高速切削机理和实验（上）

莲子

1 切削加工的任务和重要性
# m. ?7 F: u% |) B9 |! X1.1  切削加工的任务是：
0 Q8 B6 A* E6 N, F, v  B8 ]（1）去除毛坯上的余量；（2）形成零件的表面；（3）保证零件所需的精度。
  a2 Z0 w7 p( t0 Z) @1.2  切削加工的重要性：
（1）制造业创造的财富占人类社会创造总财富的60～80%。
2 h. ^+ S8 _  u( X1 Q（2）切削加工工作量占机械产品制造劳动量的30～40%。
（3）切削加工是切除余量效率最高、成本最低的方法。
（4）各种零部件经过切削加工，约有10%的材料变为切屑。耗时、耗人工、耗资金很多，增产、节约的潜力也很大。
（5）21世纪的人类社会中，切削加工仍将发挥重要作用，且呈发展态势。前沿科学（工程），如材料科学、信息科学、能源工程、生物科学、宇航工程等，无一不与切削加工密切相关。
+ X4 q6 R/ {' A$ v: Z' F1 n5 w3 |1 C1.3  切削加工技术新发展：
（1）难加工材料切削技术。
% ^" W* c0 d7 f3 r. e$ E; P' _（2）高效加工切削技术。
（3）精密加工切削技术。
（4）自动化加工切削技术。
（5）绿色制造的切削技术。
其中，高效切削中包含高速切削。
2 提高切削加工生产率的措施
一个零件加工的工时等于“切削时间”与“辅助时间”之和。
! J8 r& G: \$ ^4 V以外园车削为例：
$ W" f5 h& u  @; Q1 A0 ?2 X! F9 B, y切削时间tm=[（lw+Δ+y）/(n?f)]?（h/ap）(min)
材料切除率Q=ap?f?v?103(mm3/min)
0 b- X* v8 L1 E4 R+ p式中，lw――零件被加工部分的长度（mm）；
3 C9 }2 W  x5 i2 r) K3 _Δ,y――零件加工时，刀具的切入和切出长度（mm）；
8 E2 s( b6 Y* a5 C4 U3 n! K) ?n――机床主轴或工件的转速（r/min）；
: E  |, c- `1 j9 mv――切削速度（m/min）,v=(πDn)/1000；
! M( z. a& [7 U$ L9 F' fD――工件直径（mm）；
! j$ W: _5 _* }2 j/ J' x- u/ bf――进给量（mm/r）；
1 n+ H5 N" r  eap――切削深度（mm）；
h――工件的加工余量（mm）
* g9 r  E7 n  V由此可见，加大切削深度ap、进给量f和切削速度v，是减少切削时间，加大材料切除率，即提高切削加工生产效率的途径。一般切削深度受毛坯余量的限制，故切削速度和进给量是提高加工效率的主要因素。
实际上，高速切削或高效率的加工应包括提高切削速度（主轴转速）与进给量两个方面。人们如果只把注意力放在提高切削速度上，就带有一定的片面性。
; \/ u- r# f! i. A* w3 高速切削的定义及其发展过程
" w$ ?3 d3 k4 A1 ?  c* ~在一百年前，当时高速钢刀具开始使用，加工普通钢材的切削速度仅为25～30m/min。相对于碳素工具钢和合金工具钢而言，那种切削速度的加工即为“高速切削”。故“高速钢”（high  speed  steel）得以命名。在高速钢刀具刚刚出现的年代，美国泰勒（Taylor F.W.）工程师做了很多切削加工理论与实践的工作，建立了T-v方程。他在切削技术与工业管理方面都做出了很大的贡献。
  o/ g" l" J9 Y& k. R* i% Z50年前，在二次世界大战结束后不久，硬质合金刀具开始普遍使用，那时用硬质合金刀具切削普通钢材，可用80～100m/min的切削速度。当时称这样的切削速度为“高速切削”。
8 K/ n5 q5 V, L/ n% ]& E近半个世纪，机床与刀具有了很大发展，而人类社会对提高生产率又有了新的要求，于是切削速度进一步提高。
1 A2 ?3 e% ~. ?7 ]7 c* I0 g由此可见，高速切削的“高速”是一个相对概念。在不同历史时期，对于不同的工件材料、刀具材料和加工方法，高速切削加工应用的切削速度并不相同。自20世纪后期以来，关于界定高速切削，国际上有几种说法：
（1）1978年，国际生产工程研究会（CIRP）切削委员会提出当切削线速度达到500~7000m/min的加工为高速切削。
（2）对铣削加式而言，主轴转速达到8000r/min以上为高速切削加工。
- M( o5 V  y6 U2 |; o& j（3）德国Darmstadt工业大学认为速度高于（5～10）倍普通切削速度的切削加工为高速切削。
（4）从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值（主轴轴承孔真径D与主轴最大转速N的乘积）来定义高速切削加工。DN值达到（5～2000）×105mm?r/min时为高速切削加工。
+ w% k' \+ @. X8 w( L) W* G德国舒尔茨（Schulz）教授于1992年提出不同工件材料大致的切削速度区域划分如图1所示。按照Schulz的观点，切削钢材时线速度达到400m/min以上即为高速切削。时至今日，机床制造技术和刀具技术的长足进步已大大地提高了这个最小界限值。

