机械加工陶瓷刀具的优缺点是什么（浅析金属陶瓷和纯陶瓷立体铣刀刀具加工砂轮的选择与使用）

机械加工陶瓷刀具的优缺点是什么（浅析金属陶瓷和纯陶瓷立体铣刀刀具加工砂轮的选择与使用）表2 几种结合剂超硬砂轮的特点鉴于金属陶瓷和纯陶瓷的高硬度高耐磨性，选择一款合适的砂轮就变的比较难，但是可以确定的是只能用超硬砂轮来加工，普通砂轮硬度太低消耗过大从而无法保证精度。为了更好地选择砂轮来加工，我们先了解一下几种结合剂砂轮的特点。从表1中纯陶瓷的性能数据来看，与硬质合金密度9.7～15.3相比，陶瓷密度普遍偏低，但是这个并不代表陶瓷致密度低，恰恰相反，从磨削加工的角度来看陶瓷的致密度并不低。抗弯强度相比硬质合金要低很多，这个说明陶瓷本身脆性较大，磨削加工中容易产生崩口。维氏硬度相比较硬质合金要高，相对应的耐磨性也会高。相对硬质合金来说热导率低会导致加工中冷却效果降低。热膨胀系数和热冲击温度数据表明陶瓷的稳定性能良好，做出来的刀具同样具有良好的稳定性，这也是陶瓷刀具迅速发展的原因之一。然而对于陶瓷刀具来说脆性大并不是好事，除了加工过程中容易产生崩口之外，客户在使用的过程中也容易产

随着全球刀具需求的不断增加，中国刀具生产量也在不断增加，硬质合金刀具也在不断向异性复杂的方向发展。近几年，纯陶瓷和金属陶瓷刀具的出现，代替了一部分硬质合金刀具。由于陶瓷本身的化学稳定特性，在部分加工领域得到了很好的效果。但是加工起来确实比一般的硬质合金难度系数高一些，本文结合实际加工案列就金属陶瓷和纯陶瓷立体铣刀刀具加工中砂轮的选择和使用简单谈一些思路和看法，希望能起到抛砖引玉的作用。

1 金属陶瓷和纯陶瓷的特性

陶瓷本身具有高硬度、耐热度、耐腐蚀性、耐磨性、质量轻、脆性大的特点。目前市场上面常见的有氧化铝系、氧化锆系、氮化硅系、碳化硅系四种类别的系列。表1列举了几个系列的陶瓷的性能。

表1 常见系列陶瓷的性能

从表1中纯陶瓷的性能数据来看，与硬质合金密度9.7～15.3相比，陶瓷密度普遍偏低，但是这个并不代表陶瓷致密度低，恰恰相反，从磨削加工的角度来看陶瓷的致密度并不低。抗弯强度相比硬质合金要低很多，这个说明陶瓷本身脆性较大，磨削加工中容易产生崩口。维氏硬度相比较硬质合金要高，相对应的耐磨性也会高。相对硬质合金来说热导率低会导致加工中冷却效果降低。热膨胀系数和热冲击温度数据表明陶瓷的稳定性能良好，做出来的刀具同样具有良好的稳定性，这也是陶瓷刀具迅速发展的原因之一。

然而对于陶瓷刀具来说脆性大并不是好事，除了加工过程中容易产生崩口之外，客户在使用的过程中也容易产生崩口。为了解决这个问题，国内部分厂家选择在陶瓷里面添加金属的成分来改变陶瓷的性能。添加金属之后的陶瓷我们一般称之为金属陶瓷。金属陶瓷材料经过数年的不断研发，目前已经在石墨加工、模具加工等方面取得了突破性进展，这也为金属陶瓷刀具的发展提供了基础动力。也有一部分厂家通过改性陶瓷粉的材料性能而研发出高韧性陶瓷材料，这类陶瓷材料强度和硬度并未降低，实际使用效果却改善很多。这类陶瓷在模具行业应用得到了部分厂家的肯定。

2 金属陶瓷和纯陶瓷的砂轮选择

鉴于金属陶瓷和纯陶瓷的高硬度高耐磨性，选择一款合适的砂轮就变的比较难，但是可以确定的是只能用超硬砂轮来加工，普通砂轮硬度太低消耗过大从而无法保证精度。为了更好地选择砂轮来加工，我们先了解一下几种结合剂砂轮的特点。

