超硬、难加工材料坯件的拔荒粗切削能力的刀具。
本发明的任务是提供一种由氮化硅(Si3N4)基韧性复合陶瓷刀片制作的改进刀具及其刃磨与使用方法，使它能胜任多种超硬、难加工材料的粗、精切削加工，扩大机床的工艺能力，实现高速、超高速切削、高切除率加工或高精度、高光洁度加工，特别是能胜任多种淬硬钢、硬铸铁坯件的拔荒粗切削。
本发明是通过下述几方面来完成的将热压、热等静压或气压与无压烧结制取的Si3N4基韧性复合陶瓷制成规定的几何形状，经刃磨、研抛或修整后装入改进的刀齿槽，在最佳切削条件下进行加工就能实现高速、超高速切削、高材料切除率加工、高精度与光洁度加工，特别是多种硬铁金属坯件的拔荒粗加工。本发明的使用应当遵循以下详述的实施细则本发明刀具所采用的刀片材料为高耐磨性的Si3N4基韧性复合陶瓷，其配方按重量比计可为TiC2～30%、TiN0.3～5%、Co0～9%、MgO 0～10%、Y2O30～10%、Al2O30～5%、AlN 0～5%和高纯微细α-Si3N4100%。
刀片可直接压制成形或切割成形，刀片的几何形状可为(13×13)～(40×40)mm×mm矩形，(5～15)×(10～80)mm×mm长方形，(9.53×3.2×0.4)～(15.88×6.35×12)mm的三角形，外径φ15～80mm、内径φ6～30mm的自回转式刀片，φ10～60mm的圆形，刀片厚度为3～15mm(图1)。刀片安装在刀体(杆)上的切削角度为前角(γ)5°～-14°、后角(α)2°～8°、刃倾角(λ)0°～-14°、主偏角(ψ)15°～75°、付偏角(ψ1)0°～30°、刀刃负倒棱(-γ″×a)(-4°～-30°)×(0.1～0.5mm)、刀尖圆弧半径R≤0.3mm(图3)。在大进给量或高光洁度精加工时R值可大于0.3mm。要求断屑时可在前刀面距刀尖1～3mm处磨出(1.5×1.5)～(3×3)mm台阶形或半径r＝1.5～3mm的洼圆弧断屑槽(图5)。
安装刀片的刀体(杆)(图2)用不淬硬经退火或调质处理的优质中碳钢制作，其牌号可为35＃～45＃，软质的刀片槽在刀片压紧时可避免受损。本发明采用的镶齿刀结构的特点在于刀片槽底部和侧面定位面是按刀具实际要求的γ、α、λ和ψ角铣出，与刀体(杆)基面呈δ1、δ2和ε角(图4)。δ1角取决于付刀刃的γ′和α′角，δ2角决定于γ、αλ角，经常取∠δ1＝∠-γ′＝∠α，∠δ2＝∠-γ＝∠α＝∠-λ，ε角决定于ψ角。刀片压板应修圆压紧端头以防止偏压或出现干涉，压紧点应在近刀尖一侧。
刀片用人造金刚石砂轮在工具磨床或专用刀具磨床上进行刃磨，砂轮规格可为80＃～180＃粒度、75～100%浓度、树脂结合剂(S)的碗形(BW)或平形(P)。用金刚石研磨膏加机油在平板研具上研抛刀刃面，研磨膏粒度可为W5～W14，研磨剂用10＃～30＃机油，研具材料可为高磷铸铁，Ⅰ、Ⅱ级灰铸铁。用金刚石油石可代替金刚石研磨膏在现场对粗加工、半精加工用刀片进行现场研抛和修整，其规格为6%浓度、W10～W14粒度，使用时应蘸少许机油。
金刚石砂轮刃磨刀片时，磨削用量可为砂轮线速度V＝1400～1800m/min、纵向进给用手动慢速进给、横向进给量0.01～0.03mm/dst(粗磨时)或≤0.01mm/dst(精磨时)，终磨前应作2～5次不进刀光磨。金刚石砂轮用钝后可用金刚石研磨膏加机油在研具上修研去除钝的金刚石砂粒。
本发明的切削刀具，其切削用量范围可为加工硬度Hs50～80的硬铸铁件时，切削速度V＝20～75m/min、进给量f＝0.1～2.6mm/r、切削深度a＝0.2～5mm，硬度为Hs＞80的超硬铸铁件时V＝10～40m/min、f＝0.1～1.2mm/r、a＝0.1～3mm，硬度为HRC40～59的淬硬钢时V＝30～95m/min、f＝0.043～0.45mm/r、a＝0.1～3mm，硬度为HRC60～68的淬硬钢时V＝20～60m/min、f＝0.043～0.35mm/r、a＝0.1～2mm，硬度HB≤300的普通灰铸铁、半可锻铸铁、镍合金铸铁等件时V＝150～1500m/min、f＝0.1～2.6mm/r、a＝0.1～5mm，加工镍基合金时V＝18～110m/min、f＝0.1～0.45mm/r、a＝0.2～2mm。