刀具加热切削：实现超高速切削的有效途径

1.切削热的来源

刀具进行切削加工时，在切除多余材料的同时产生大量的切削热，切削热的来源主要有四个方面：①金属材料产生的弹性变形热；②塑性变形产生的内部摩擦热；③前面与切屑间的摩擦热；④后面与已加工表面的摩擦热。

2.利用“死谷区”的切削热

对于塑性金属，70%的热量是由于塑性变形产生的，塑性变形本质上是因金属内部晶格滑移产生内摩擦而生成热量并集中在剪切区，切屑是沿着剪切面与母体分离的，因此在剪切面上的金属材料产生的塑性变形最大，热量最多，其中80%被切屑带走，余下的热量传到待加工面和已加工面。这种靠切削加热的方法，同样可以使切削区的温度达到800～1000℃，工件材料的硬度会大幅下降。铣削加工中，前一个刀齿切削产生的切削热将材料加热升温，使材料变软，后一个刀齿切入将加热变软的材料切除，这样如此循环。当然在切削的过程中刀齿也被加热了，为了避免或减少刀齿在切削时被加热，可加大铣刀的转速，使刀齿向前移动的速度等于或大于热量传播速度，使之少受热，刀具硬度与工件材料硬度比即可达到最大化。

这种靠切削加热的方法，同轧制的钢坯不同，刀具切削加热是切削刃在切入材料内之后才开始被加热的，当切削刃刚接触工件时，材料表层温度是室温，材料的表层硬度仍然是原材料的硬度，刀尖和切削刃将产生微小的裂纹，而此后将以较快的速度破损，使刀具失效而无法切削。

因此，首先要解决刀具在切削初期产生的裂纹和崩刃问题，现阶段生产的一些超硬刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具都具有很高硬度5000～8000HV，但最大的缺陷是脆性大，抗弯强度低，抗疲劳强度低，不耐冲击。但可以说明：采用抗弯强度、抗疲劳强度高和硬度较高的刀具材料，是实现高速高效切削的另一个重要方法。(www.xing528.com)

沈阳黎明航空发动机公司在2009年加工一种发动机零件，材料为钴基铸造高温合金，耐高温强度高的GH159，强度为1795MPa，热导率为20～25W/（m·K）。由于是断续切削，为了防止打刀尖，最初试验采用超低切削速度v=10m/min，结果刀具磨损严重，加工出来的表面凸凹不平。后来选用了美国Greenleaf Corporation公司生产的Al₂O₃基晶须增韧陶瓷刀片WG300，切削速度达到790m/min，零件尺寸精度达到要求，表面粗糙度值达到Ra1.6μm，加工效率提高80倍。

从黎明的成功生产实践，可以证明：采用刀具“切削加热切削法”是实现超高速切削的一个有效途径。

有高性能的刀具材料保障，才能实现刀具加热切削。正是由于WG300陶瓷刀片强度高达6000MPa，而且耐冲击，能保证切削刃在切削初期阶段不产生裂纹、崩刃，能抵抗切削初期阶段的冲击，使高速转动的切削刃切削材料时，才能产生高的切削热，使材料的硬度大幅下降，同时高的切削热使切削刃硬度稍有下降，而韧性又得到提高，极大地增加了切削刃的强度，进一步提高了切削刃的抗冲击性。因此刀具材料的高强度，保证了刀具在初期切削时可进行高速度切削，使工件材料切削区的温度达到1200～1300℃，陶瓷在1200～1300℃时切削刃的硬度虽有较大的下降，但仍然保持在80HRA以上（相当57HRC）。此时工件材料的硬度约为13～15HRC，刀具硬度与工件材料硬度比仍然大于4.0。刀具材料的高强度，保证了刀具可以稳定地进行高速切削，而刀具的高速切削又创造了足够的切削热，从而实现了超高速切削。

用逆向思维的方法，利用高温时工件材料硬度和强度会大幅下降的特点，让刀具保持在较高的硬度，这样刀具的硬度与工件材料的硬度比达到最大化，就可以对金属材料进行超高速切削。