高溫合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和熱疲勞性，在高溫下具有屈服強(qiáng)度高、組織性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。但由于其導(dǎo)熱性差和表面加工硬化嚴(yán)重等特點(diǎn)，使其切削加工性能較差，高溫合金在切削加工過(guò)程中，產(chǎn)生大塑性變形和較高切削溫度，同時(shí)產(chǎn)生不易折斷的切屑纏繞工件和刀具，如圖1所示，影響刀具壽命并且降低加工效率，右圖已加工材料的表面質(zhì)量，可以看出已加工表面具有嚴(yán)重的劃痕，其形成原因是加工過(guò)程中切屑不易折斷，纏繞工件對(duì)工件表面造成損傷。

圖1  PCBN 切削GH4619 切屑纏繞及對(duì)加工表面損傷

難加工材料在傳統(tǒng)切削過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生大的切削力、切削熱及不易折斷的切屑，導(dǎo)致刀具早期破損，降低加工效率，尤其是鎳基高溫合金這類難加工材料在加工過(guò)程中因切屑不易折斷造成刀具破損，降低加工效率。PCBN 刀具具有較高的硬度、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性等，其作為一種超硬刀具材料在加工高溫合金方面具有較大潛能。通過(guò)對(duì)PCBN 刀具切削高溫合金GH4169 切屑進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到不同切削參數(shù)下的切屑形態(tài)，如圖2所示。

圖2  不同切削參數(shù)下GH4169 切屑形態(tài)

由圖 2 可以看出，加工過(guò)程中隨著進(jìn)給量增加，切屑折斷性能降低，切屑纏繞現(xiàn)象明顯增加；切屑折斷性能隨切削速度、切削深度的增加有所提升，但切屑纏繞現(xiàn)象依然嚴(yán)重。試驗(yàn)結(jié)果表明：常規(guī)切削條件下，PCBN 刀具切削GH4169 斷屑困難，易產(chǎn)生纏繞刀具和工件現(xiàn)象，造成工件損傷，降低刀具壽命，影響加工效率。高壓冷卻切削技術(shù)是機(jī)械加工中的新型切削冷卻技術(shù)，將足夠壓力冷卻液噴射至刀具前刀面切削區(qū)和切屑之間，有效帶走切削產(chǎn)生的熱量，并改變切屑卷曲半徑有利于折斷切屑，從而提升刀具壽命和工件表面加工質(zhì)量，因此有必要對(duì)高壓冷卻下PCBN 刀具加工高溫合金切屑卷曲折斷機(jī)理進(jìn)行探析，為高壓冷卻加工提供技術(shù)支持。

目前，切屑研究主要集中在常規(guī)切削的鋸齒形切屑形成機(jī)理、切屑形態(tài)、切屑成分等方面，哈爾濱理工大學(xué)的吳明陽(yáng)等對(duì)PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形切屑形成機(jī)理進(jìn)行了研究；華北電力大學(xué)的范孝良等對(duì)GH4169 切屑形態(tài)進(jìn)行了研究；段春爭(zhēng)等對(duì)鋸齒形切屑形成過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真研究；THAKUR 等研究了切削參數(shù)對(duì)切削過(guò)程中切屑厚度和刀- 屑接觸長(zhǎng)度的影響規(guī)律；SCHULZ 等對(duì)鋸齒形切屑的幾何形狀進(jìn)了定量分析；KOMANDURI 等研究了切削參數(shù)對(duì)鋸齒形切屑的影響規(guī)律；以上國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫合金加工過(guò)程中所形成的切屑進(jìn)行了研究，但絕大多數(shù)為常規(guī)切削，對(duì)高壓冷卻切屑折斷研究較少，因此高壓冷卻下切屑折斷機(jī)理的研究具有重要意義。

PCBN 刀具因材料特性采用平前刀面，通常沒(méi)有斷屑槽，在切削過(guò)程中易產(chǎn)生連續(xù)型切屑，以往針對(duì)槽型刀具利用幾何方法對(duì)切屑卷曲折斷進(jìn)行研究分析，此方法在PCBN 刀具加工過(guò)程中不太適用，因此哈爾濱理工大學(xué)的吳明陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)嘗試從力學(xué)角度研究切屑卷曲折斷機(jī)理。他們?cè)?strong>《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2017年第9期發(fā)表的《高壓冷卻下 PCBN 刀具切削高溫合金切屑卷曲折斷機(jī)理及試驗(yàn)研究》一文中，在常規(guī)切削試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以切削力學(xué)研究為基礎(chǔ)，建立切屑卷曲半徑預(yù)測(cè)模型及斷屑模型，分析高壓冷卻下高溫合金切削加工中的切屑折斷機(jī)理，并進(jìn)行高壓冷卻切削試驗(yàn)，找到不同冷卻液壓力下的切屑卷曲半徑變化規(guī)律，對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 高壓冷卻切削試驗(yàn)裝置

重要結(jié)論

(1) 基于目前已完成常規(guī)切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GH4169 切削過(guò)程中斷屑困難、切屑纏繞工件及刀具，易造成工件損傷和刀具破損；通過(guò)切削力學(xué)建立切屑卷曲半徑預(yù)報(bào)模型和斷屑模型，而不是利用幾何方法進(jìn)行研究，分析得出高壓冷卻加工過(guò)程中切削彎矩增大，切屑卷曲半徑減小，切屑變形量增大，導(dǎo)致切屑應(yīng)變?cè)黾樱行紤?yīng)變快速達(dá)到材料極限應(yīng)變且折斷，有效改善PCBN 刀具采用平前刀面斷屑困難這一難題。

(2) 研究發(fā)現(xiàn)高壓冷卻加工使極限進(jìn)給量、極限背吃刀量降低，提升斷屑性能，有效提高切屑斷屑能力，隨著冷卻液壓力增加，切屑卷曲半徑逐漸減小，當(dāng)冷卻液壓力繼續(xù)增大，切屑被高壓冷卻液折斷，產(chǎn)生短碎屑，可以減小刀-屑接觸長(zhǎng)度，提高刀具壽命、加工效率以及工件表面質(zhì)量。

(3) 通過(guò)試驗(yàn)研究，分析得到高壓冷卻加工過(guò)程中切屑卷曲半徑顯著小于常規(guī)切削切屑卷曲半徑，且隨著冷卻液壓力的增加，切屑卷曲半徑逐漸減小，增大切削彎矩，有效減小切屑卷曲半徑，增大切屑彎曲應(yīng)變，試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，為進(jìn)行高壓冷卻條件下高溫合金的切削加工奠定了基礎(chǔ)。

主創(chuàng)簡(jiǎn)介

吳明陽(yáng)，男，1971 年出生，教授。主要研究方向?yàn)殡y加工材料切削理論及刀具。