數控機床

      上海（hǎi）, 2015 年 09 月 - 本（běn）文是第（dì）四篇介紹（shào）金屬切削刀具的應用與加工過程中產（chǎn）生的負荷的（de）係（xì）列文章。第一篇文章重點介紹了車削加工中的基本（běn）金（jīn）屬切削概念以及刀具槽型、進給率和機械負荷之間的關係。接下來的二（èr）篇文章分析了銑（xǐ）削加工中的機械（xiè）負（fù）荷和熱負荷。本文通過摩（mó）擦學理論闡述了切屑與刀具之間的相互作用。摩擦學是一（yī）個相對較新的金屬切削負荷分析領域，主要研究彼此接觸的表麵在特定溫（wēn）度和壓力下（xià）的相互作用。

    
      刀具磨（mó）損理論

   
     在金屬切削過程中，刀具會使（shǐ）工件材料變（biàn）形，並以（yǐ）切屑形式將其剪（jiǎn）切下來。變形過程會（huì）產生熱量、壓力和（hé）負荷，最終導致刀（dāo）具（jù）磨損或失效。傳（chuán）統的磨（mó）損理（lǐ）論認為（wéi），失效是（shì）由於相互接觸但並不相連的切屑和（hé）刀具（jù）之間的（de）摩擦造成的（de）。

   
    然而，最近針對刀具失效（xiào）機理的研究表（biǎo）明（míng），在金屬加工中，尤其是在加工（gōng）高（gāo）性能的工件材料時，所產（chǎn）生的壓力和溫（wēn）度是造成（chéng）刀具失（shī）效的原（yuán）因（yīn），這正是傳統磨損理論（lùn）對於切屑/刀（dāo）具（jù）表麵上所發生的情況未充分描述（shù）的方麵。摩擦學研究已經確定，切削過程並非隻是簡單地將工件材料剪切下來，然（rán）後切屑和刀具之間（jiān）的連接斷開。事（shì）實上，還會發生第二次、第三（sān）次連接和斷開。切屑被（bèi）剪切下來後會粘在前刀麵（miàn）上，然後再被剪切，直到其最後從（cóng）刀具上滑落。因此，磨損的主要原因在於反（fǎn）複剪切，而不（bú）是（shì）摩擦。

   
     圖 1 和圖 2 顯示了金屬切削過程中的摩（mó）擦。如圖 1 所示，工（gōng）件材料的主要變形發（fā）生在區域 5。區域 3 是分離區，也稱為停滯點，因為工件材料和刀具之間的（de）相對運動在該區域基本為零。初始剪切發生在主剪（jiǎn）切區域1，工件材料在該區域中被剪切下來（lái）並形成切屑。然後，在（zài）次剪切區域 2 中（zhōng），切屑與（yǔ）前（qián）刀麵接觸。高壓使切屑粘附在刀具的前刀麵上。

     HQ_ILL_Preliminary_Deformation_In_Zone_5.jpg

     圖 2 更細致地顯示（shì）了（le）切屑在（zài）區域 2 中的運動。在子區域 A 中，切屑被極大的壓力壓在（zài）切削刃上（shàng），並且開始附在刀具上。在（zài）子（zǐ）區域 B 中，材料粘附（fù）在前刀麵上。在子區（qū）域 C 中，切屑被（bèi）從前刀麵上剪切下來並沿著（zhe）前刀麵滑（huá）動，最後它從（cóng）刀具（jù）上滑落（luò）。

        HQ_ILL_Different_Wear_Phenomena.jpg

     圖 1 還顯示了發生在後刀麵上的二（èr）次剪（jiǎn）切（區（qū）域 4 內）。同區域 2 一樣，後（hòu）刀麵也發生了同樣（yàng）的剪切和粘附序列。區域 4 中（zhōng）發生的情況會（huì）造成後刀麵磨損，這種磨損與發（fā）生在區域 2 中的前（qián）刀麵（miàn）磨損相比更具預測性，因此相對來說危害較小。然而，在某些工（gōng）件（jiàn）材料中，後刀（dāo）麵上（shàng）的剪切作用會導（dǎo）致表麵（miàn）硬化或加工硬化，進而對切削刀具和工件產生不（bú）利影（yǐng）響。

