【983高强度钢高速切削加工技术研究进展】高速切削加工技术

　　摘要：总结了高速切削加工的特点及发展趋势，介绍了高强度钢高速加工及其刀具材料的研究进展，并重点讨论了加工高强度钢时刀具材料的选用、加工特点、加工参数、磨损机理及存在的问题等。并介绍了高强度钢切削加工有限元模拟研究状况。
　　关键词：高强度钢；高速切削；刀具材料；
　　0 引言
　　高强度钢是具有一定合金含量、强度和韧性方面结合很好的结构钢。它们的原始强度、硬度并不太高，但经过调质处理，可获得较高或很高的强度，硬度则在35-50HRC之间。这类钢材被用于机器中的关键承载零件，如高负荷砂轮轴、高压鼓风机叶片、重要的齿轮与螺栓、发动机的曲轴、连杆和花键轴等，火炮的炮管和某些炮弹的弹体也用它们制造。其粗加工一般在调质前进行；而精加工、半精加工及部分粗加工则在调质后进行，此时的金相组织为索氏体或托氏体，加工难度较大。
　　高强度钢类难加工材料的加工能力和效率是制约大批量生产的瓶颈。采用高速切削加工技术可大幅度提高切削加工效率，并在一定程度上可以减小刀具磨损，简化工艺流程，降低加工成本，提高零件加工表面质量[1]。
　　1 高速切削加工技术
　　高速切削加工是先进制造技术，是切削加工的发展方向，已成为切削加工技术的主流[1]。高速切削与一般切削加工相比，其切削机理有较大的不同，因而，有其显著的特点，主要表现在[2]：生产效率大大提高；能获得较高的加工精度；适用于难加工材料；能获得较好的表面完整性；延长刀具的寿命；简化工艺流程，降低生产成本。
　　我国的高速切削技术相对于欧美、日等发达国家还很落后，高速切削加工技术的推广应用对促进我国加工生产率的提高具有最重要的意义。根据目前实际情况和可能的发展，不同工件材料的高速切削速度范围如图1所示。对高强度钢来说，切削速度大于500m/min便可认为是高速切削。
　　2 高强度钢切削加工特点
　　高强度钢切削加工难度大，其加工特点主要表现为：
　　（1）切削力大
　　传统的切削力理论公式[4]为：
　　式中，Fc——主切削力；
　　τs——被加工材料的屈服强度
　　ap——切削深度；
　　f——进给量；
　　Λh——切削过程中的变形系数；
　　C——与刀具前角有关的常数。
　　由于高强度钢的强度高，即τs大，故主切削力Fc加大。但是，这些钢材的塑性较低，故Ah减小。因而Fc不与τs成比例地增大。
　　（2）切削温度高
　　高强度钢的切削力、切削功率大，消耗能量及形成的切削热较多；同时，这些钢材的导热性较差，刀-屑接触长度相对较短。因此，刀具切削区的温度较高。
　　（3）刀具磨损快，刀具耐用度低
　　由于高强度钢的切削力大，切削温度高，钢中还存在着一些硬质化合物，故刀具所承受的磨料磨损、扩散磨损乃至氧化磨损都比较严重，故刀具磨损较快，导致刀具耐用度降低。
　　（4）生产率低，断屑困难
　　切削过程中，切屑应得到很好的控制，不能任其缠绕在工件或刀具上，否则将划伤已加工表面，损坏刀具，甚至伤人。切削加工高强度钢时，断屑范围较窄，断裂应变较高，故断屑较难。因此，在加工高强度钢时，必须注意解决断屑问题。
　　对高强度钢进行高效和高速切削加工，必须采取有效的措施。首先应采用先进、适用的刀具材料；其次，应选用合理的刀具几何参数；并应合理选择切削用量。由于被加工钢材的强度、硬度高，故必须加强刀具的切削刃和刀尖部分，方可保证刀具保持一定的耐用度。例如，前角应适当减小，需在刃区做出负倒棱，且刀尖圆弧半径要适当加大。
　　3 高强度钢高速切削加工刀具材料
　　高强度钢具有高的强度、硬度和良好的耐热性、耐腐蚀性，材料组织中含有很多硬质点，导热系数低，高温强度高，在切削过程中表现出切削温度高、加工硬化严重及塑性变形抗力大等特点，这就要求切削加工它的刀具材料不仅具有高的强度和韧性，还应具有高的导热性能和抗热震性能。
　　3.1 硬质合金刀具
　　硬质合金是在切削高强度钢中用得很多而且是最主要的刀具材料。由于硬质合金的硬度高，耐磨性强，故其刀具耐用度或加工效率高于高速钢刀具。切削高强度钢时，应尽量采用新型的高性能硬质合金，如添加钽、铌或稀土元素的P类合金，TiC基和Ti(C, N)基合金，P类涂层合金，其切削效果要优于普通硬质合金。
　　Sa[5]采用CVD TiCN/Al2O3涂层硬质合金刀具在速度325m/min到1000m/min范围内进行了车削加工AISI 4340钢的试验研究，并建立了刀具寿命和切削速度的关系式，为切削速度的合理选择提供了理论依据。随着切削速度的提高，刀具表面上的涂层快速剥落，刀具磨损的平稳阶段缩短，最终导致刀具寿命的降低。Chakraborty等人[6]利用混合效应建模技术研究了采用PVD TiAlN-TiN硬质合金刀具铣削AISI 4340钢时的刀具磨损过程，此方法适用于干切削和半干切削条件下及考虑加工表面硬度等加工过程变量的随机性。
　　Belhadi等人[7]建立了采用涂层硬质合金刀具车削AISI 4340钢时形成的锯齿形切屑形貌参数与高频信号下采集到的切削力分量信号以及进给量之间的关系，为解释锯齿状切屑的形成和切削力的预测提供了基础。曲中兴等[8]建立了采用硬质合金刀具车削加工超高强度D406A钢时切削力和切削温度的数学模型，用来预测特定实验条件下的D406A零件车削加工中的切削温度和切削力，为进一步分析研究D406A薄壁零件的加工变形奠定了基础。
　　3.2 陶瓷刀具
　　陶瓷刀具材料在切削高强度钢中亦可发挥较大作用，主要用于车削和平面铣削的精加工和半精加工，且必须采用A12O3基陶瓷。A12O3基复合陶瓷的刀具耐用度和加工效率高于硬质合金刀具。张进生[9]采用Al2O3/TiC陶瓷刀具材料切削加工G4335V高强钢时的切削性能和耐磨性进行了试验研究，刀具前刀面的磨损形式主要为粘结磨损，后刀面的磨损形式主要为磨粒磨损。在低切削速度下，Al2O3/TiC陶瓷刀具的抗后刀面磨损的能力和YT15硬质合金刀具相差不大，但在高速下表现出更优的抗后刀面磨损能力。