最佳切削用量应按加工工件材质、硬度和加工要求在上述范围内择优。在加工淬硬钢和铸铁件时不使用冷却润滑液，切削镍基和钛基合金或超硬铸铁件时可使用冷却润滑液。冷却润滑液的供应必须做到连续、充分和准确，冷却润滑剂可为5～15%乳化液或水溶性切削液、其流量不小于4.5～6lit/min，以保证切削区受到充足、不间断地冷却。切削试验证实，正确地冷却润滑可使刀具后刀面平均磨损值VB减少6/7。
本发明的切削刀具及其刃磨与使用方法已经过大量切削试验和生产现场试验与应用考验，取得良好的效果。在各种淬硬钢(HRC≤68)，各种硬铸铁-冷硬铸铁(Hs≤90)、白口铸铁和高硬合金耐磨铸铁(HRC 62～64)等，镍基合金、硬镍喷涂层和镍合金铸铁，有色金属及其合金，热解石墨、玻璃丝层压复合材料，聚苯砜醚等新型工程塑料的加工中，本发明的Si3N4基韧性复合陶瓷刀的寿命是Al2O3复合陶瓷刀、Al2O3-ZrO2陶瓷刀，硬质合金Hl、YG6X、YG3、YG8N和YT14等刀的3～113倍，材料切除率则是它们的2～23倍。它可完成光洁度为
7、加工锥度≤0.01mm/500mm的硬铁金属件精车或精铣加工，也可完成45＃
7～
9的精车削及Hs≤82的铸造坯件拔荒粗车削。它可在车、铣、刨、钻、挑扣、切槽和镗孔等工序中使用，实现“以车代磨”。
实施例一高速车削Ⅰ级灰口铸铁、半可锻铸铁和镍基喷涂层用本发明的切削刀具在实验室已实现切削速度V＝725m/min的Ⅰ级灰口铸铁、半可锻铸铁件的高速车削。它的刀具寿命是YG3硬质合金刀的11倍。因现有机床转速和工件直径的限制未能进一步提高切削速度。某厂使用本发明刀具，在加工硬镍1＃喷涂层(HRC60～62)时实现了V＝80～110m/min的高速车削，并已能稳定地用于生产而不崩刃。
实施例二冷硬铸铁轧辊辊面加工用本发明的Si3N4基韧性复合陶瓷刀在五个厂家对φ(227～770)×(800～3150)mm的冷硬铸铁轧(磨)辊(Hs66～90)、无限铸铁轧辊等进行现场切削实验，在铸造坯件的拔荒粗车、工件的粗车、半精车和精车加工中取得良好的效果。
坯件拔荒粗车和工件粗车采用20×20mm、厚10mm的Si3N4基韧性复合陶瓷刀片，刀片几何形状呈图1的(b)型，工件粗车时也用过(a)型。工件的半精车用图1的(a)型16×16或20×20mm刀片，厚度为6mm。在3A64磨床、2M7025工具磨床上，用JR120S100BW 100×32.5×20、JR180S100BW100×32.5×20的人造金刚石砂轮进行刃磨，磨削用量为V＝1433m/min、手动走刀、横向进给～0.02mm/dst，磨至
7～
8表面光洁度，拔荒粗车、粗车与半精车刀片用6%浓度、W14的金刚石油石修研，精车刀片用W5金刚石研磨膏加30＃机油在灰铸铁小平板上研磨抛光到前刀面
9，后刀面
10～
11。所使用的刀具几何角度、刀片槽几何角度和拔荒粗车、粗车、半精车和精车的切削用量列于表1。工件材质、硬度与尺寸和加工效果列于表2。
(表1、表2请见下页)实施例三车320推土机20Cr渗碳淬火(HRC68)肖套零件用本发明的刀具在CA6140车床上车削渗硬到HRC68的推土机肖套φ78外圆，采用图1a型刀片，几何角度为γ＝-7°、α＝7°、λ＝-7°、ψ＝45°、ψ1＝15°、负倒梭-14°×0.1mm，R＝0.2mm，切削用量为V＝38.2m/min、f＝0.15mm/r、a＝0.25mm、无冷却润滑。与YT30硬质合金刀对比，其刀具寿命是YT30刀的66倍。
实施例四选择刀具磨损最小(刀具寿命最长)的最佳切削速度和进给量
