難加工材料切削技術(shù)的新發(fā)展

采用高性能的新刀具材料

在難加工材料的切削加工中，刀具材料是最活躍的因素。新刀具材料的出現(xiàn)和應(yīng)用有力地推動(dòng)了難加工材料切削加工效率的提高。當(dāng)前，新型高速鋼有各種超硬高速鋼、粉末高速鋼和涂層高速鋼，切削性能比普通高速鋼大為提高。新型硬質(zhì)合金有各種添加鉭、鈮等元素的WC基合金、細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒的WC基合金、TiC基和Ti（C，N）基合金、涂層和稀土硬質(zhì)合金，還有熱壓復(fù)合陶瓷和超硬刀具材料CBN、金剛石等?？梢苑謩e用于切削各種難加工材料。應(yīng)注意工件、刀具材料的合理匹配。

采用非常規(guī)的新切削方法

上述各種新型刀具材料仍是在常規(guī)的切削狀態(tài)下工作的。但有時(shí)刀具材料的性能尚不需要。例如，對(duì)于某些高硬度材料的加工，新型硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性還嫌不足，因此不得不降低切削速度，加工效率不夠高。CBN和金剛石刀具硬度雖高，但強(qiáng)度不足，且金剛石不能加工黑色金屬，故只能在一定的切削條件下用于難加工材料的加工，并可取得效益。

1）加熱切削法

一種是導(dǎo)電加熱切削，即在工件和刀具的回路中（工件必須是導(dǎo)電體）施加低電壓（約5 V)、大電流（約500 A），利用刀具、工件間及剪切面處的電阻，使切削區(qū)產(chǎn)生熱量，從而使局部工件材料的力學(xué)性能、接觸和摩擦條件都發(fā)生變化。另一種是等離子體加熱切削，即用等離子弧對(duì)靠近刀尖將要被切除的工件材料進(jìn)行加熱，使其硬度、強(qiáng)度降低，從而改善了切削條件。兩種方法的效果相近?？奢^大幅度地降低切削力，可以消除積屑瘤等現(xiàn)象，從而降低了表面粗糙度。在中束定切削刀具耐用度有明顯提高。因此用這樣的方法進(jìn)行大切深、大進(jìn)給加工硬材料是有效的。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)和北京理工大學(xué)曾用等離子體加熱切削法加工高錳鋼和高強(qiáng)度鋼，華南理工大學(xué)和安徽工學(xué)院曾用電熱切削加工高強(qiáng)度鋼及其它材料，取得了系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并部分在生產(chǎn)中應(yīng)用。還有激光輔助切削法是另一種加熱切削。

近年，國(guó)內(nèi)發(fā)明了“電熔爆”切削法。帶電的刀盤與被加工表面產(chǎn)生劇烈放電，將被加工表層快速熔化、爆離，從而切掉余量，但工件內(nèi)部材料不受熱的影響。此方法效率高，對(duì)硬、軟、粘料均適用，既可用于粗加工，又可用于精加工。

2）低溫切削法

用液氮（-180 ℃）或液體CO2（-76 ℃）為切削液，降低切削區(qū)溫度。據(jù)試驗(yàn)，主切削力可降低20%，切削溫度可降低300 ℃以上，同時(shí)積屑瘤消失，提高了已加工表面質(zhì)量，刀具耐用度可提高2~3倍。在加工高強(qiáng)度鋼、耐磨鑄鐵、不銹鋼、鈦合金時(shí)均有效果。

3）振動(dòng)切削

用不同形式的振動(dòng)發(fā)生器，使刀具發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)。f>10 kHz者為高頻，f<200 Hz者為低頻。振動(dòng)方向有V方向、f方向等。V方向振動(dòng)較常用。振動(dòng)切削可使刀屑間摩擦系數(shù)和切削力大幅度降低，變形系數(shù)及切削溫度亦下降，積屑瘤消失，加工硬化降低，故能提高已加工表面質(zhì)量。但對(duì)刀具耐用度有些不利，必須采用韌性強(qiáng)的刀具材料（如高速鋼、超細(xì)硬質(zhì)合金等）。

國(guó)內(nèi)有十余所高等院校及研究所對(duì)振動(dòng)切削進(jìn)行過(guò)研究，被加工材料涉及鈦合金、淬硬鋼、不銹鋼、熱噴涂層、紫鋼、陶瓷及GFRP等，工種有車削、攻絲、鉆孔、鉸孔等，都取得了好的效果。如同時(shí)使用切削液，效果尤佳。

