郭銳 劉秀波

【摘 要】從硬質(zhì)合金的超高速切削現(xiàn)象著手研究硬質(zhì)合金在到達(dá)一定切削速度后，切削力不增反降的原理。力求能夠比較系統(tǒng)地闡述硬質(zhì)合金超高速切削的原理。

【關(guān)鍵詞】硬質(zhì)合金切削;超高速切削;切削加工

0 引言

高速切削技術(shù)的應(yīng)用是由于近年來對于硬質(zhì)合金的加工需求而發(fā)展起來的。早在20世紀(jì)20年代， 德國學(xué)者Salomon 就開始了此項研究， 他通過試驗(yàn)得出了“對于某一種工件材料而言， 當(dāng)切削速度達(dá)到一定值后， 切削力和切削溫度不再上升， 反而下降[1] ”的結(jié)論。后來，許多國家開展了針對超高速切削的理論研究和超高速切削試驗(yàn)。美國等西方國家率先利用彈頭擊穿試驗(yàn)研究高速切削，并且在機(jī)床上進(jìn)行了正規(guī)的高速切削試驗(yàn)， 繼而在一些硬質(zhì)金屬上驗(yàn)證了高旭切削原理

試驗(yàn)結(jié)果表明， 高速加工的零件表面質(zhì)量由于崩碎切削現(xiàn)象的消失而明顯改善，明顯的提高了表面精度， 被加工零件的表面溫升和熱變形較小， 切削力也較小。由于高速加工具有高效率和高表面質(zhì)量等優(yōu)越性， 所以從20世紀(jì)80 年代末起， 美、德等國家已開始生產(chǎn)商品化的高速加工機(jī)床. 但在其機(jī)理方面的研究則很少， 在超高速切削方面的研究更少。本文對硬質(zhì)合金超高速切削原理和現(xiàn)象做了一些研究。

1 金屬的切削原理和 切削類型

在金屬的切削過程中不外乎這四個現(xiàn)象。其中大部分軟質(zhì)金屬在合理的切削狀態(tài)。都會表現(xiàn)出帶狀切削的狀態(tài)，同時在刀尖出會有積屑瘤形成。在加工過程中，由于工件材料是被擠裂的，因此切屑對刀具的前面產(chǎn)生有很大的壓力，并摩擦生成大量的切削熱。在這種高溫高壓下，與刀具前面接觸的那一部分切屑由于摩擦力的影響，流動速度相對減慢，形成“滯留層”。當(dāng)摩擦力一旦大于材料內(nèi)部晶格之間的結(jié)合力時，“滯流層”中的一些材料就會粘附在刀具附近刀尖的前面上，形成積屑瘤。使得切屑和工件之間的分子更加容易的沿著積屑瘤的邊沿產(chǎn)生形變和相對的滑動，輔助切削和保護(hù)刀尖。

2 硬質(zhì)合金在普通速度切削下的現(xiàn)象和推理

然而，在普通切削環(huán)境中硬質(zhì)合金材料更容易表象出崩碎切削、單元切削和擠裂切削且?guī)缀醪粫蟹e屑瘤形成。

由此得出一個推論，那就是在普通切削下由于硬質(zhì)合金材料本身的硬度和強(qiáng)度，在普通速度切削過程中晶格之間難以產(chǎn)生相對形變和滑動。硬質(zhì)合金在普通高速切削中受到切削力作用時往往由于分子之間強(qiáng)大的結(jié)合力使得材料只能沿著晶格之間結(jié)合力稍弱的整塊晶體的邊緣破裂。隨后就產(chǎn)生了我們所看到的崩碎切削等塊狀切屑現(xiàn)象。

3 硬質(zhì)合金在超高速切削下的現(xiàn)象和推理

在高于普通切削速度5-10倍的超高速切削中。硬質(zhì)合經(jīng)材料出現(xiàn)了質(zhì)的變化。切削力降為普通切削的0.7-0.1倍。切削熱量減少了90% 。材料本身變得容易加工，表面粗糙度提升很多。硬質(zhì)合金材料在超高速切削下幾乎和普通軟質(zhì)金屬材料沒有區(qū)別。