表2 几种结合剂超硬砂轮的特点

从表2可以看出，要想砂轮保持性好，树脂砂轮由于偏软很难达到要求；要想抛光效果好，金属砂轮和陶瓷砂轮也很难达到要求。电镀砂轮由于寿命太低，更无法选择。陶瓷材料耐磨系数大，相比硬质合金来说，同等的加工条件下会消耗更多的砂轮，产生更多的热量，所以要求砂轮耐热效果要好，很明显树脂砂轮的耐热性能较低，消耗会加快。

目前加工金属陶瓷和纯陶瓷立体铣刀市场上主流的设备是五轴磨刀机，这类设备精度较高，价格也相对较高，设备稳定性能较好，这些也为加工陶瓷铣刀提供了基础条件。主要问题是如何有效的利用磨刀机磨出客户要求的立体铣刀？鉴于此，珠海市世创金刚石工具制造有限公司引进国外先进技术，研发了一款适合在五轴磨刀机上面使用的复合型结合剂砂轮。

3 复合型结合剂砂轮的特点

世创公司研发的这款复合型结合剂砂轮有两种：

一种是用来粗加工，是以金属结合剂和陶瓷结合剂的复合材料烧制而成，针对陶瓷难加工的特点，不断调节结合剂的配比和软硬度以达到客户使用的目的。金属结合剂本身的高结合度高寿命和陶瓷结合剂的高精度高自锐性的融合，解决了砂轮在使用过程中寿命和精度问题，同时由于内部结构带有气孔，砂轮不易堵塞，大大提高了砂轮加工效率。

另外一种是用来抛光，是以树脂结合剂和金属结合剂的复合材料烧制而成，针对陶瓷加工中产生的大量的热容易使树脂砂轮快速磨损的特点，在树脂砂轮中引入金属成分，从而大大提高了胎体强度和耐热性，既保证了磨削抛光效果，又提高了砂轮寿命。

下面以直径6mm的四刃金属陶瓷立体铣刀加工为例，具体说明复合结合剂的加工优势，加工设备瓦尔特POWER，油冷，见表3.

表3 复合结合剂和树脂结合砂轮加工对比

从加工的角度来讲，核心的问题还是开槽的效率和崩口问题的解决，加工时不能一味提高效率而忽略了崩口导致后续加工时间过长而延长整体加工时间。通过不断测试，我们发现D35开槽效果比较理想，在没有大幅降低开槽效率的同时又大大提升了抛光的效率，综合提高了加工效率。当然目前还只是针对直径小于8mm的陶瓷刀做的测试，大刀的加工还需要在粗的工序上面增加一道更粗粒度的开粗砂轮来提升效率。

4 加工金属陶瓷和纯陶瓷应注意的其他事项

除了砂轮结合剂的选择外，加工金属陶瓷和纯陶瓷还应当注意砂轮粒度的选择、冷却类型和量的选择、过滤系统的改进等。

砂轮粒度主要影响磨削加工表面的粗糙度和磨削加工效率。粒度较粗则加工效率高，但表面粗糙度较大；粒度细则磨削效果正好相反。同时，粒度对磨削力和磨削比也有一定的影响。研究表明，随着粒度号的增加，磨削力也在增加且主轴的负荷也在增加。而磨削比随着砂轮的细粒化而减小。因 此选择粒度要把握作业的目的，粗磨时注重效率，精磨时注重质量。

由于陶瓷的难加工性，磨削时必然产生大量的热，所以对冷却液的类型和量也有要求。原则上，需求冷却液具有较大的比热从而在加工中瞬间带走大量的热量，这也要求冷却液的量要比磨一般的硬质合金大许多。陶瓷本身难加工，如果用冷却油容易在加工表面形成油膜导致加工难度增加，部分形成打滑现象。从这个角度看水冷要比油冷效果好，但是由于设备的价格昂贵，用水对设备不利，所以一般选择比热容较大的油类冷却液。

陶瓷密度比硬质合金低，磨削出来的废料不容易沉底，这就对过滤系统有着更高的要求。如果只是打样，废水中陶瓷的含量很低，不足以造成对设备的伤害，不需要改进。但是批量加工则要用专业的过滤系统以降低废料对设备的损害。

金属陶瓷和纯陶瓷立体铣刀的加工还没有完全成熟，很多细节还不够完善，需要我们不断探索；但可以肯定的是未来发展一定会应用越来越广泛。

本文作者刘帅，毕业于河南工业大学磨料磨具专业，在读研究生，长期从事超硬砂轮事业。本文未经作者允许，不得转载。