高速切削中材料對(duì)切屑的影響

    切屑的形成和切削力與切削速度的相互關(guān)系會(huì)受到工件材質(zhì)及其熱處理狀態(tài)的極大影響。除了材質(zhì)的熱特性和機(jī)械特性之外，材質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分都決定了在高速切削時(shí)是否采用分段切削作業(yè)。

    圖1 在HSC加工過程中，是否可降低切削力，這主要要視工件的材質(zhì)情況而定。因此，為了達(dá)到較小的切削力和較小的形狀偏差，并非必須采用很高的切削速度

圖2 高速切削的特征

    高速切削（HSC）同傳統(tǒng)的切削工藝相比，具有高切削速度和大切削量的特點(diǎn)。隨著切削速度的不斷提高，對(duì)于很多材質(zhì)來說，都需要觀察切削力下降的情況（見圖 2）。針對(duì)單個(gè)組別的材質(zhì)，則可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定出的切削速度范圍。可以利用一種描述切削力下降與切削速度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)假設(shè)，來計(jì)算可表明高速切削條件的最低極限切削速度νHSC。據(jù)此，切削力則由一個(gè)恒定的與切削速度相關(guān)聯(lián)的分量和一個(gè)隨切削速度上升而呈指數(shù)下降的分量構(gòu)成。如果切削力的動(dòng)態(tài)分量下降為其原始數(shù)值的14%，則按定義就達(dá)到了極限切削速度（見圖3）。

圖3 從切削力曲線中計(jì)算切削速度VHSC

   除了切削力隨切削速度上升而下降的因素之外，還需要注意在加工有些材質(zhì)時(shí)，切屑會(huì)由連續(xù)性帶狀切屑向扇形切屑轉(zhuǎn)變。從文獻(xiàn)資料上看，對(duì)于扇形切屑的形成目前有著如下兩種不同的解釋：

（1）由于切削速度上升，工件形狀改變的速度和有效加工區(qū)域內(nèi)由熱轉(zhuǎn)化而來的功也在隨之提高。第一種解釋是基于一種假設(shè)，即由于熱量生成和熱量傳導(dǎo)這兩者之間并不平衡，從而在剪切面上會(huì)出現(xiàn)熱量堵塞現(xiàn)象（熱量模式），最終導(dǎo)致材質(zhì)的熱失效。這種被稱為隔熱效應(yīng)的現(xiàn)象在某些溫度傳導(dǎo)能力差的材質(zhì)上表現(xiàn)尤為明顯。

（2）第二種解釋來源于硬加工，由切削過程中剪切面的表面循環(huán)性裂紋生成，從而導(dǎo)致很高應(yīng)力的原理中推導(dǎo)出來。在切割邊緣，材料會(huì)發(fā)生塑性變形，從而生成帶狀屑，它可把單片扇形屑粘合在一起。

    在 Bremen大學(xué)進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)，其目的是在進(jìn)行外圓縱向切削時(shí)，對(duì)材料的機(jī)械、熱量和結(jié)構(gòu)對(duì)切屑形成特性的影響，以及在高速條件下切削力與切削速度之間關(guān)系進(jìn)行研究。不同的材質(zhì)特性可以通過選擇不同的材料和通過有針對(duì)性的熱處理而獲得。圖3所示表明了試驗(yàn)的材料對(duì)切屑形成有著重要影響的熱能（溫度傳導(dǎo)能力）和機(jī)械（室溫下的抗拉強(qiáng)度）特性。依據(jù)這種有關(guān)扇形切屑生成的機(jī)械和熱能解釋模式，可以認(rèn)為，溫度傳導(dǎo)能力強(qiáng)但抗拉強(qiáng)度弱的材料，更容易產(chǎn)生連續(xù)性的帶狀切屑（圖4中對(duì)角線以上區(qū)域）；而溫度傳導(dǎo)能力差但抗拉強(qiáng)度高的材料則更容易生成扇形切屑（圖4中對(duì)角線以下區(qū)域）。

圖4 所使用材料按照其抗拉強(qiáng)度和溫度傳導(dǎo)能力的排列情況

    為了表述切屑種類特征，引用了扇形化程度的概念Gs，它可以通過顯微圖片并依據(jù)最小切屑厚度與最大切屑厚度的比例關(guān)系，對(duì)所出現(xiàn)的切屑進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖5）。顯微圖片由在大于極限切削速度νHSC的切削速度下所產(chǎn)生的切屑制得。針對(duì)連續(xù)性帶狀切屑，扇形程度指數(shù)等于0；若為完全扇形的切屑，扇形程度指數(shù)則為1。