被加工件耐磨镍合金铸铁坯料，φ12.5×180mm，材料化学成分为C、2.35～2.94、Ni 14.9～16.0、Cr 1.41～2.16、Si 1.71～2.50、Mn 0.79～0.99、Cu 7.22～7.33、P 0.16～0.30、硬度HB 160～200、离心浇铸。
为确定该工件加工时使用本发明的Si3N4基韧性复合陶瓷刀的最佳切削参数，以刀具后刀面B区平均磨损值VB达到最小为目标，通过试验设计和切削试验确定最优的切削速度V0和进给量f0，同时考查V与f的交互作用、判断V与f的变化对VB的影响。
根据工件与机床转速级选定V与f两因素，给定它们的水平，见表3。(表3请见第8页)
选用L8(41×24)正交试验表。在CA6140车床上用本发明刀具(γ-5°、α5°、λ-5°、ψ45°、ψ115°、-10°×0.1mm、R0.1mm)按随机抽取的试验顺序号进行8次V与f组合的车削试验。当切削总路程L＝870m固定不变时，测定每次切削后后刀面磨损值VB得
用直观比较法计算对应于Vi，fj的平均磨损值
υ1＝ 1/2 (0.215+0.2)≈0.21，
f1＝ 1/4 (0.215+0.195υ2＝ 1/2 (0.195+0.2)≈0.20，+0.17+0.185)υ3＝ 1/2 (0.17+0.18)≈0.18，
f2＝ 1/4 (0.2+0.2+υ4＝ 1/2 (0.185+0.195)＝0.19，0.18+0.195)＝0.194由VB的平均值来决定切削速度的优值，当取V3＝170m/min时它对应的后刀面磨损值VB最小，故以V3为优值。同理f1为优值。由于f1与f2时的平均VB值相差很小说明进给量在0.08～0.30mm/r范围时对VB影响不明显。因此可以采用V＝170m/min、f＝0.08mm/r(或0.30mm/r)作切削用量。
重复上述试验一次后按方差分析来考查V与f的交互作用，结果是这种交互作用不显著，最佳切削速度与进给量仍为170m/min和0.08
为验证上述作法是否能确定最佳或相对最佳的V0与f0，再进行按L25(56)表设计的两因素5个水平，即V(54、97、166、248、407)m/min、f(0.08、0.12、0.16、0.20、0.24)mm/r的正交切削试验来验证，且判定V与f交互作用不显著。在实际应用中采用V0＝166～248m/min，f＝0.08～0.16mm/r作为该坯件与工件粗精加工的最佳切削速度和进给量范围。
实施例五几种刀具切削性能的对比将本发明的刀具与Si3N4-TiC-Co系复合陶瓷刀、T6(Al2O3-TiC)陶瓷刀、Al2O3-ZrO2陶瓷刀(西德)、硬质合金726、610和YN10刀，在CA6140车床上车削硬度HRC58～62的CrWMn淬硬工件，φ120×260mm，进行切削性能对比得表6。
实施结果证明本发明的Si3N4基韧性复合陶瓷刀在固定切削总路L＝1373m时，它的后刀面平均磨损值最小。在固定后刀面磨损VB＝0.30mm时，它的刀具寿命达210min是Si3N4-TiC-Co陶瓷刀的2.06倍、Al2O3-TiC系陶瓷(T6)刀的7.06倍、726刀的53.8倍、610刀的60倍、YN10刀27.63倍。它的最佳切削速度为V＝58m/min，高于其它刀具。
权利要求
1.一种切削刀具是由刀片(图1)和刀体(杆)(图2)组成，其特征是，刀片材料为氮化硅(Si3N4)基韧性复合陶瓷，被制成矩形，长方形、三角形、圆形或各种规定的几何形状，用机械夹固或粘接方式固定于刀体(杆)上，刀体(杆)采用不淬硬的韧性材料制作并按要求的实际切削角度(图3)铣出刀片安装槽(图4)。
2.按权项1所述的切削刀具，其特征是刀片材料经热压、热等静压、气压或无压烧结制得，其配方按重量比为TiC 2～30%、TiN 0.3～5%、Co 0～9%、MgO 0～10%、Y2O30～10%、Al2O30～5%、AlN 0～5%和高纯微细α-Si3N4100%。