由此得出另一個推論，硬質(zhì)合金材料在超高速切削中表現(xiàn)出軟質(zhì)金屬在普通速度切削中的性質(zhì)?？赡苁窃诔咚偾邢髦性诘都饨佑|的一定范圍內(nèi)材料出現(xiàn)了變化。超高的切削速度使得硬質(zhì)合金材料的晶體與晶體之間的約束力甚至晶格內(nèi)部原子之間的約束力變得相對脆弱，晶體或原子之間非常容易的發(fā)生了相對變形和滑動。

4 超高速切削機(jī)理分析

在硬質(zhì)合金的超高速切削中，切屑底層金屬組織出現(xiàn)了相變超塑性現(xiàn)象[2]。由于超塑性的出現(xiàn)， 變形力明顯減小， 沒有加工硬化現(xiàn)象， 試樣變形后的彎曲率加大。超高速切削時的許多物理現(xiàn)象， 實(shí)際上是金屬材料由塑性向超塑性的一種轉(zhuǎn)變[3]。主要作用機(jī)制是金屬材料的超塑性。只要切屑的變形速率和溫度達(dá)到某一高度值以后，切屑底層就能表現(xiàn)出相變超塑性現(xiàn)象。因此， 切削力下降，工件變形減小，工件表面溫度低，無加工硬化等。當(dāng)然，不同的金屬材料，相變超塑性轉(zhuǎn)變的變形速率和溫度也各不相同。

從微觀上來看，晶體并不是剛體而是彈性體。而且由于構(gòu)成晶體的原子和晶體結(jié)構(gòu)的不同，其剛性、彈性、晶體強(qiáng)度和傳遞沖擊能量的能力完全不同。在材料受到?jīng)_擊時，沖擊能量由沖擊點(diǎn)向材料深處擴(kuò)散。隨著沖擊速度的提高同樣的材料上接受到的沖擊能量就越難以傳遞到材料深處。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的沖擊速度沖擊能量會聚集在接觸點(diǎn)一定距離內(nèi)的晶格之間，使得原子震動增加。整個現(xiàn)象類似于空氣中的多普勒效應(yīng)。沖擊速度越快，出現(xiàn)材料震動峰值的區(qū)域越小，震動峰值越高，且整個區(qū)域緊貼著沖擊點(diǎn)。當(dāng)原子震動速度超過晶格的約束能力造成晶格變得容易破裂和變形。這時候晶格之間就會很容易的產(chǎn)生相對變形和滑動。宏觀上硬質(zhì)合經(jīng)材料就表現(xiàn)得如同軟質(zhì)金屬一樣的加工性質(zhì)。此時的沖擊速度就是此材料相變超塑性現(xiàn)象產(chǎn)生的臨界速度。此時的切削速度也就是此材料的超高速切削的臨界且須速度。

隨切削速度的增大， 切屑底層的超塑性層厚逐漸減薄。這就是超高速切削時切屑變形的機(jī)理和本質(zhì)。

5 結(jié)束語

通過對硬質(zhì)合金在普通切削和超高速切削下的現(xiàn)象的觀察。作出了相應(yīng)的推論并且作出了推理和分析。由此分析而得出了如下幾點(diǎn)：

1）硬質(zhì)合金材料的超高速切削加工其切削速度是有最低臨界速度要求的。

2）超高速切削時， 隨切削速度的增大， 切屑底層的超塑性層厚逐漸減薄，這就是超高速切削時切屑變形的機(jī)理和本質(zhì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]于信匯.鋼鐵的超高速銑削[J].機(jī)械工藝師，1992（12）.

[2]李炯輝.鋼鐵材料金相圖譜[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

[3]張志軍.超高速切削機(jī)理的研究[J].沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1993，18（1）.

[責(zé)任編輯：張濤]