" U$ I  a/ f  ?! T# {图1  切削速度区域划分图
4 高速切削的优越性
3 F# W- O5 Y+ J* k" p5 h（1）随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。
) q- G1 [* r  Y" [( p（2）在高速切削速度范围，随切削速度的提高，切削力随之减小，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的加工。
（3）从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高使切削系统的工作频率远离机床低价固有频率，从而可减轻或消除振动。故高速切削加工可降低已加加工表面粗糙度，提高加工质量。
: `5 Q9 Z2 ~. E! B5 Q0 l! n（4）高速切削加工可加工硬度HRC45~65的淬硬钢，实现以切代磨。
( d1 g) W: a3 @$ h5 B. e（5）高速切削时随切削速度的提高，切削温度逐步升高，在低速度段，切削温度增幅较大；在高速度段，切削温度增幅减小。高速切削时切屑带走大部分热量，传入工件的热量很少。
) H1 e5 n  t. m  d: N正由于高速切削加工具有诸多优点，高速加工技术已在诸多的制造业中被广泛应用。
5 高速切削机理和实验研究
5.1高速切削切削区的材料变形
刀具与工件间有相对运动，通过切削刃与刀面的作用切除工件材料的余量。

  M* H6 I! K4 `3 g! `! d图2  錾子切除工件上的余量
* I. }% Y4 L" U如图2所示，切削刃起“切”和“割”的作用，刀面起“推挤”作用。
7 K: }' m) {1 e7 V- T- X/ X“切”――工件相对于切削刃无运动分量。
+ d; G5 h: c/ ?7 q" u4 g“割”――工件相对于切削刃有运动分量。
“挤”――主要是前刀面的推挤，后刀面也有一定的挤压。
切除余量，是以上三者综合作用的结果。由于被切材料的强度高，刀具有较大的楔角，不可能很薄。“推挤”作用消耗的能量份额很大；而“切”、“割”起着分离被切材料、形成加工表面的重要作用。

4 U: C% ^: Q: |图3 四个变形区
. v- v: z3 X4 B) J* P; c& P如图3所示，1为基本变形区；2为前刀面摩擦变形区；3为后刀面摩擦变形区；4为刃前变形区。1区和2区消耗动力的主要部分，而3区和4区则对形成加工表面起着重要作用。
如果切削刃锋利，则4区很小；如刀具后角大，则3区也较小。
1区是主要的变形区。如切削速度高，则1区变得很窄，几乎成为一个面（如图4所示的一条线），称为剪切面。剪切面的方向与切削速度的方面之间的夹角是前切角Φ。

4 W: w3 Y/ V9 @" m. Q& o9 k; \' i! u图4 剪切面与变形系数
6 b% n6 |4 [; X6 {+ I剪切角φ的大约数值可用以下公式计算：
M.E.  Merchant（麦钱特）公式
Φ=π/4-β/2+γo/2
Lee and Shaffer（李和谢弗）公式
Φ=π/4-β+γo
0 X3 J2 F- x# D; ?式中，β为前刀面与切屑间的摩擦角，γo为前角。
当切削速度提得很高后，则被切材料来不及充分变形，剪切角Φ加大，变形量减小，从而切削力也减小。切削速度提高后，前、后刀面与切屑、工件间的摩擦系数减小，也有利于切削力减小。
+ u. ?. V/ K' B6 m有一个衡量材料变形的简易方法，即通过测量计算出“变形系数”。过去叫过“收缩系数”，二者是一回事。
$ T0 h: l5 v* j$ K3 D( I如图4所示，被切削层的原长度为lc，形成切屑后的长度为lch,则变形系数Λh=lc/ lch
在切削过程中，被切削层材料变为切屑，是经过剪切滑移。根据材料力学的原理，用剪切应变量来衡量材料的变形程度是更为科学的。剪切应变ε与变形系数之间有一定关系，经推算，
ε=ΔS/Δy =cosγ0/[sinφ?cos（φ-γ0）]
( j7 i# _' v4 r! l=ctgφ+tg（φ-γ0）
=（Λh2-2Λh?sinγ0+1）/（Λh?cosγ0）
8 `2 }& v: o/ S$ P- E% [' v式中，γo为刀具前角。
Λh和ε增大，则表示材料变形大；反之亦然。
' O9 j9 f' c/ a( ^& r8 g显然，高速切削时，Λh和ε都减小，切削力下降。
沈阳理工大学进行了45钢和铝合金5A02高速铣削的变形系数试验，刀具为φ20mm的硬质合金立铣刀，切削ap=0.5～1mm，进给量为fz=0.05～0.15mm/z，切削速度v=251～1256m/min。试验结果如图5和图6。
. n' E- R; y) w4 ^- I6 c
图5 高速切削45钢的变形系数