3.按权项1所述的切削刀具，其特征是刀片几何形状为(13×13)～(40×40)mm×mm的矩形，(5～15)×(10～80)mm×mm的长方形，(9.53×3.2×0.4)～(15.88×6.35×1.2)mm的三角形，φ10～60mm的圆形，外径φ15～80mm、内径φ6～30mm的自回转式刀片，刀片厚度3～15mm，刀片安装在刀体(杆)上的切削角度为前角(γ)5°～-14°、后角(α)2°～8°、刃倾角(λ)0°～-14°、主偏角(ψ)15°～75°、付偏角(ψ1)0°～30°、刀刃负倒棱(-4°～-30°)×(0.1～0.5mm)、刀尖圆弧半径R≤0.3mm(图3)，在大进给量或高光洁度精加工时，R值可大于0.3mm，在要求断屑时可在前刀面距刀尖1～3mm处磨出台阶形或洼圆弧断屑槽(图5)。
4.按权项1、3所述的刀具，其特征是刀体(杆)采用不淬硬经退火或调质处理的优质中碳钢制作，其牌号为35＃～45＃，刀体(杆)上刀片安装槽可按γ、α、λ和ψ等几何角度要求铣成与刀体(杆)基面呈倾斜的定位面(图4)。
5.一种氮化硅(Si3N4)基韧性复合陶瓷刀片的刃磨方法，其特征是采用人造金刚石磨具、磨料进行刃磨、研抛或修整。
6.按权项5所述的刀片刃磨方法，其特征是，采用人造金刚石砂轮，其规格为80～180＃粒度、75～100%浓度、树脂结合剂的碗形或平形，用金刚石研磨膏添加机油在铸铁等材质研具上研磨刀刃面，研磨膏粒度为W5～W14，研磨剂为10～30＃机油，用金刚石油石可代替金刚石研磨膏对粗加工或半精加工用刀片进行现场研抛和修整，其规格为6%浓度、W10～W14粒度。
7.按权项5或6所述的刀片刃磨方法，其特征是，磨削用量为金刚石砂轮线速度V＝1400～1800m/min、纵向进给用手动慢速进给、横向进给量0.01～0.03mm/dst(粗磨时)、或≤0.01mm/dst(精磨时)，终磨前应进行2～5次不进刀光磨，金刚石砂轮用钝后可用金刚石研磨膏在研具上修研去除圆钝的金刚石砂粒。
8.按权项1、5所述的切削刀具使用方法，其特征是切削用量范围为加工硬度为Hs50～80的硬铸铁件时，切削速度V＝20～75m/min、进给量f＝0.1～2.6mm/r、切削深度a＝0.2～5mm，硬度为Hs＞80的超硬铸铁件时V＝10～40m/min、f＝0.1～1.2mm/r、a＝0.1～3mm，硬度为HRC40～59的淬硬钢时V＝30～95m/min、f＝0.043～0.45mm/r、a＝0.1～3.0mm，硬度为HRC60～68的淬硬钢时V＝20～60m/min、f＝0.043～0.35mm/r、a＝0.1～2mm，硬度HB≤300的普通灰铸铁、半可锻铸铁、镍合金铸铁等件时V＝150～1500m/min、f＝0.1～2.6mm/r、a＝0.1～5mm，加工镍基合金时V＝18～110m/min，f＝0.1～0.45mm/r、a＝0.2～2mm，最佳切削用量应按加工工件材质及硬度在上述范围内择优。
9.按权项8所述的刀具使用方法，其特征是切削淬硬钢和各种铸铁件时不使用冷却润滑液，切削镍基、钛基合合或超硬铸铁件时可使用冷却润滑液，冷却润滑液的供应必须做到连续、充分和准确，冷却润滑剂为5～15%浓度的乳化液或水溶性切削液，流量为4.5～6lit/min。
专利摘要
一种改进的高耐磨性氮化硅基韧性复合陶瓷切削刀具和它的刃磨与使用方法，能够适应多种金属与非金属材料、工程塑料与复合材料粗精加工，特别是能胜任多种超硬、难加工材料坯件拔荒粗加工与工件半精加工和精加工。高的红硬性、长的切削寿命和稳定的化学性能使这种刀具能实现超高速切削、高材料切除率加工和高的加工精度与表面光洁度加工，并能扩大现有机床的工艺能力获取良好的经济效益。切削试验与生产应用证明其切削性能优于硬质合金刀具和现有的陶瓷刀具。
文档编号B23B27/00GK85100128SQ85100128
公开日1986年8月20日 申请日期1985年4月1日
发明者罗振壁, 苗赫濯, 江作昭, 衷待群, 马德金 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan