硬质合金超高速切削机理的研究

郭锐 刘秀波

【摘 要】从硬质合金的超高速切削现象着手研究硬质合金在到达一定切削速度后，切削力不增反降的原理。力求能够比较系统地阐述硬质合金超高速切削的原理。

【关键词】硬质合金切削;超高速切削;切削加工

0 引言

高速切削技术的应用是由于近年来对于硬质合金的加工需求而发展起来的。早在20世纪20年代， 德国学者Salomon 就开始了此项研究， 他通过试验得出了“对于某一种工件材料而言， 当切削速度达到一定值后， 切削力和切削温度不再上升， 反而下降[1] ”的结论。后来，许多国家开展了针对超高速切削的理论研究和超高速切削试验。美国等西方国家率先利用弹头击穿试验研究高速切削，并且在机床上进行了正规的高速切削试验， 继而在一些硬质金属上验证了高旭切削原理

试验结果表明， 高速加工的零件表面质量由于崩碎切削现象的消失而明显改善，明显的提高了表面精度， 被加工零件的表面温升和热变形较小， 切削力也较小。由于高速加工具有高效率和高表面质量等优越性， 所以从20世纪80 年代末起， 美、德等国家已开始生产商品化的高速加工机床. 但在其机理方面的研究则很少， 在超高速切削方面的研究更少。本文对硬质合金超高速切削原理和现象做了一些研究。

1 金属的切削原理和 切削类型

在金属的切削过程中不外乎这四个现象。其中大部分软质金属在合理的切削状态。都会表现出带状切削的状态，同时在刀尖出会有积屑瘤形成。在加工过程中，由于工件材料是被挤裂的，因此切屑对刀具的前面產生有很大的压力，并摩擦生成大量的切削热。在这种高温高压下，与刀具前面接触的那一部分切屑由于摩擦力的影响，流动速度相对减慢，形成“滞留层”。当摩擦力一旦大于材料内部晶格之间的结合力时，“滞流层”中的一些材料就会粘附在刀具附近刀尖的前面上，形成积屑瘤。使得切屑和工件之间的分子更加容易的沿着积屑瘤的边沿产生形变和相对的滑动，辅助切削和保护刀尖。

2 硬质合金在普通速度切削下的现象和推理

然而，在普通切削环境中硬质合金材料更容易表象出崩碎切削、单元切削和挤裂切削且几乎不会有积屑瘤形成。

由此得出一个推论，那就是在普通切削下由于硬质合金材料本身的硬度和强度，在普通速度切削过程中晶格之间难以产生相对形变和滑动。硬质合金在普通高速切削中受到切削力作用时往往由于分子之间强大的结合力使得材料只能沿着晶格之间结合力稍弱的整块晶体的边缘破裂。随后就产生了我们所看到的崩碎切削等块状切屑现象。

3 硬质合金在超高速切削下的现象和推理

在高于普通切削速度5-10倍的超高速切削中。硬质合经材料出现了质的变化。切削力降为普通切削的0.7-0.1倍。切削热量减少了90% 。材料本身变得容易加工，表面粗糙度提升很多。硬质合金材料在超高速切削下几乎和普通软质金属材料没有区别。

由此得出另一个推论，硬质合金材料在超高速切削中表现出软质金属在普通速度切削中的性质。可能是在超高速切削中在刀尖接触的一定范围内材料出现了变化。超高的切削速度使得硬质合金材料的晶体与晶体之间的约束力甚至晶格内部原子之间的约束力变得相对脆弱，晶体或原子之间非常容易的发生了相对变形和滑动。

4 超高速切削机理分析

在硬质合金的超高速切削中，切屑底层金属组织出现了相变超塑性现象[2]。由于超塑性的出现， 变形力明显减小， 没有加工硬化现象， 试样变形后的弯曲率加大。超高速切削时的许多物理现象， 实际上是金属材料由塑性向超塑性的一种转变[3]。主要作用机制是金属材料的超塑性。只要切屑的变形速率和温度达到某一高度值以后，切屑底层就能表现出相变超塑性现象。因此， 切削力下降，工件变形减小，工件表面温度低，无加工硬化等。当然，不同的金属材料，相变超塑性转变的变形速率和温度也各不相同。

从微观上来看，晶体并不是刚体而是弹性体。而且由于构成晶体的原子和晶体结构的不同，其刚性、弹性、晶体强度和传递冲击能量的能力完全不同。在材料受到冲击时，冲击能量由冲击点向材料深处扩散。随着冲击速度的提高同样的材料上接受到的冲击能量就越难以传递到材料深处。当到达一定的冲击速度冲击能量会聚集在接触点一定距离内的晶格之间，使得原子震动增加。整个现象类似于空气中的多普勒效应。冲击速度越快，出现材料震动峰值的区域越小，震动峰值越高，且整个区域紧贴着冲击点。当原子震动速度超过晶格的约束能力造成晶格变得容易破裂和变形。这时候晶格之间就会很容易的产生相对变形和滑动。宏观上硬质合经材料就表现得如同软质金属一样的加工性质。此时的冲击速度就是此材料相变超塑性现象产生的临界速度。此时的切削速度也就是此材料的超高速切削的临界且须速度。

随切削速度的增大， 切屑底层的超塑性层厚逐渐减薄。这就是超高速切削时切屑变形的机理和本质。

5 结束语

通过对硬质合金在普通切削和超高速切削下的现象的观察。作出了相应的推论并且作出了推理和分析。由此分析而得出了如下几点：

1）硬质合金材料的超高速切削加工其切削速度是有最低临界速度要求的。

2）超高速切削时， 随切削速度的增大， 切屑底层的超塑性层厚逐渐减薄，这就是超高速切削时切屑变形的机理和本质。

【参考文献】

[1]于信汇.钢铁的超高速铣削[J].机械工艺师，1992（12）.

[2]李炯辉.钢铁材料金相图谱[M].上海：上海科学技术出版社，1981.

[3]张志军.超高速切削机理的研究[J].沈阳工业学院学报，1993，18（1）.

[责任编辑：张涛]