在航空发动机制造业中，材料性能不断提高，难加工材料（高温合金）的数控加工技术成为行业普遍关注的问题。陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨耐热性能好、化学稳定性优良、不易与金属粘结等特点，已成为高温合金高速切削的主要刀具材料之一。而且陶瓷刀具的最佳切削速度比硬质合金刀具高8~10倍，可大大提高切削效率。目前，新型陶瓷刀具不断涌现，陶瓷刀具将占全球机械加工刀具的15%~20%。它的发展可能会引起切削加工领域的又一次革命。
硬质合金刀具在加工高温材料时的缺点
高温合金（主要为镍基或钴基合金）在高温下具有优良的稳定性和抗蠕变性能。GH4169室温下硬度较高（可达HRC35-47），韧性较好。但与普通钢件相比，其机械加工性能较差，切削加工时消耗的能量较大。
在过去 10 年中， 硬质合金刀具 用硬质合金刀具加工钛基、镍基、钴基高温合金已得到广泛推广。硬质合金材料在600℃以下工作温度下的高硬度和高韧性使其成为切削高温合金和钛合金的理想刀具。但是硬质合金刀具有一个致命的弱点，它的熔点约为1200℃，当切削区温度高于800℃时，刀刃的强度和硬度将大幅下降，磨损加剧，甚至难以完成正常切削。
因此，在使用硬质合金刀具切削高温合金材料时，为避免切削区温度过高，线速度只能保持在40m/min左右。对于加工余量大的零件，由于切削速度慢，金属去除率很低，机加工时间很长，大大增加了生产成本。这使现代数控机床的潜力远未得到充分利用。随着新型发动机性能的不断提高和新材料的出现，硬质合金刀具已难以适应。因此，寻找更理想的切削刀具已成为当务之急。
陶瓷刀具加工高温材料的优势
早在20年前，发达国家的航空发动机公司（如美国GE、英国劳斯莱斯等）就开始采用陶瓷刀具加工高温合金材料，陶瓷材料最大的特点是熔点高（在2000℃以上），在1200℃时硬度下降不多，是替代硬质合金刀具实现高速切削的理想材料。但在我国，由于种种原因，该类刀具的使用尚未得到广泛推广。
切削加工中的切屑形成是典型的大变形过程，涉及材料非线性、几何非线性和边界非线性，在高速切削过程中还涉及热耦合问题。
著名切削专家Piisnen和Merchant早在1945年提出的切屑形成机理中就指出，在剪切力（切削力）作用下，靠近剪切面的晶界开始撕裂变形，脱离基体形成切屑，并产生大量的切削热，实际上切削热中约80%就是由此产生的。
利用陶瓷刀具实现高速切削的核心是充分利用陶瓷材料的耐高温特性。提高切削速度，切削热不断积累，切削区温度升高，切屑变软，切削变得非常容易。虽然陶瓷材料的韧性和耐磨性与硬质合金材料相差很大，但其高温稳定性却是硬质合金刀具远远达不到的。因此，提高线速度是提高切削区温度最有效的方法。从理论上讲，陶瓷刀具的切削速度和金属去除率应是硬质合金刀具的5～10倍甚至更多。
刀具厂家在宣传的时候，只提出陶瓷刀具适合加工HRC55以上的材料，对于HRC55以下的材料尚无相应的报道。本文就谈谈我自己在加工HRC55以下材料方面的体会。
由于长期使用硬质合金刀具，操作人员已经习惯了低速切削，而这种适合硬质合金的加工方式恰恰是陶瓷刀具加工中最大的禁忌。在使用陶瓷刀具时，出于安全考虑，操作人员总是不敢提高转速，甚至希望在普通车床上使用陶瓷刀具。过去使用陶瓷刀具时遇到的大部分问题都是由于切削速度不够造成的。
陶瓷刀具加工注意事项
速度是刀片寿命的关键，我们必须转变观念，大胆提高切削速度。保证切削过程中产生足够的切削热，是提高刀具寿命的关键。但切削速度并不是越高越好，如果切削温度过高，过多的切削热无法带走而残留在基体中，造成零件温度升高，零件因热应力而变形。另外，在试验中我们发现，一旦速度超过一定限度，刀片就会磨损得非常快。
陶瓷材料的耐磨性不如硬质合金，如果以相等的切削深度进行多次切削，刀片与零件的接触点必然会出现垂直于刀片的沟槽磨损，因此需要经常变换刀片与工件的接触点，这种方法对延长刀片的使用寿命非常有效。
与硬质合金相比，陶瓷材料还是比较脆的，因此在切削过程中要坚决消除振动，这就要求机床功率要足够，主轴旋转平稳，进给均匀，切削路线为“推削”，不要试图在普通机床上使用陶瓷刀具。
针对不同硬度的材料，应选择合理的切削用量和刀具路径，优化进给和切削速度的组合，才能保证高效的切削。
如果刀片前端发生局部崩刃，则是由于侧面磨损加剧产生的压力所致。这种现象通常不会影响刀具的性能。事实上，刀片前端崩刃后，会产生新的锋利刀片，切削可继续进行并得到满意的切削结果。在精加工中，“崩刃”会影响光洁度并产生“毛刺”。“崩刃”时，可在刀片前端看到火花。这种火花是由高温铁屑穿过刀片粗糙表面引起的。应减少进给以完成这种切削。
下次切割前，应检查刀片是否需要更换。粗加工时，充分利用“崩刃”的刀片，不要草率决定放弃刀片。“崩刃”的刀片可继续使用，直到确实无法切割为止。
除非操作时出现严重错误，否则陶瓷刀片不会严重折断而造成事故。陶瓷刀片的主要磨损形式是崩刃和背面磨损。所谓后刀面磨损是一种渐进磨损形式，存在于各种刀具中，它的磨损程度和相应的切削速度是刀具寿命的指标。对于镍基合金零件，陶瓷刀片的沟槽磨损发生在切削深度线上，理想的使用方法应是沟槽磨损达到最大，同时后刀面磨损也达到最大。允许沟槽磨损延伸至刀片厚度的1/3。切削区常常发生快速沟槽磨损或崩刃，这是由于切削区热量不足引起的，可通过提高切削速度或降低进给或同时调整二者来纠正。
硬质合金刀具的刀路应与陶瓷刀片的刀路不同。陶瓷刀片会因沟槽磨损而很快失效。陶瓷刀具切削的编程方法和刀路与硬质合金刀具的不完全相同。必须使用适当的刀路和切削参数。
陶瓷刀具不适用于精加工壁厚小于2mm的薄壁零件，仍应使用硬质合金刀具。结论陶瓷材料是21世纪最有前途和竞争力的刀具材料，它的发展可能会引起切削加工领域的又一次革命。虽然我们在尝试过程中获得了一些经验，但仍需进一步进行实验，扩大加工材料的品种。只有掌握了陶瓷刀具的性能，才能更好地将其应用于高温合金的加工。
