硬态切削机理研究的现状与发展（一）

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　　1.引言
- z) N" x$ X4 ~6 y" }　　淬硬钢是一类较难加工的材料，硬度高达50～65HRC，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等。由于其典型的耐磨结构，淬硬钢被广泛用于制造各种要求高硬度和高耐磨性的基础零部件。随着超硬刀具材料——陶瓷和PCBN性能的提高和价格的调整，解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾，使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能。
　　硬态切削是指采用超硬刀具对硬度大于50HRC的淬硬钢进行精密切削的加工工艺。与磨削相比，硬态切削具有良好的加工柔性、经济性和环保性能，在精磨工序中采用硬态切削是加工淬硬钢的最佳选择。然而，目前硬态切削加工技术仍然未完全被企业所广泛采用，其主要原因不仅由于企业对硬态切削加工机理及刀具的使用技术未完全理解和掌握，同时也因为硬态切削工艺中一些不稳定的因素制约了它的推广应用。本文通过综合国内外大量文献，对硬态切削过程中切削力的特征、切屑的形成机理、硬态切削力与金属软化效应的作用、冷却润滑技术和已加工表面质量等进行了讨论，以期促进硬态切削工艺的推广应用。
: R$ ~$ ]* w7 T4 U1 G　　2.硬态切削力特征
　　影响硬态切削力的因素主要包括切削速度、进给量、切削深度、后刀面磨损量和工件硬度等。国内外学者的研究表明，在不同精度等级的机床上实施硬态切削时，切削力并不发生变化。
　　巴西Abrao Mendes博士分别选用陶瓷刀具、低CBN含量和高CBN含量的PCBN刀具切削AISI52100轴承钢(硬度62HRC)时发现：径向切削力最大，其次是主切削力和轴向切削力；粗加工时切削力约为精加工时的6～9倍；切削力与进给量、切削深度和后刀面磨损量成近似线性关系；当切削速度增大时，切削力稍有下降。德国阿亨工业大学w.Konig教授通过用陶瓷刀具和PCBN刀具切削100Cr6淬硬轴承钢的切削力对比实验，研究了切削速度、切削深度和进给量对切削力的影响趋势。研究表明：主切削力和轴向力的变化与切深呈线性增长趋势，而径向力增长缓慢；不同的进给量对切削力的变化影响趋势一致，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，而当进给量很小时，会出现径向力大于主切削力的现象。日本中山一雄教授认为，提高切削速度使切削力有所下降的主要原因是切削温度升高使工件塑性增强(即金属的硬度因切削温度的作用而降低)。不过这种性质的变化仅限于一定的切削速度范围，当切削速度超过20Om/min时，切削力并不沿下降通道变化。这与W.Konig教授的研究结果一致。中山一雄教授认为，尽管淬硬材料的硬度较高，但切削力较小，其原因一是由于断裂的产生使塑性变形十分小，二是因为刀一屑接触面积小，使摩擦力减小。哈尔滨理工大学刘献礼教授采用正交试验对切削力的各影响因素进行设计，得出了切削速度、切削深度、进给量和工件硬度对应切削力的三维曲面，在试验条件下得出了主切削力变化规律基本符合传统金属切削理论的结论。
" b: j- v5 e7 Q　　英国伯明翰大学E.G.Ng博士对PCBN刀具切削AISI HI3淬硬钢时的切削温度和切削力进行了有限元仿真求解，其最大误差达25%，精度分散性大。同时有限元计算量也很大。张弘弢教授运用挤压和轧制理论，根据能量原理对倒棱刀具的切削机理进行了深入阐述，提出了倒棱刀具的三区模型(第一变形区、金属死区、第二变形区)，并能对剪切角和切削力进行预报和仿真；根据金相分析和快速落刀装置，发现金属死区的存在并不依赖于切削速度、前角和倒棱角度；在同样的切削条件下，倒棱刀具的剪切角小于单尖刀具剪切角约2°～3°。台湾学者K.Fuh利用最小能量原理修正了臼井英治的切削模型，依据切削面积和考虑后刀面作用力，对切削力进行仿真，其综合精度较高。由于引入的经验系数较多，对于不同的刀具和工件材料这些系数往往是变化的，因此其实用性受到一定限制。
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