     積屑瘤

     工件材料粘附在刀具前刀麵時，最初隻是（shì）形成薄（báo）薄的粘附（fù）層，隨著不斷積累，粘附層逐漸變厚（hòu）。該過程（chéng）會導致一種稱為積屑瘤的負麵現象。如果大量的材料積累在刀具上，會改變切削刃的形狀。累積的材料還可能（néng）導致切（qiē）削刃斷裂和損壞。在最壞的（de）情況（kuàng）下，積屑瘤可能沉（chén）積在工（gōng）件上。在上述任何（hé）情況（kuàng）下，積屑瘤都會使切削過程變得不可預測和不可控製。摩擦學的主（zhǔ）要研究對象是了解什麽原因（yīn）造成積屑瘤，以及可以采（cǎi）取什麽措施來盡可能減少此（cǐ）問題。

     切削過程的（de） 2 個方麵對切屑粘附（fù）在前刀麵上起了推動作用。一個（gè）因素是切削區內非常高的壓力和溫度。另一個因素是切屑在整個刀具前刀麵上的運（yùn）動速度相對較慢，而且最初在停滯點（diǎn）處的速度為零（líng）。當 2 種材料在高壓和高溫下彼（bǐ）此接觸且緩慢移動時，很容易導致它們（men）互（hù）相粘附在一（yī）起並形成積屑（xiè）瘤。

    為了減少（shǎo）粘附和形成積屑瘤的機會，需要縮（suō）短切屑與前（qián）刀麵之間的（de）接觸時間。最直接的解決辦法是提高切割速度和使用更鋒利的刀具。更快的切削速度可以（yǐ）減少刀具和工件材料之間的接（jiē）觸時間。由此產生的更高工藝溫度還可以降低積（jī）屑瘤的強度，或者完全（quán）消除積屑瘤（liú）。更銳利的刀具擁有更大的偏角，這會迫使切屑在一定的時間內移動更長的距離，即（jí）移動更快。

     HQ_ILL_Built-Up_Edge.jpg

     材料傾向性（xìng）

     最近，摩擦學引起了人們（men）的注意，這（zhè）主要是因為與 20 年（nián）前加工的工件材料相比，現代材料中形成積屑瘤的機率（lǜ）大大增加。例如，在人們熟悉的高碳鋼等（děng）材（cái）料中，雖然（rán）會發生積屑瘤（liú）現象，但問題不（bú）太嚴重。采用正（zhèng）確的（de）加工參數通常可以消除粘附並阻止（zhǐ）積屑（xiè）瘤的形成。此外，在切屑非常（cháng）短的鑄鐵等材料中，不存在（zài）積屑瘤問題。另一方麵，在長切屑的材料中，切屑（xiè）和刀具之間自然存在較長的接觸時間，因此造成更大的粘附風（fēng）險。在加工低碳鋼、鋁合金等（děng）材料時，產（chǎn）生積屑瘤的可能性更大。

     當加工具有高韌性、高附著力傾向和高磨蝕性的材料（liào）時，最容易產（chǎn）生積屑瘤。典型（xíng）的例子是航空航天和能源行業中使用的一係（xì）列材料，包括鈦合金、鎳基合金和耐熱金屬。促使積屑瘤形成的（de）其（qí）它因素是在加工這些熱傳導性（xìng）較差的堅硬材料時產生的高（gāo）壓和高溫。而且，這些材料的切削速度通（tōng）常比平（píng）均速度慢一些。

     除了（le）最大限度地提高切削速度和刀具的鋒利（lì）度外，還有一些其他的方法常用（yòng）來控製積屑瘤發（fā）生（shēng），這些方法（fǎ）主要關注刀（dāo）具的表麵條件。令人有些驚訝的是（shì），在這一主題上有兩個截然相反的思想流派。一種方法認（rèn）為，如果刀具表麵比較光滑，切屑在滑過刀具表麵時會產生較（jiào）少的熱能。較低的溫度和較少（shǎo）的接觸會（huì）降低形成積屑瘤的（de）機率。與該理論相反的另一種概念是，粗糙的刀具（jù）表麵上存在微米級的（de）突起（qǐ）或特征，這將導致切屑和前刀麵之間接觸較少，從而減少粘（zhān）附的機會。這兩種（zhǒng）方（fāng）法都得到了充分的證明，並且在某些情況下是有效的。

