高 速切削 （Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ）技术是国际上８０年代初迅速发展起来的一项先进的 机械加工技术，它是在机床结构材料、刀具材料、机床设计制造技术、计算机控制技术、测量测试 技术等飞速发展的基础上，由机械加工自身的发展规律和需要产生并发展的。由于高速切削的特殊 规律￣［１］、［２］，它具有切削速度高、进给速度大、加工效率高、加工成本低、加工精度高 等一系列优点，是一项极有前途的新技术。例如铸铁材料常用铣削速度为１５０～４００ｍ／ｍｉ ｎ，而高速铣削速度可达７５０～４０００ｍ／ｍｉｎ。目前国际上对高速铣削技术的研究正方兴 未艾，有关高速切削机理的研究正在不断进行，高速切削机床也不断推出。并在实际运用中产生了 巨大的经济效益。本文针对铸铁材料的高速铣削机理进行了一些分析研究。１铸铁材料的铣削变形 过程铸铁是一种脆性材料，在铣削过程中存在着较大的振动和冲击，而且加工表面也存在着一定的 缺陷。高速铣削铸铁的主要目的是，在提高切削效率的同时，大幅度地提高加工本项目为同济大学 和德国Ｄａｒｍｓｔａｄｔ大学的合作研究课题，铸铁试件ＧＧ－２５，ＧＧＧ－４０为德国提供 。表面质量。铸铁在切削加工时产生崩碎切屑￣［３］．通过对切屑的电镜分析可知，崩碎切屑单 元之间在流过刀具前刀面之前就已经相互分离，如图１所示。图ｌａ表示一个新的切屑单元开始形 成，图ｌｂ表示经过切削路程ｌ＇后工件材料在刀具作用下挤压变形情况，图ｌｃ表示１个新生成 的切屑单元与工件材料分离并沿前刀面流出。因为铸铁材料内部本身有很多徽观的裂纹，当刀具切 入后，工件材料内部产生了很大的应力，如果切削速度很高，这些裂纹来不及增长，很快沿最大应 力方向剪切下来，也就是说裂纹不再象切削速度技低时经过正常的扩展后才被剪切或剥离下来，从 而使工件加工表面粗糙度降低。高速切削时，裂纹扩展方向剪切转角为由断裂力学的知识可得，假 设脆性材料的力学模型如图２所示，其中材料内部的裂纹深度为ａ，Ｐ、Ｑ分别为切向力和法问力 ，Ｋ＿Ⅰ、Ｋ＿Ⅱ为应力强度因子，则裂纹扩展的转角中可用下式表示［５］在切削力试验中可以 测得Ｐ、Ｑ然后根据上式（１）可求得剪切角。由此可以看出，值的大小与Ｐ和Ｑ的比例有关，而 不是简单受某一方向力的影响。在高速切削状态下，切屑流经前刀面时会对刀具刃口产生很大的交 变载荷，切屑底面与前刀面的相对运动速度很高，并且有很大的摩擦挤压现象，因此刀屑接触区会 产生很高的热量，但是这一热量对剪切区的影响很小，它主要加剧切屑和前刀面的温升。这是因为 切削时剪切产生的裂纹增长速度很快，使切屑和工件之间几乎呈绝热状态。对剪切区而言，随着切 削速度的提高，切屑单元的动能大大增加，所以高速铣削状态下切屑仍然呈分离的崩碎状态。２ 不同因素对刀具磨损的影响￣［４］高速铣削铸铁材料时，刀具的材料，刀具几何参数，切屑用量 等对刀具的使用性能有很大的影响，以下是通过试验分析了不同因素对刀具磨损的影响。２．１刀 具材料在选择铣削铸铁的刀具材料时，可根据铣削速度将刀具的材料分为两组，第一组为切削速度 低于１２５０ｍ／ｍｉｎ，第二组为１２５０～４０００ｍ／ｍｉｎ。第一组中推荐使用硬质合金 和金属陶瓷，第二组中为Ｓｉ＿３Ｎ＿４和ＣＢＮ。在第一组中，无涂层的硬质合金铣削路程较短 ，无太大使用价值，故一般采用涂层硬质合金。金属陶瓷在速度低于７５０ｍ／ｍｉｎ时可以得到 较为满意的效果（如图３）．Ｓｉ＿３Ｎ＿４的切削速度范围可在５１０～２０００ｍ／ｍｉｎ之 内，精铣时甚至可达到４０００ｍ／ｍｉｎ（如图４）。使用ＣＢＮ刀具铣削时的速度可达２００ ０ｍ～４０００ｍ／ｍｉｎ。２．２铣削用量从图３、图４中可以看出，随着铣削速度的提高，刀 具的磨损量增大。铣削试验表明，Ｓｉ＿３Ｎ＿４刀具材料的磨损性能优于金属陶瓷，ＣＢＮ又优 于Ｓｉ＿３Ｎ＿４，当Ｖ＝２０００ｍ／ｍｉｎ，进给路程超过１５０ｍ后，后刀面磨损带宽度Ｖ Ｂ还不到０．ｌｍｍ。甚至有时经过经过很长的切削时间后刀面的磨损带宽度仍然保持不变。每齿 进给量的大小不仅影响刀具的寿命，同时还影响加工表面质量。一般来说，随着的增加，切削力增 大，进给路程缩短（如图５）。但是当太小时，因后刀面与已加工表面的挤压和划擦作用，刀具磨 损有可能更加严重。２．３刀具几何角度高速铣削铸铁时，后角对刀具的磨损影响很大，增大后角 可减小刀具后刀面的挤压摩擦，提高刀具的寿命。综合考虑强度和磨损因素，后角以不大于２０￣ ｏ为宜（如图６）。与传统的铣削加工相比，高速铣削铸铁时前角对刀具磨损的影响不大。当从变 化到＋６￣ｏ时，后刀面磨损带宽度变化量约为１０％。２．４工作材料当刀具材料为硬质合金和 金属陶瓷时，工件材料的强度和种类对刀具磨损影响也很大，其中强度硬度较低的灰铸铁最易加工 。但是对Ｓｉ＿３Ｎ＿４和ＣＢＮ而言。工件材料的强度并不是直接影响刀具磨损的主要原因，而 其结晶组织影响很大。当工件材料中铁素体成份较多时，刀具磨损严重，这是因为在铁素体和刀具 材料之间产生的扩散磨损所造成的。３铣削表面质量在传统切削加工中，因铸铁材料的脆性使得在 切削时存在有较大的振动和冲击，影响加工表面质量；在高速切削时。随着铁削速度的提高和减少 每齿进给量则有利于获得较好的表面质量，并且在进给方向（纵向）上的表面粗糙度比横向小（如 图７）。４结论（１）高速铣削铸铁材料时，速度可选择在７５０～４０００ｍ／ｍｉｎ范围内。 按照铣削速度由低到高的顺序排列，刀具的材料序次应是：涂层硬质合金、金属陶瓷、Ｓｉ＿３Ｎ ＿４和ＣＢＮ，前２种适用于１２５０ｍ／ｍｉｎ以下的铣削。（２）刀具寿命的提高与合理选择 刀具几何角度、铣削用量、刀具材料等因素有关。（３）表面粗糙度Ｒ＿α（轮廓算术平均偏差） 可达到１μｍ，这也是高速铣削的主要优点之一。
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