9 a( F$ D+ h' y0 u- H. M! t图6 高速切削铝合金5A02的变形系数
" p& I7 d0 l$ U4 `由图可见，当切削速度提高时，变形系数显著下降。
5.2 高速切削的切削力
. w2 j/ a; d1 u, R- Z. H以外圆车削为例，有三个切削分力：主切削力 Fc(Fz)，切深抗力Fp(Fy)（又称径向力），进给抗力Ff(Fx)（又称轴向力）。
主切削力最重要，在忽略Ff消耗功率的情况下，切削功率为
" [) k& k2 H( A" \9 q: bPc=Fc.v×103(kw)
式中，Fc和单位N；v 的单位为m/min。
. J8 b* ^3 T$ Q% Q! {, e笔者早年进行了高速切削时切削力的试验。如图7所示，在车切45钢（正火，HB187）时，当切削速度从100m/min提高到270m/min，主切削力约下降了7%。如图8，在切削铸铝合金ZL10(HB45)时，当切削速度从100m/min提高到720m/min，主切削力约下降了50%。
% d9 M: ]/ n- K; Q
图7 车削45钢时，切削速度对切削力的影响（ap=3mm  f=0.25mm/r）
0 K5 y! {" `4 G$ l$ A# a
图8 车削ZL10时，切削速度对切削力的影响（ap=4mm  f=0.3mm/r）
山东工业大学用LT55陶瓷端铣刀切削45钢（调质，HRC35～40），切削力与切削速度的关系如图9。由图9可见，切削速度约在300m/min时切削力最大，旋即降低，切削速度达500m/min以上切削力变化不大。
# z% L% }* j3 Q, ~. _! }# |
图9 陶瓷刀端铣45调质钢时的切削力
某高校做了调质钢（HRC30～32）与淬硬钢（HRC50～52）的车削力试验。调质钢：ap=0.2～0.5mm , f=0.1～0.25mm/r, v=700～1000m/min。淬硬钢：ap=0.15～0.5mm, f=0.1～0.25mm/r, v=100～400m/min。建立了三向切削力的三因素公式（表1）。
表1 高速切削车削力的三因素公式
$ w( h4 f2 v9 ^4 h, A% Q2 O
; l; }6 B) f! y过去，苏联切削用量手册所列出的常速下车削中碳结构钢的切削力经验公式为
Fz=Czap1f 0.75v -0.15
, X$ m- S1 i8 [0 t7 x& Z0 |Fy=Cyap0.90f 0.60 v -0.3
Fx=Cxap1f 0.5v -0.4
% {- ^$ P0 X6 B0 s$ d, o* h) A7 _& S与表1相比，有很大差异。表1的公式可能有问题。与车削相比，铣削力公式要更复杂些，因为除切削用量三要素以外，还有铣刀齿数、铣刀直径和铣削宽度等因素。过去，苏联人和中国人都建立过端铣、立铣在一般切削速度下的切削力和切削功率的多因素经验公式。在现代高速切削下的铣削力公式尚属空缺。
% w# d% M7 u5 c0 X) p; B沈阳理工大学填补了这一空缺。做出了铣削力的三因素公式：
- N6 ^- g9 D8 T5 f2 n. W8 P, @# S在ap=0.5～1mm, f=0.05～0.2mm/r, v =251～1256m/min范围内，
6 E% R6 l1 O% o, P3 {; x# s) KFc=5018ap0.344fz0.364v -0.394(切45钢)
Fc=864ap0.384fz0.176 v -0.287(切铝合金5A02)
$ {" b' ^/ h1 |8 H. s看来，试验所得的数据也不太理想，可供参考。
0 @6 O$ J3 c! ?# N) G/ Y) M" i山东大学用陶瓷刀具高速切削淬硬钢、高强度钢、硬镍铸铁做了有成效的切削力试验。
（1） LT55（Al2O3TiC）陶瓷刀具车削淬硬45钢（HRC50～55），v =30～120m/min, ap=0.35～1.4mm, f=0.08～0.32mm/r,
" E7 t. T. `+ S1 v+ Z7 R, |Fz=2525 ap0.99 f 0.80 v-0.01(N)
7 F. w8 l% z8 D( F（2） LT55刀具车削超高强度钢35CrMnSiA(HRC45～48), 切削用量范围同上。
Fz=2779 ap0.79 f 0.59 v -0.08(N)
& j% Q2 Y  m5 [0 B; f' G（3） SG-4(Al2O3―TiC,WC)陶瓷刀具车削淬硬高碳工具钢（HRC55～62），切削用量范围同上。
5 n0 O& n3 ?$ c5 d) hFz=3444 ap0.88 f 0.65 v -0.12(N)
（4） SG-4刀具车削淬硬45钢（HRC50～55），切削用量范围同上。
Fz=2309 ap1.04 f 0.75 v -0.01(N)
（5） AT6（Al2O3―TiC）陶瓷刀具车削硬镍铸铁（HRC56～62）
2 G) ?0 k7 V2 I5 o# f: jv =50～70m/min, ap=1.5～2.3mm, f=0.09～0.16mm/r
% W- _" U5 l3 Z+ Y. [- jFz=1210 ap0.73f 0.42v -0.09(N)
山东大学所做的陶瓷刀具高速切削硬材料的切削力试验数据比较可信。
文章关键词： 切削