     HQ_ILL_Relation_Between_Surface_Texture_And_The_Machining_Process_Physics.jpg

     結（jié）論：摩（mó）擦（cā）學研究進展

     無（wú）論是摩擦（cā）學的研（yán）究和（hé）理論，還是為了解決積屑瘤等問題而開發的工藝和刀具技術（shù）（參見附注），它們的主要目（mù）標都是加（jiā）工出（chū）符合客戶要求的（de）表麵（miàn）質量。其次是關（guān）注尺寸要求、形狀要求以及表麵粗糙度，這（zhè）些都是衡量部件質量的常（cháng）用標準。特別是在航空航天（tiān）和核應用中，表麵粗糙度是一個極其重要的因素，因為任何加工缺陷都（dōu）可能是關鍵飛機和發電組件發生斷裂的起（qǐ）源。

     積屑（xiè）瘤會導致表麵粗糙度較差（chà），並且需要經常更（gèng）換刀具。隨著各方的不斷努力（包括摩擦學研究），人們（men）在限製積屑瘤的發生和影響方麵已取得了諸多進展。工藝可以通過性價比進行量化：具體而言，就是正確加工 1平方毫米的工件表麵所需的成本。在過（guò）去的五年中，鈦（tài）合金加工的性價（jià）比提高了近 20 倍。切削刀具材料和刀具槽型的不斷發展有助於取（qǔ）得（dé）成功，但最重要的是精心（xīn）開發（fā）兩者的組合。在了解涉及刀具（jù）應用的摩擦（cā）學原理後，機加工技師可以控製積屑瘤等現象，並能以較低（dī）的成本加（jiā）工（gōng）出所需（xū）的表麵光潔度（dù），從而最大限度提高了生產力和盈利能力。附注：

     摩（mó）擦學研究成果的應用（yòng）

     刀具工程師們在開發（fā）刀具和加（jiā）工工藝的過程中應用了摩（mó）擦學研究的成果。在加工工藝方麵，采用較高的切削速度（dù）和鋒利的切削刃槽型可在許多情況下有效控（kòng）製（zhì）積屑瘤的形成。其他刀具槽型選項，例如使用正前角刀具，可以幫助引導切削材料離開（kāi）工件（jiàn）。

     刀具鍍層（céng）是一種行之有（yǒu）效的、可以減少工件材料對切（qiē）削刀（dāo）具粘附的方法。TiN 等潤滑鍍層通常被用來緩（huǎn）解鋼件加工中的切屑流，在（zài）鋁合金加工中使用金剛石鍍層（céng）也是（shì）同樣的道理。

     最近的開發（fā）工作重點關（guān）注鍍層對最大限度地減少積屑（xiè）瘤的作用。例如，山高最新一代的 CVD 氧化鋁Duratomic® 金剛甲鍍層就是根據摩擦學原理研發的。隨著對切屑和切削刀具之間相互作用的了解不斷加深，開發工程師可以更容易地控製鍍層組件。

     山高（gāo）另一個旨在控製（zhì）積屑瘤的鍍層示例是（shì）針對 MS2050 銑削刀（dāo）片開（kāi）發的新銀（yín）色 PVD 鍍層。該（gāi）鍍層（céng）不僅具有很高的耐熱能力（lì），而且在（zài）切削鈦合金等粘（zhān）性材料時，還能（néng）切實消除積屑瘤的發生。由於沒有積屑瘤，刀片的使（shǐ）用（yòng）壽命比（bǐ）現有刀具（jù）長（zhǎng）約 50%，而且允（yǔn）許使用（yòng）更高的切削參數。

     摩擦學領域的前沿研究是努力使積屑（xiè）瘤等現象成為加（jiā）工效率的有利推動因素。在某些情況下，刀具表麵（miàn）上有一層薄薄的工件材（cái）料可以減（jiǎn）緩刀（dāo）具磨損的速度。麵臨的挑戰是將該刀具保（bǎo）護層的厚度（dù）限製在一定的範圍內（nèi），使它既不影響刀具的幾何形狀及刃口鋒利度，也不會與刀具表麵分開。

     隨（suí）著新的高性能合金不斷推出，加工越來越（yuè）難（nán），這使摩擦學研究成為一個蓬勃發展的領域（yù）。切（qiē）削刀具和加工工藝的開（kāi）發人員正在利用摩擦學呈現的新視角，以創（chuàng）新的方式（shì）應對和解決（jué）挑戰。

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