实现超高速铣削途径的探讨

在粗加工时，加工效率以每分钟加工出的体积表征，加工体积与切削速度、进给量和切削深度成正比；在半精加工和精加工时，加工效率以每分钟加工出的面积表征，加工面积与切削速度和进给量成正比。故提高切削速度能成正比地提高加工效率。多年来切削加工专家一直在研究提高切削速度的技术，虽然在各种研究报告中，都曾介绍每分钟达到上千米的切削速度的研究结果，但都是实验室的成果，没有投产。

一、发展超高速切削的道路

1. 从切削理论可知，切削温度q与切削速度v的关系为：q=cv0.4。

目前生产中采用硬质合金刀具加工钢料的速度一般为100～300m/min，采用陶瓷刀具精加工钢料的切削速度为200～500m/min，采用氮化硼精切削加工钢料为300～600m/min。此时的切削温度约为800～1200℃。按此切削规律可以推算出，若切削速度为5 000m/min时，切削温度约为3300℃；若切削速度为10 000m/min时则为4400℃。

因此，遵循上述基本规律，研究发展超高速切削的途径主要集中在发展耐高温的材料，由于高温高硬材料的耐热性研究，近年没有大的进展，故近二三十年超高速切削也没有大的进展。

2. 由切削理论可知，最佳的切削条件位于刀具与工件硬度比最大的区域，如图1。当横坐标为温度，纵坐标为硬度时，设曲线1为硬质合金刀具硬度随温度的变化，曲线2为工件硬度随温度的变化，则当切削温度为900～1100℃时，刀具硬度与工件硬度比最大，此时刀具最耐用。它给人们的启迪是，若能设法将刀具温度和工件温度区别开，使刀具温度保持较低，而使工件温度升到较高，就可能开辟出发展超高速切削的新途径。

图1 刀具与材料硬度与温度的关系

二、提升工件区温度的途径

1. 正压力变形造成温度的升高，如图2a所示，设刀具经淬硬热处理，工件为未淬火钢，当刀具单位压力P超过工件的屈服强度时，工件材料内部产生滑移，并出现大量的内摩擦热及温升。而此时的应力小于刀具的抗压强度，因此，淬硬的刀具无内部滑移及生热。从强度理论可知，最大滑移的应力并不在刀具与工件的接触面上，而在工件接触面以下约0.2mm处(见图2b)。因此，工件内最先在高接触面以下部位出现裂纹，形成低强度面(见图2a)。

图2 切削变形与应力

2. 超高速切向摩擦造成温度再升高，如图2a，若再使刀具沿切向V作超高速移动，由于刀具与工件表面凹凸处的咬合和粘结，工件的切向撕裂面一般不在接触面，而多数在已形成微裂纹的，平行于接触面的下面一个平面。另外，由于接触面被刀具带走一部分热量，温度较低；而撕裂面温度相对较高，强度较低，从而造成刀具带去一层工件材料。

若刀具为铣刀，则前一个刀齿利用正压力(进给)和摩擦力(切削速度)将工件加热，造成工件的强度下降几倍。则后一刀齿的任务，就是把这一层刮去了。当然，后一个刀齿(如上)又为再后一个刀齿加热工件。故它的本质是一种加热超高速切削。

图3 切削区温度场

3. 利用三维热传导方程：dq/dt=a(¶2q/¶x2+¶2q/¶y2+¶2q/¶z2)以及有限元法，可以找到温控方程，代入有关切削参数(具体参数见第四部分)，可算出切削区温度场如图3所示，最高温度为922℃。此时，由图1工件材料硬度与温度曲线，可得工件材料的硬度将由40HRC降到8HRC左右。

三、保持刀具刃区低温的途径

提高切削速度，减少刀具与工件接触的时间。设铣刀直径为f1800mm，工件切削长度为100mm，则当切削速度为1000m/min时，铣削刀刃与工件接触时间为6ms；当铣削速度为10 000m/min时，接触时间为0.6ms，而热量在钢中的传播速度为0.5mm/s。因此，热量刚传到0.3µm深度时，刀具就切出了，即热量还来不及传到刀具中。

2. 加强铣刀的冷却。设若铣刀直径为f1800mm，其周长为pd≈5.65m。因此，刀齿有5.65m的空行程，受一点热又被冷到常温了。图4所示为刀具刃区的温度曲线，温度始终在常温到300℃范围徘徊。

图4 刀具刃区温度曲线

设法让刀刃形成保护层。图5所示为刀齿的金相磨片，由图看出，刀齿在生产中使用24h后，当刀具材料为65Mn时，其金相组织仍为马氏体，刀刃区的显微硬度为564～570HV(53～54HRC)，还是原来的淬火硬度50～55HRC。而在刀刃顶部(外圆)有一层白色的吸附层，其显微硬度达974～1094HV(68～70HRC)。这一高硬度层，代替刀刃在进行切削。

图5 刀齿磨损金相照片

四、超高速切削的生产实践

在现代钢厂的钢坯切割中，要求很高的效率，才能跟上连轧机的节拍。它采用锯片的直径为f1800mm，转速为1500r/min，切削速度为8482m/min，进给量为100mm/s。锯片材料为65Mn，硬度为50～55HRC。使用寿命一般达24h，也就是说，已经在生产中实现了超高速切削。笔者从事了上述实践过程，并对其进行了理论分析。 (end)