硬質(zhì)金屬材料高速切削加工探討

【摘 要】在金屬加工行業(yè)，硬質(zhì)金屬材料的高速切削加工一直擺在從業(yè)者面前的一道難題。本文闡述利用高速切削工藝加工硬質(zhì)金屬材料的相關特點，詳細解析高速切削的基礎技術，分析高速切削的具體加工工藝以及切削過程中存在的問題，以便于高速切削技術在生產(chǎn)實踐中具備更好的實用性。

【關鍵詞】硬質(zhì)金屬材料；高速切削加工；特點與技術

1、前言

上世紀初期，歐洲物理學家薩洛蒙博士在實驗室進行了超高速模擬實驗，他根據(jù)實驗所得的結果，提出了一個理論----高速切削理論。依據(jù)薩洛蒙博士的相關理論，高速切削指的是每一種材料在進行切削時，都存在一個特定的速度范圍，一旦切削速超出這一范圍，切削溫度就會急劇升高，破壞切削刀具，迫使切削加工的停止；在研究中，薩洛蒙博士發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象，當?shù)毒叩那邢魉俣葷u漸增大，達到一個區(qū)域范圍后，加工所產(chǎn)生的切削溫度和切削力并不再升高，反而會出現(xiàn)下降的趨勢。在這樣一個切削速度下進行硬質(zhì)金屬材料的加工，能大幅度提高加工效率，減少切削加工時間。

2、硬質(zhì)金屬材料高速切削加工的特點

通常情況，硬質(zhì)金屬材料很難進行切削加工，因為材料本身的強度比較高，傳遞熱量的性能又差，易在加工過程中出現(xiàn)損害材料的現(xiàn)象。切削加工因其特殊性，成功地解決了硬質(zhì)金屬材料切削加工的難題。在高速切削硬質(zhì)金屬材料時，短時間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱量是極大的。高熱量導致切削層溫度瞬間升高，軟化了硬質(zhì)金屬材料切削層處的硬度，有利于減小材料塑性變形的抵抗力，從而進一步降低材料切削難度。

高速切削具有以下優(yōu)點：一、能輕松的實現(xiàn)硬質(zhì)金屬材料的切削加工。針對鎳基合金、高錳鋼、鈦合金等高硬度高強度的硬質(zhì)材料，通過應用高速切削技術，能將材料的加工速度大幅度提高，一般而言高速切削的速度為100到1000米每分鐘，十倍于常規(guī)切削方法的速度。高速切削加工有效地提升了材料的加工品質(zhì)，極大地減輕了材料加工刀具的磨損程度。二、硬質(zhì)金屬材料加工過程中，材料切除率高。如果將常規(guī)的切削速度材料切除率看做1，那么高速切削的材料切除率最少是4，這就意味著，在時間相同的情況下，高速切削能切除更多的材料，完成更大的工作量。切除率的提升意味著機床空程速度的提高，非切削的空程時間在縮小，在很大程度上，提高了機床切削硬質(zhì)金屬材料的效率。三、高速切削切削溫度有所降低。高速切削過程中，由于高速度的特性，大量的切削熱被切削廢屑帶走，來不及向切削材料傳遞，這使得被切削材料始終保持一定溫度。對于一些遇熱易變形的材料，該法具有很大的適用性。四、高速切削工作過程振動小，狀態(tài)穩(wěn)定。高速切削加工機床的激振頻率很高，在切削過程中，工作狀態(tài)穩(wěn)定，振動幅度較小，加工出的工件精密度、光潔度極高。

3、淺析硬質(zhì)金屬材料高速切削加工的基礎技術

依賴先進的材料加工工藝，硬質(zhì)金屬材料高速切削加工更為高效簡單，能在有限的時間能完成大量的硬質(zhì)金屬材料加工量。高速切削加工基礎技術包括高速切削機理、冷卻與排屑、適用的刀具材料及合理的刀具結構等。

3.1高速切削的機理

高速切削，利用高速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸傳遞巨大的切削力作用于加工工件，實現(xiàn)設定的加工要求的過程。高速切削非常注重對材料細微變化的研究，對切削力度、材料變形量、溫度控制都有很嚴格的要求。高速切削加工，對加工刀具的磨損是極其大的。利用科學的方法，研究高速切削的機理，分析；影響高速切削加工穩(wěn)定性的各項因素，對硬質(zhì)金屬材料切削加工的實踐操作具有重要的意義。