圖5 扇形化程度Gs的計(jì)算

調(diào)質(zhì)狀態(tài)影響切屑形成

    從廣泛的試驗(yàn)材料中，圖6根據(jù)對(duì)42CrMo4和純銅的切屑顯微圖片，舉例展示在高速切削過程中出現(xiàn)的不同切屑種類的特征。為了使結(jié)果具有可比性，在兩種情況下使用了帶有負(fù)切削角的CBN刀具。顯而易見的是42CrMo4的調(diào)質(zhì)狀態(tài)所帶來的影響。在硬度為33HRC時(shí)，實(shí)際上沒有出現(xiàn)切屑扇形化的現(xiàn)象。較低的Gs=0.22應(yīng)該歸結(jié)于切屑的上側(cè)面被扯散的緣故。在硬度達(dá)到54HRC時(shí)，扇形化程度即會(huì)達(dá)到Gs=0.45。切屑顯微圖尚無法表明，切屑扇形化的原因究竟是什么：是隔熱切削（熱量原因），抑或是循環(huán)性裂紋生成（機(jī)械原因）所致。如果因調(diào)質(zhì)強(qiáng)度較大，溫度傳導(dǎo)能力變化很小，那么即可斷定扇形化切屑生成的原因即在于剪切區(qū)域的前端連續(xù)產(chǎn)生了裂紋所致。

切削銅生成的切屑

    銅具有韌性好和導(dǎo)熱性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，這種材料不會(huì)生成扇形化切屑。這種特性也通過切削速度達(dá)到νc =5500 m/min的試驗(yàn)結(jié)果得到了驗(yàn)證。顯微圖（圖6c）所示為一種因連續(xù)的變形而產(chǎn)生的連續(xù)性帶狀切屑。

    圖 6 高速外形縱向車削試驗(yàn)中硬度為33HRC (a) 和54HRC (b) 的調(diào)質(zhì)42CrMo4以及銅 (c) 的切屑的扇形化程度νC > νHSC, f = 0.1mm, αρ = 0.1 mm, 干冷卻; 材料：切削材料CBN, 幾何形狀 PCLN-R161H12; 刀具幾何外形: 倒角95o，切削角-7 o, 自由角7 o, 刀尖圓弧半徑0.8 mm。

    其他材料（如鋁合金 AlZnMgCu1.5和易切削黃銅CuZn39Pb3）也表明會(huì)在微結(jié)構(gòu)和化學(xué)上對(duì)切削的形成產(chǎn)生影響。針對(duì)鋁合金材質(zhì)，對(duì)不同的伸展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)（最大硬化，欠老化）。只有在欠老化的情況下，才可觀察到扇形化的切屑。這可以歸結(jié)到一種交互分離，它阻止了在剪切區(qū)域在變形過程中位移的發(fā)生。而在黃銅上，或許是因?yàn)殂U的斷屑作用，造成了扇形化切屑的生成。

    有一大部分材質(zhì)在切削速度提高時(shí)切削力反而會(huì)下降（見下表）。但試驗(yàn)結(jié)果表明，這種現(xiàn)象并非單純因切屑形成的機(jī)理所致，而主要的緣由是在于剪切角度加大即切削比降低。對(duì)于大多數(shù)鋼材來說，在HSC加工過程中因熱力機(jī)械特性原因而產(chǎn)生扇形切屑，便是這種情況。

    在所試驗(yàn)的純鋁、純銅和純鐵材質(zhì)上，因切削速度加大而切削力明顯降低的現(xiàn)象非常突出。在試驗(yàn)的切削速度范圍內(nèi)，這種材質(zhì)只生成連續(xù)性帶狀切屑。這主要是因?yàn)檫@些材質(zhì)具有很好的溫度傳導(dǎo)性能（鋁和銅）和較低的抗拉強(qiáng)度（鋁/銅/純鐵）。在因化學(xué)成分或微結(jié)構(gòu)方面而生成扇形化切屑的材料上，所觀察到的切削力與切削速度之間的依存關(guān)系并不明顯。

切屑的扇形化會(huì)加重切削刀刃的載荷

    在高速加工過程中，根據(jù)所采用的不同材料及其熱處理狀態(tài)，可觀察到切屑的扇形化變化。除了材料的機(jī)械和熱力特性之外，材質(zhì)的化學(xué)和微結(jié)構(gòu)也起到了重要的作用。在對(duì)高速切削刀具的設(shè)計(jì)上，尤其需要注意這方面的認(rèn)知，這是因?yàn)榍行嫉纳刃位瘯?huì)造成切削刀刃的周期性載荷，結(jié)果會(huì)縮短刀具的使用壽命。切削力是否降低，這同樣與所使用的材料有關(guān)。因此在工業(yè)化的實(shí)際工作中，在沒有必要的情況下，不要采用高速切削加工，以達(dá)到較低的加工力和較小的外形偏差。

    切削力隨切削速度提高而降低的現(xiàn)象目前被用于一項(xiàng)由DFG贊助的計(jì)劃中，以在加工壁厚小的100Cr6材質(zhì)工件時(shí)降低其外形誤差。尤其是也要考慮因切削內(nèi)應(yīng)力的生成與消除對(duì)變形所造成的影響。