如何定义高速切削？

生产率与切削速度是有很密切关系的,切削速度的提高可以提高生产率,同时精密和超精密加工技术的发展也对切削速度有了更进一步提高的要求。

高速切削加工的概念提出后,经过长期的探索、研究和发展,才在近期被广泛应用于工业生产。今天,在加工钢件时切削速度已达到3000m/min,加工铸铁时达到3000m/min,加工铝合金则达到7000m/min,比常用的切削速度高了许多倍。除了高速切削外,高速磨削技术也已进入实用阶段。常规磨削速度为30～40m/s,而超高速磨削的速度已达到150m/s以上了。高速切削和磨削除了能大幅度提高生产率以外,还可以提高加工质量,特别是改善已加工表面质量。

高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工。目前各国对高速切削的速度范围没有统一的定义,有时候也称为超高速切削(Ultra-HighSpeedMachining)。通常把比常规切削速度高5～10倍的切削称为高速切削。

传统的切削速度和刀具寿命的关系被假定为线性关系,即刀具的速度越高,刀具的磨损越快。20世纪上半叶,一些研究人员开始发现,在某些加工过程中,切削速度达到某个值后,情况开始发生变化,刀具磨损加剧,但是速度继续上升,超过这一阈值,又可以恢复正常加工。经过长期的生产实践,人们意识到对于某一特定的被加工材料来说,在比现行使用的切削速度高许多倍的区域可能存在一个十分理想的切削条件,在这个切削条件下,生产率高,刀具耐用度长,而且切削力也比较小。

图1 Salomon切削速度与温度实验曲线

图2 Salomon切削速度与温度模型

德国的切削物理学家CarlSalomon博士于1929年进行了超高速模拟试验,1931年4月发表了著名的超高速切削理论,提出了高速切削假设。

如图1所示,Salomon认为在常规的切削速度范围内,切削温度随着切削速度的增大而提高。当切削速度增大到超过一个速度范围,切削温度反而随切削速度的提高而降低,同时切削力也会大幅下降。按照他的假设,在具有一定速度的高速区进行切削加工,会有比较低的切削温度和较小的切削力。这就是著名的高速切削状态下切削温度的死谷理论(DeadVolley),如图2所示。但这一模型预言的曲线至今仍没有精确的令人信服的实验可以证实。

H.Schulz等人认为:CarlSalomon所根据的实验曲线是铣削中刀具温度(而不是切削剪切区的温度)与切削速度的关系。其中高速段上刀具温度的降低是由于刀具与工件接触时间变短所导致的结果。从切削机理研究的角度看,应当考察切削剪切区中的温度变化及材料变形状况。

高速切削中切削力减小是高速切削技术应用发展的物理基础。对于为什么速度高到一定程度,切削力会减小的问题,有人认为是由于工件材料软化所致。这种软化可以理解为切削速度增高,切削剪切区温度升高,材料屈服极限降低。也有研究者认为切削加工所需的能量在某一速度范围内达到平衡点,随着切削速度进一步增高,切削力随着降低,并在某一速度后保持不变,然后可能随着切屑的动量改变略有变化。但这些推断都还不能从材料变形机理上予以确切说明。所以,进一步的研究应当考察切削中产生材料变形所需能量是否随材料变形速度而变化,是否在变形速度(流变速度)超过某一极限值后改变了材料变形方式,从而使变形所需能量减少了。确定这一界限,寻求最佳切削速度具有重大的工程意义。

怎样定义高速切削？目前一般的定义是5～10倍于常规切削速度的切削称为高速切削。笔者认为:在Salomon理论成立的前提下,特定材料切削速度达到极限速度时的切削状态就应称为高速切削,高速切削不仅仅通过速度来划分,而是跟材料的物理力学性能和切削状态密切相关。

尽管目前已形成了高速切削的实用技术,但高速切削机理研究还只停留在一个试验探索阶段,在基础理论上的研究还不成熟。从切削过程中材料的物理力学性能变化状态,而不仅仅通过切削速度来区分常规切削加工和高速切削加工更为科学合理。

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