文章来源： 陆爱华(南京航空航天大学)
摘 要高温合金是航空航天工业中应用广泛的一种难加工材料。因其导热系数小、摩擦系数大及切屑与前刀面接触面积小等原因，使得高温合金材料在加工时，切削温度高、单位切削力大、刀具磨损严重等，从而影响了高温合金的加工效率。本文以镍基高温合金 GH4169 为研究对象，对其高速铣削时的切削温度进行了全面深入地研究。 (1)采用量热法收集切削过程中产生的切屑，通过热量补偿得到了切屑的热量，利用测力仪测量了切削过程中的铣削力，比较了切削速度、每齿进给量对切屑和切削力热功率的影响。其中，切削速度对切削热的影响较大。 (2)采用快速标定装置标定了 GH4169—康铜半人工热电偶。采用夹丝法对 GH4169 的铣削温度进行了测量。研究了切削参数对铣削温度的影响以及切削刃上的温度分布。其中，切削速度对铣削温度的影响{zd0}，径向切深次之，每齿进给量最小。切削刃上温度分布不均，当量切深大处温度较高。 (3)通过有限元软件Deform模拟陶瓷刀具正交切削GH4169，在此基础上解析了剪切面、刀屑界面的热流率，以及切削热在切屑、工件、刀具的分配。结果表明，仿真试验与热量试验具有较好的一致性。 (3)研究分析了切削速度对刀具磨损影响。在此基础上，对铣削高温合金GH4169 的刀具磨损形态、磨损过程和磨损机理进行了深入研究。 关键词高温合金，GH4169，切削热，高速铣削
{dy}章 绪 论1.1 高速加工的研究与发展 高速切削加工技术是一种用比常规切削高很多的切削速度下进行的切削加工，有时也称为超高速切削技术(Ultra-High Speed Machining，UHSM) 。[高速切削加工可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料等，还可用于切削加工各种难加工材料。高速切削技术是切削加工的重要发展方向，已成为切削加工的主流。高速切削(High Speed Machining，HSM 或 High Speed Cutting，HSC)高速切削技术被公认为源自 1931 年德国学者Carl Salomon博士所提出的一个假设。该假设描绘出了一个非常理想的加工状态， 即高速切削下既能够大幅减少切削工时，成倍提高机床效率，又能够避免较高速切削温度下出现剧烈的刀具磨损。图1.1 是 Salomon实验中切削温度和切削速度的关系曲线。
图 1.1 Salomon 博士的切削速度与切削温度理论 在Salomon假设提出之后相当长的一段时间内，它并不能够在实践应用中加以检验。虽然在上个世纪六十年代末和七十年代初，各国研究人员做过一些相关的工作，但是在工业需求的驱动下对Salomon假设展开的研究还是起源于1975年美国的洛克西德公司，而且当时已经引入了数控技术。由于证实这个理论具有重要的工程意义，在随后的若干年里，关于Salomon假设的研究层出不穷。结合历史上很多学者对Salomon假设的研究，可以发现：当关注于刀—屑接触区的温度时，Salomon假设就难以证实;而支持Salomon理论的实验，所观测的往往是工件上某点的温度。因此，怎样给切削温度以统一而准确的定义，应该是研究者首先需要弄清的问题。 由于刀-屑接触区的温度变化规律和分布规律是影响刀具耐用度最重要的因素，具有更高的工程实践意义，从这一角度说，Salomon假设还远未达到证实的程度。 目前国际上对高速切削的定义很多， 除了在本节篇首提出的高切削速度的切削的定义外，大致还有以下几种定义：1.是指高主轴转速的切削(High Spindle Speed Machining，HSM);2.是指高进给的切削(High Feed Machining，HFM);3.是指高进给的高速切削(High Speed and Feed Machining，HSFM);4.是指高生产率的切削(High Productivity Machining，HPM)。 就切削速度这个概念而言，不同的材料的高速切削的范围是不一样的，图1.2为不同材料高速切削速度范围。
图 1.2 不同材料高速切削速度范围
高速切削，不仅由于切削时间大大减少，切削效率得到大幅度提高，而且与传统切削加工相比还有其显著的特点，主要表现在： (1)能获得较高的加工精度 对同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减小。若在保持高效率的同时适当减低进给量，切削力的减幅还要加大。这使工件在切削过程的受力变形显著减小，有利于提高加工精度。特别对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效加工，高速铣削是目前{wy}有效的方法。 (2)能获得较高的加工表面完整性 使用该项技术时由于切削时产生的热量绝大部分被带走，工件温升很小，因此特别适合那些对温度十分敏感的零件加工，可以大大减少加工热变形。 (3)能使加工耗能低、节省制造资源 高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。以洛克希德飞机公司的铝合金超高速铣削为例，主轴转速从4000r/min提高到20000r/min时，切削力下降30%， 而材料切除率增加3倍。 单位功率的材料切除率可达到130～160cm3/(min·kw)，而普通铣削仅为30cm3/(min·kw)。由于切除率高、能耗低，工件在制的时间短，提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，因此，高速切削符合可持续发展的要求。 (4)能有效抑制切削振动的影响，降低加工表面的粗糙度 由于机床结构的改善和超高速切削的激振频率提高， 使激振频率远离机床的固有频率，往往出现“无振动”切削状态。另一方面，高速切削即使采用较小的每齿进给量，仍能获得很高的加工效率，且表面粗糙度得到了极大的改善。 (5)能延长刀具的寿命 根据目前的研究结果，切削速度的提高一般总会使切削温度增高，从而加快刀具的磨损。但是由于在高速切削过程中，刀具磨损量的增长速度低于切削效率的提高速度，因此刀具的寿命相对有较大的提高。据有关资料介绍，刀具寿命(切削路程)比传统切削方法提高了70%左右。 (6)扩大了加工对象种类 由于切削力降低、加工精度提高，高速切削技术可以用于硬切削一些按传统加工方式无法加工的淬火钢等材料的精密薄壁零件，如汽车的薄壁增压器蜗壳、飞机的机翼骨架等等，提高了生产效率和相关技术的水平。 以上高速加工的特点并不是在所有高速加工中都会表现出来， 针对不同的工件、刀具和铣削状况会表现出不同的特点。总之，高速切削技术已成为生产工程领域面向21世纪的最重要的研究方向之一。
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