4）真空中切削

在真空中切削出現(xiàn)了一些不同于在空氣中切削的現(xiàn)象。加工銅、鋁時(shí)，真空度對(duì)變形系數(shù)、切削力及已加工表面粗糙度無(wú)影響。但加工中碳鋼和鈦合金時(shí)，真空度越大，其變形系數(shù)、切削力及粗糙均加大，這是因?yàn)樵谡婵罩械缎冀缑娌荒墚a(chǎn)生有利于減小摩擦的氧化物。如此看來(lái)，在真空中切鋼并不一定肯定是有益的。

5）有惰性氣體保護(hù)下切削

這也是針對(duì)切削鈦合金這類材料所采取的一種措施。南京航空學(xué)院曾在鈦合金的切削區(qū)噴射氬氣，使切削區(qū)材料與空氣隔離，因而被加工材料不與空氣中元素化合而成不利于加工的化合物，從而改善了鈦合金的加工性。這種方法對(duì)化學(xué)性質(zhì)活潑金屬的加工有一定效果。以此類推，如果采用某些特殊成分的切削液，也會(huì)有效果。

6）絕緣切削

在切削過(guò)程中，如將工件、刀具連成回路，則可看出有熱電勢(shì)，回路中有熱電流刀具磨損加劇。如將工件、刀具與機(jī)床絕緣，切斷電流，則刀具耐用度有所提高。西北工業(yè)大學(xué)用這種方法鉆削高溫合金K14，西安黃河機(jī)械廠切削1Cr13、2Cr13鋼，均有不同程度的效果。這種方法的機(jī)理雖未查明，但簡(jiǎn)單易行，有使用價(jià)值。

7）超高速切削

在常規(guī)切削下，切削速度提高將使刀具耐用度降低。然而，有人提出，當(dāng)切削速度提高到一個(gè)臨界值，切削溫度就達(dá)到最高值，然后溫度將隨著速度繼續(xù)提高而降低，切削力也下降，零件表面質(zhì)量好。這就是超高速切削的理論基礎(chǔ)。很多學(xué)校和工廠在這方面有很多實(shí)踐，用硬質(zhì)合金、陶瓷刀具切削鋼、鑄鐵、鈦、鋁合金等材料，切削速度達(dá)500~800 m/min甚至3 000~8000 m/min，刀具耐用度尚能保持在正常水平。這種切削方法常受到設(shè)備條件限制而不能推廣。還有人用更高的切速（例如達(dá)到槍彈的速度）進(jìn)行試驗(yàn)。超高速切削能否在難加工材料切削中發(fā)揮作用，尚有待探討。

新的切削方法不斷出現(xiàn)，為難加工材料加工增添了新的途徑。

采用特種加工方法

以上切削方法都離不開(kāi)刀具，即用高硬度材料作為刀具切除較軟材料的余量。本世紀(jì)初以來(lái)，人們相繼研究出一些與上述切削加工原理完全不同的加工方法，如電火花加工、電解加工、超聲加工、激光加工、電子束加工、離子束加工等稱為特種加工方法。在特種加工中，工具與工件基本上不接觸，加工時(shí)無(wú)明顯的機(jī)械作用力，可加工脆性材料、精密細(xì)微零件、薄壁和弱剛性零件等；不是用機(jī)械能，而是用電能、化學(xué)能、聲能、熱能去除被加工材料，瞬時(shí)能量密度很高，可加工任何高硬度材料，而工具的硬度卻不很高。

目前，電火花加工多用于加工模具和異形孔等；電解加工多用于加工特形表面和異形孔，但可獲得更高的表面質(zhì)量；超聲加工可加工許多非金屬硬脆材料，尤其是加工異孔、切削等；激光加工主要表面質(zhì)量；超聲加工可加工許多非金屬硬脆材料，尤其是加工異孔、切割等；激光加工主要用于各種金屬、非金屬材料的打孔與切割；電子束加工主要用于打微孔和切縫；離子束加工可對(duì)零件表面進(jìn)行超精密、超微量加工。這些特種加工方法都需要特殊的專用設(shè)備，有的很昂貴，消耗能量很大。因此使用范圍受到很大的限制。然而它們已在難加工材料的加工中起了很大的作用，而且有著廣闊的發(fā)展前景。

在切削加工中，刀具與工件雙方有著相互對(duì)立又相互推動(dòng)的作用。自20世紀(jì)以來(lái)，工件材料特別是難加工材料的品種和性能有了很大的發(fā)展，刀具材料也隨之出現(xiàn)了驚人的發(fā)展。提高刀具材料的性能是解決難加工材料加工的最有效的手段。刀具材料與工件材料有著匹配的關(guān)系，他們之間要在機(jī)械（力學(xué)）、物理、化學(xué)性能方面有著良好的匹配。許多非常規(guī)切削加工方法和特種加工方法的出現(xiàn)為難加工材料的加工增添了新的途徑。