3.2冷卻和排屑

硬質(zhì)金屬材料在進行高速切削時，往往會產(chǎn)生大量的熱和材料廢屑。熱量和廢屑的處理事關材料的加工精度及操作過程中操作者的安全。為降低切削熱量，應設置冷卻系統(tǒng)如加設冷卻液體。為提高切削過程中的安全，應配置安全的排屑裝置，將溫度高的廢屑從切削區(qū)域排放出去。

3.3適用的刀具材料及合理的刀具結構

近年來，材料科學發(fā)展迅速，刀具材料的選擇有了很大的余地，硬質(zhì)合金、聚晶金剛石、陶瓷等材料成為制作刀具的常見材料。使用此類材料制成的刀具不僅具備高強度、高硬度、高耐磨等特性，還在導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、抗氧化能力、親和性等方面有著優(yōu)良的綜合性能。先進的刀具材料勢必推動硬質(zhì)金屬材料高速切削工藝進步。

高速切削加工不僅要求高性能的刀體材料，同時合理設計刀具的幾何結構也是十分重要的。硬質(zhì)金屬材料在高速切削加工過程中，產(chǎn)生的機械沖擊和熱沖擊是極大的，在長期的加工過程中，刀具會出現(xiàn)刀刃邊界缺口、刀尖熱磨損嚴重的現(xiàn)象。合理的刀具結構，可以很有效地保障硬質(zhì)金屬材料高速切削加工安全可靠的完成，增大刀尖角是一項常見的刀具設計結構。

4、硬質(zhì)金屬材料的高速切削加工工藝

硬質(zhì)金屬材料高速切削加工對加工中的每一道工序有很嚴格的要求，同時也強調(diào)工序間的相互協(xié)調(diào)。針對一個單一的切削任務而言，需要綜合考慮材料的粗加工、半精加工及精加工，在此基礎上設計一個合理的切削加工方案，以發(fā)揮高速切削加工的優(yōu)點，實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的材料加工目標。

粗加工，目的在于單位時間內(nèi)完成盡可能大的材料切除量。粗加工切出的材料表面質(zhì)量及精度并不高，一般可采用常規(guī)切削加工的方法完成。粗加工的重點在于保證切削機床的平穩(wěn)運行。半精加工，將粗加工后材料的加工面進一步精細化，去處材料拐角處的余料，為下一步精加工工作準備。半精加工，加工刀具沿著加工材料的外輪廓實施切削作業(yè)，相比粗加工，切削力更小。精加工，嚴格執(zhí)行工件的設計要求，通過切削技術完成高精度高質(zhì)量的切削工作。

由于高速切削的特殊性，其加工過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，應當引起加工者的注意。

1）加工的高轉(zhuǎn)速性。在對硬質(zhì)金屬材料進行高速切削時，機床主軸轉(zhuǎn)速較高，容易損壞。要使用精度高的具備動力平衡性能的刀柄。

2）高速切削的局限性。高速切削適用于精加工，在需對材料進行粗加工時不宜使用。

3）切削深度有要求。在對硬質(zhì)金屬材料進行高速切削時，應合理把握刀具的切削深度，避免因切削深度過大造成刀軸損壞。

5、結語

金屬切削加工行業(yè)常見的硬質(zhì)金屬材料主要有鈦合金、高錳鋼、淬硬鋼、高強度鋼、不銹鋼、鎢合金等，此類材料多用于飛機艦艇的建造，在國防科技領域里有著舉足輕重的地位。近年來，我國軍工制造業(yè)發(fā)展迅猛，對硬質(zhì)金屬材料的需求日益強烈，但是我國所具備的的切削工藝與切削刀具技術與國外發(fā)達國家相比還有一定差距。在進行硬質(zhì)金屬切削加工時，切削速度低，加工效率和加工質(zhì)量遠遠不能滿足生產(chǎn)要求，此外加工中，工藝的不達標致使原本就很寶貴的硬質(zhì)金屬材料的浪費極大。提高硬質(zhì)金屬材料的高速切削技術水平，有利于提升整個軍工制造業(yè)的核心競爭力，對軍事工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。