硬質合金超高速切削機理的研究

郭銳 劉秀波

【摘 要】從硬質合金的超高速切削現象著手研究硬質合金在到達一定切削速度后，切削力不增反降的原理。力求能夠比較系統地闡述硬質合金超高速切削的原理。

【關鍵詞】硬質合金切削;超高速切削;切削加工

0 引言

高速切削技術的應用是由于近年來對于硬質合金的加工需求而發展起來的。早在20世紀20年代， 德國學者Salomon 就開始了此項研究， 他通過試驗得出了“對于某一種工件材料而言， 當切削速度達到一定值后， 切削力和切削溫度不再上升， 反而下降[1] ”的結論。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。美國等西方國家率先利用彈頭擊穿試驗研究高速切削，并且在機床上進行了正規的高速切削試驗， 繼而在一些硬質金屬上驗證了高旭切削原理

試驗結果表明， 高速加工的零件表面質量由于崩碎切削現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量等優越性， 所以從20世紀80 年代末起， 美、德等國家已開始生產商品化的高速加工機床. 但在其機理方面的研究則很少， 在超高速切削方面的研究更少。本文對硬質合金超高速切削原理和現象做了一些研究。

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象。其中大部分軟質金屬在合理的切削狀態。都會表現出帶狀切削的狀態，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”。當摩擦力一旦大于材料內部晶格之間的結合力時，“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生形變和相對的滑動，輔助切削和保護刀尖。

2 硬質合金在普通速度切削下的現象和推理

然而，在普通切削環境中硬質合金材料更容易表象出崩碎切削、單元切削和擠裂切削且幾乎不會有積屑瘤形成。

由此得出一個推論，那就是在普通切削下由于硬質合金材料本身的硬度和強度，在普通速度切削過程中晶格之間難以產生相對形變和滑動。硬質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大的結合力使得材料只能沿著晶格之間結合力稍弱的整塊晶體的邊緣破裂。隨后就產生了我們所看到的崩碎切削等塊狀切屑現象。

3 硬質合金在超高速切削下的現象和推理

在高于普通切削速度5-10倍的超高速切削中。硬質合經材料出現了質的變化。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。硬質合金材料在超高速切削下幾乎和普通軟質金屬材料沒有區別。

由此得出另一個推論，硬質合金材料在超高速切削中表現出軟質金屬在普通速度切削中的性質。可能是在超高速切削中在刀尖接觸的一定范圍內材料出現了變化。超高的切削速度使得硬質合金材料的晶體與晶體之間的約束力甚至晶格內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生了相對變形和滑動。

4 超高速切削機理分析

在硬質合金的超高速切削中，切屑底層金屬組織出現了相變超塑性現象[2]。由于超塑性的出現， 變形力明顯減小， 沒有加工硬化現象， 試樣變形后的彎曲率加大。超高速切削時的許多物理現象， 實際上是金屬材料由塑性向超塑性的一種轉變[3]。主要作用機制是金屬材料的超塑性。只要切屑的變形速率和溫度達到某一高度值以后，切屑底層就能表現出相變超塑性現象。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。當然，不同的金屬材料，相變超塑性轉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。而且由于構成晶體的原子和晶體結構的不同，其剛性、彈性、晶體強度和傳遞沖擊能量的能力完全不同。在材料受到沖擊時，沖擊能量由沖擊點向材料深處擴散。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。當到達一定的沖擊速度沖擊能量會聚集在接觸點一定距離內的晶格之間，使得原子震動增加。整個現象類似于空氣中的多普勒效應。沖擊速度越快，出現材料震動峰值的區域越小，震動峰值越高，且整個區域緊貼著沖擊點。當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生相對變形和滑動。宏觀上硬質合經材料就表現得如同軟質金屬一樣的加工性質。此時的沖擊速度就是此材料相變超塑性現象產生的臨界速度。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理和本質。

5 結束語

通過對硬質合金在普通切削和超高速切削下的現象的觀察。作出了相應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：

1）硬質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理和本質。

【參考文獻】

[1]于信匯.鋼鐵的超高速銑削[J].機械工藝師，1992（12）.

[2]李炯輝.鋼鐵材料金相圖譜[M].上海：上?？茖W技術出版社，1981.

[3]張志軍.超高速切削機理的研究[J].沈陽工業學院學報，1993，18（1）.

[責任編輯：張濤]