哈理工吴明阳教授团队为您讲述高温合金切削加工中的切屑折断机理

高温合金具有优良的高温强度、热稳定性和热疲劳性，在高温下具有屈服强度高、组织性能稳定的特点，被广泛应用于航空、航天领域。但由于其导热性差和表面加工硬化严重等特点，使其切削加工性能较差，高温合金在切削加工过程中，产生大塑性变形和较高切削温度，同时产生不易折断的切屑缠绕工件和刀具，如图1所示，影响刀具寿命并且降低加工效率，右图已加工材料的表面质量，可以看出已加工表面具有严重的划痕，其形成原因是加工过程中切屑不易折断，缠绕工件对工件表面造成损伤。

图1  PCBN 切削GH4619 切屑缠绕及对加工表面损伤

难加工材料在传统切削过程中经常产生大的切削力、切削热及不易折断的切屑，导致刀具早期破损，降低加工效率，尤其是镍基高温合金这类难加工材料在加工过程中因切屑不易折断造成刀具破损，降低加工效率。PCBN 刀具具有较高的硬度、耐热性、化学稳定性等，其作为一种超硬刀具材料在加工高温合金方面具有较大潜能。通过对PCBN 刀具切削高温合金GH4169 切屑进行试验研究，得到不同切削参数下的切屑形态，如图2所示。

图2  不同切削参数下GH4169 切屑形态

由图 2 可以看出，加工过程中随着进给量增加，切屑折断性能降低，切屑缠绕现象明显增加；切屑折断性能随切削速度、切削深度的增加有所提升，但切屑缠绕现象依然严重。试验结果表明：常规切削条件下，PCBN 刀具切削GH4169 断屑困难，易产生缠绕刀具和工件现象，造成工件损伤，降低刀具寿命，影响加工效率。高压冷却切削技术是机械加工中的新型切削冷却技术，将足够压力冷却液喷射至刀具前刀面切削区和切屑之间，有效带走切削产生的热量，并改变切屑卷曲半径有利于折断切屑，从而提升刀具寿命和工件表面加工质量，因此有必要对高压冷却下PCBN 刀具加工高温合金切屑卷曲折断机理进行探析，为高压冷却加工提供技术支持。

目前，切屑研究主要集中在常规切削的锯齿形切屑形成机理、切屑形态、切屑成分等方面，哈尔滨理工大学的吴明阳等对PCBN刀具切削高温合金锯齿形切屑形成机理进行了研究；华北电力大学的范孝良等对GH4169 切屑形态进行了研究；段春争等对锯齿形切屑形成过程进行了有限元仿真研究；THAKUR 等研究了切削参数对切削过程中切屑厚度和刀- 屑接触长度的影响规律；SCHULZ 等对锯齿形切屑的几何形状进了定量分析；KOMANDURI 等研究了切削参数对锯齿形切屑的影响规律；以上国内外学者对高温合金加工过程中所形成的切屑进行了研究，但绝大多数为常规切削，对高压冷却切屑折断研究较少，因此高压冷却下切屑折断机理的研究具有重要意义。

PCBN 刀具因材料特性采用平前刀面，通常没有断屑槽，在切削过程中易产生连续型切屑，以往针对槽型刀具利用几何方法对切屑卷曲折断进行研究分析，此方法在PCBN 刀具加工过程中不太适用，因此哈尔滨理工大学的吴明阳教授团队尝试从力学角度研究切屑卷曲折断机理。他们在《机械工程学报》2017年第9期发表的《高压冷却下 PCBN 刀具切削高温合金切屑卷曲折断机理及试验研究》一文中，在常规切削试验基础上，以切削力学研究为基础，建立切屑卷曲半径预测模型及断屑模型，分析高压冷却下高温合金切削加工中的切屑折断机理，并进行高压冷却切削试验，找到不同冷却液压力下的切屑卷曲半径变化规律，对理论分析结果进行验证。

图3 高压冷却切削试验装置

重要结论

(1) 基于目前已完成常规切削试验发现GH4169 切削过程中断屑困难、切屑缠绕工件及刀具，易造成工件损伤和刀具破损；通过切削力学建立切屑卷曲半径预报模型和断屑模型，而不是利用几何方法进行研究，分析得出高压冷却加工过程中切削弯矩增大，切屑卷曲半径减小，切屑变形量增大，导致切屑应变增加，切屑应变快速达到材料极限应变且折断，有效改善PCBN 刀具采用平前刀面断屑困难这一难题。

(2) 研究发现高压冷却加工使极限进给量、极限背吃刀量降低，提升断屑性能，有效提高切屑断屑能力，随着冷却液压力增加，切屑卷曲半径逐渐减小，当冷却液压力继续增大，切屑被高压冷却液折断，产生短碎屑，可以减小刀-屑接触长度，提高刀具寿命、加工效率以及工件表面质量。

(3) 通过试验研究，分析得到高压冷却加工过程中切屑卷曲半径显著小于常规切削切屑卷曲半径，且随着冷却液压力的增加，切屑卷曲半径逐渐减小，增大切削弯矩，有效减小切屑卷曲半径，增大切屑弯曲应变，试验验证了理论分析的正确性，为进行高压冷却条件下高温合金的切削加工奠定了基础。

主创简介

吴明阳，男，1971 年出生，教授。主要研究方向为难加工材料切削理论及刀具。