硬态切削技术的研究状况综述

张新 王萌 李智 薛迪

摘要：本文根据硬态切削技术的有关研究现状，介绍了需要应用硬态加工技术的加工材料，硬态切削的力的特征以及切屑形态，并讨论了其已加工表面的完整性，最后综合现有的相关技术与未来应用前景，展望了该技术的发展趋势。

关键词：硬态切削；切削力；切屑；加工表面

Abstract: According to the current research status of hard cutting technology, this paper introduces the processing materials, force characteristics and chip morphology of hard cutting technology, and discusses the integrity of the machined surface. Finally, the development trend of this technology is prospected by synthesizing the existing related technologies and future application prospects.

Key words: hard cutting; Cutting force; Chip; Machined surface

硬切削是使用超硬刀具精密切削硬度超过50 HR的硬化钢的过程。与磨削相比，硬切削具有良好的加工灵活性，经济性和环境保护性。 硬切削是精加工时加工硬化钢的最佳选择。但是目前硬切削技术还没有被企业广泛使用。主要原因不仅是企业还没有充分了解和掌握硬切削机理和刀具使用技术，硬切削技术中的一些不稳定因素限制了硬切削技术的推广应用。

硬态切削力特征

影响硬切削力的因素是切削速度，进给速度，切削深度，齿面磨损和工件硬度。国内外学者的研究表明，对不同精度等级的机床进行硬切削时切削力不会发生变化。

德国的相关研究表明，主切削力，轴向力和切削深度的变化呈线性增加，而径向力则缓慢增加。不同进给速率对切削力变化的影响是一致的。轴向力增长率略低于主切削力和径向力的增长率。当进给速率小时，径向力大于主切削力。日本中山一雄教授认为，随着切削速度的增加切削力降低的主要原因是切削温度的升高会增加工件的可塑性（即，切削温度的影响，金属的硬度会降低） 。但是，这种性能变化仅限于一定范围的切削速度。当切割速度超过20 mm / min时，切割力不会沿着下降通道变化。这与德国的研究结果一致。 中山一雄教授认为，尽管硬化材料的硬度较高，但切削力较小。第一个原因是由断裂引起的塑性变形小，第二个原因是刀具与芯片之间的接触面积小，摩擦力减小。哈尔滨理工大学通过正交试验设计了切削力的影响因素，得到了与切削速度，切削深度，进给速度和工件硬度相对应的切削力三维表面。在实验条件下，得出的结论是主切削力的变化与传统金属切削理论的结论基本一致。

硬态切削的切屑形态

金属切削加工研究的核心和关键是切屑形成过程。锯齿状切屑通常在硬切削过程中产生。硬切削中切屑的形状受切屑厚度的影响最大。当厚度小于20μm时，容易生产切屑带，否则将产生锯齿状芯片。形成锯齿状切屑的原因是工具的前刀面附近的工件材料被挤压并累积在前刀面上，并且工具继续向前切削，导致切屑材料突然断裂。

锯齿状切屑主要是由热塑性剪切不稳定引起的高速切削。热塑性剪切不稳定性是在许多动态塑性变形过程中常见的材料破坏现象。前提是由变形材料局部温度升高引起的热软化效应足以抵消材料的变形强化效应。金属切削期间的热塑性剪切不稳定性是指在第一变形区中发生的强局部剪切浓度，导致不对称的锯齿屑。它与普通金属材料的低速挤出不同，其特征在于锯齿状切屑与大变形热塑性剪切带的分离。

硬态切削的已加工表面完整性

切削热的产生和传递，高速摩擦和磨损会在切削过程中对加工表面造成一定程度的损坏。如何获得理想的表面粗糙度，形状精度和表面状况是用硬切削取代磨削的关键。提高硬切削精度，提高硬切削工件的性能是一个长期的研究课题。 硬切割表面的完整性包括以下：表面形貌和硬度，表面粗糙度，尺寸精度，残余应力分布和白色层形成。

硬态切削技术的发展趋势

目前，硬态切削技术已引起世界各地制造和科研机构的高度关注。但是，硬态切削技术的推广和应用仍然存在一些障碍。主要问题是：如何保持稳定的表面粗糙度和尺寸精度; 加工表面的质量是否能满足零件的工作需要并具有一定的使用寿命; 因此，在未来，硬态切削机构和工艺研究的重点是控制切削力，保持切削力的稳定性; 消除和减少切削热对工件尺寸精度的影响; 合理化硬切削过程中的冷却和润滑技术。研究表面硬度梯度，残余应力分布，表面形貌和白层形成机理。

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