摘要
高温合金是现代航空航天、核工业及化工业上必需的金属材料，其属于典型的难加工材料，使用传统刀具加工高温合金时刀具磨损严重，切削力大，而陶瓷刀具加工效率高、加工质量好，因此更多的前沿研究关注陶瓷刀具切削高温合金。本文基于微波烧结技术，研究并优化β-Sialon陶瓷材料的烧结助剂组合和Z值组分体系，设计出适合于铣削高温合金的立铣刀片刃形，最终制备出具有良好切削性能的β-Sialon陶瓷立铣刀片。 通过正交试验和不同烧结助剂的组合来提高β-Sialon陶瓷材料的密度和力学性能，确定了最优的烧结助剂体系，即5wt%Y2O3+0.5wt%Yb2O3，此时β-Sialon陶瓷刀具材料获得最佳的力学性能，其密度为3.23g/cm3，维氏硬度为14.30±0.23GPa，断裂韧性为7.28±0.73MPa·m1/2。Z值的变化改变了原始组分中Si3N4和Al2O3的配比，也使得微波烧结中β-Sialon致密化的难易程度发生变化。在优化后的烧结助剂基础上，研究了不同Z值对β-Sialon陶瓷材料的性能变化，其密度和力学性能均在Z=1.5时获得最大值，并在Z=2.1时获得最小值。Z=1.5时，氧化物原料Al2O3能与烧结助剂生成大量液相，进一步促进Si3N4在烧结过程中的溶解，使得致密化完全发生，微观组织中的晶粒形状多为棱柱状，长径比为2.1~4.5，高长径比晶粒能有效阻止晶粒拔出，从而极大提高了β-Sialon的断裂韧性。 仿真研究了刀具结构参数（前角、后角、刀尖圆弧半径）和铣削用量（铣削速度、每齿进给量和背吃刀量）对铣削力和铣削温度的影响。研究表明：当刀具前角角度为-5°时，刀具温度最小且切削力较小；随着刀具后角变大，其铣削温度均在1000℃左右，Fy方向铣削力和Fz方向铣削力逐渐减小，而Fx方向铣削力呈现先增大后减小的趋势，选择的刀具后角为9°。另一方面，虽然0.4mm的刀尖圆弧半径在三个方向上的铣削力为最小，但刀尖圆弧半径过小，切削刃的强度减弱，故选择的刀尖圆弧半径为0.8mm。 研究了β-Sialon陶瓷刀具立铣刀片和圆刀片铣削镍基高温合金的切削性能及失效机理。正交试验研究发现β-Sialon陶瓷立铣刀片适合低速小切深（??=50m/min，??=0.1mm/z，??=0.1mm）铣削镍基高温合金，并且影响切削性能最大的铣削参数是切削速度，其主要磨损形式是刀尖磨损、表面剥落、磨粒磨损和崩刃。β-Sialon陶瓷圆刀片铣削镍基高温合金的最佳铣削参数为??=800m/min，??=0.05mm/z，??=1mm，主要的磨损形式为磨料磨损、粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损，伴有崩刃和刀体材料的剥落。在相同铣削效率下，β-Sialon陶瓷刀具的金属去除量是商业涂层硬质合金刀具的5倍。
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