難加工材料切削技術的新發展

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。新刀具材料的出現和應用有力地推動了難加工材料切削加工效率的提高。當前，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。新型硬質合金有各種添加鉭、鈮等元素的WC基合金、細晶粒和超細晶粒的WC基合金、TiC基和Ti（C，N）基合金、涂層和稀土硬質合金，還有熱壓復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。應注意工件、刀具材料的合理匹配。

采用非常規的新切削方法

上述各種新型刀具材料仍是在常規的切削狀態下工作的。但有時刀具材料的性能尚不需要。例如，對于某些高硬度材料的加工，新型硬質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

一種是導電加熱切削，即在工件和刀具的回路中（工件必須是導電體）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，使切削區產生熱量，從而使局部工件材料的力學性能、接觸和摩擦條件都發生變化。另一種是等離子體加熱切削，即用等離子弧對靠近刀尖將要被切除的工件材料進行加熱，使其硬度、強度降低，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行大切深、大進給加工硬材料是有效的。沈陽工業大學和北京理工大學曾用等離子體加熱切削法加工高錳鋼和高強度鋼，華南理工大學和安徽工學院曾用電熱切削加工高強度鋼及其它材料，取得了系統的試驗數據，并部分在生產中應用。還有激光輔助切削法是另一種加熱切削。

近年，國內發明了“電熔爆”切削法。帶電的刀盤與被加工表面產生劇烈放電，將被加工表層快速熔化、爆離，從而切掉余量，但工件內部材料不受熱的影響。此方法效率高，對硬、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，降低切削區溫度。據試驗，主切削力可降低20%，切削溫度可降低300 ℃以上，同時積屑瘤消失，提高了已加工表面質量，刀具耐用度可提高2~3倍。在加工高強度鋼、耐磨鑄鐵、不銹鋼、鈦合金時均有效果。

3）振動切削

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

國內有十余所高等院校及研究所對振動切削進行過研究，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。如同時使用切削液，效果尤佳。

4）真空中切削

在真空中切削出現了一些不同于在空氣中切削的現象。加工銅、鋁時，真空度對變形系數、切削力及已加工表面粗糙度無影響。但加工中碳鋼和鈦合金時，真空度越大，其變形系數、切削力及粗糙均加大，這是因為在真空中刀屑界面不能產生有利于減小摩擦的氧化物。如此看來，在真空中切鋼并不一定肯定是有益的。

5）有惰性氣體保護下切削

這也是針對切削鈦合金這類材料所采取的一種措施。南京航空學院曾在鈦合金的切削區噴射氬氣，使切削區材料與空氣隔離，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。這種方法對化學性質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，也會有效果。

6）絕緣切削

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

7）超高速切削

在常規切削下，切削速度提高將使刀具耐用度降低。然而，有人提出，當切削速度提高到一個臨界值，切削溫度就達到最高值，然后溫度將隨著速度繼續提高而降低，切削力也下降，零件表面質量好。這就是超高速切削的理論基礎。很多學校和工廠在這方面有很多實踐，用硬質合金、陶瓷刀具切削鋼、鑄鐵、鈦、鋁合金等材料，切削速度達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備條件限制而不能推廣。還有人用更高的切速（例如達到槍彈的速度）進行試驗。超高速切削能否在難加工材料切削中發揮作用，尚有待探討。

新的切削方法不斷出現，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。本世紀初以來，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，加工時無明顯的機械作用力，可加工脆性材料、精密細微零件、薄壁和弱剛性零件等；不是用機械能，而是用電能、化學能、聲能、熱能去除被加工材料，瞬時能量密度很高，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；離子束加工可對零件表面進行超精密、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，而且有著廣闊的發展前景。

在切削加工中，刀具與工件雙方有著相互對立又相互推動的作用。自20世紀以來，工件材料特別是難加工材料的品種和性能有了很大的發展，刀具材料也隨之出現了驚人的發展。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系，他們之間要在機械（力學）、物理、化學性能方面有著良好的匹配。許多非常規切削加工方法和特種加工方法的出現為難加工材料的加工增添了新的途徑。