高速切削中材料對切屑的影響
切屑的形成和切削力與切削速度的相互關(guān)系會受到工件材質(zhì)及其熱處理狀態(tài)的極大影響。除了材質(zhì)的熱特性和機械特性之外，材質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和化學成分都決定了在高速切削時是否采用分段切削作業(yè)。
圖1 在HSC加工過程中，是否可降低切削力，這主要要視工件的材質(zhì)情況而定。因此，為了達到較小的切削力和較小的形狀偏差，并非必須采用很高的切削速度
圖2 高速切削的特征
高速切削（HSC）同傳統(tǒng)的切削工藝相比，具有高切削速度和大切削量的特點。隨著切削速度的不斷提高，對于很多材質(zhì)來說，都需要觀察切削力下降的情況（見圖 2）。針對單個組別的材質(zhì)，則可以依據(jù)經(jīng)驗而定出的切削速度范圍。可以利用一種描述切削力下降與切削速度之間關(guān)系的數(shù)學假設(shè)，來計算可表明高速切削條件的最低極限切削速度νHSC。據(jù)此，切削力則由一個恒定的與切削速度相關(guān)聯(lián)的分量和一個隨切削速度上升而呈指數(shù)下降的分量構(gòu)成。如果切削力的動態(tài)分量下降為其原始數(shù)值的14%，則按定義就達到了極限切削速度（見圖3）。
圖3 從切削力曲線中計算切削速度VHSC
除了切削力隨切削速度上升而下降的因素之外，還需要注意在加工有些材質(zhì)時，切屑會由連續(xù)性帶狀切屑向扇形切屑轉(zhuǎn)變。從文獻資料上看，對于扇形切屑的形成目前有著如下兩種不同的解釋：
（1）由于切削速度上升，工件形狀改變的速度和有效加工區(qū)域內(nèi)由熱轉(zhuǎn)化而來的功也在隨之提高。第一種解釋是基于一種假設(shè)，即由于熱量生成和熱量傳導這兩者之間并不平衡，從而在剪切面上會出現(xiàn)熱量堵塞現(xiàn)象（熱量模式），最終導致材質(zhì)的熱失效。這種被稱為隔熱效應(yīng)的現(xiàn)象在某些溫度傳導能力差的材質(zhì)上表現(xiàn)尤為明顯。
（2）第二種解釋來源于硬加工，由切削過程中剪切面的表面循環(huán)性裂紋生成，從而導致很高應(yīng)力的原理中推導出來。在切割邊緣，材料會發(fā)生塑性變形，從而生成帶狀屑，它可把單片扇形屑粘合在一起。
在 Bremen大學進行了一項試驗，其目的是在進行外圓縱向切削時，對材料的機械、熱量和結(jié)構(gòu)對切屑形成特性的影響，以及在高速條件下切削力與切削速度之間關(guān)系進行研究。不同的材質(zhì)特性可以通過選擇不同的材料和通過有針對性的熱處理而獲得。圖3所示表明了試驗的材料對切屑形成有著重要影響的熱能（溫度傳導能力）和機械（室溫下的抗拉強度）特性。依據(jù)這種有關(guān)扇形切屑生成的機械和熱能解釋模式，可以認為，溫度傳導能力強但抗拉強度弱的材料，更容易產(chǎn)生連續(xù)性的帶狀切屑（圖4中對角線以上區(qū)域）；而溫度傳導能力差但抗拉強度高的材料則更容易生成扇形切屑（圖4中對角線以下區(qū)域）。
圖4 所使用材料按照其抗拉強度和溫度傳導能力的排列情況
為了表述切屑種類特征，引用了扇形化程度的概念Gs，它可以通過顯微圖片并依據(jù)最小切屑厚度與最大切屑厚度的比例關(guān)系，對所出現(xiàn)的切屑進行評價（圖 5）。顯微圖片由在大于極限切削速度νHSC的切削速度下所產(chǎn)生的切屑制得。針對連續(xù)性帶狀切屑，扇形程度指數(shù)等于0；若為完全扇形的切屑，扇形程度指數(shù)則為1。
圖5 扇形化程度Gs的計算
調(diào)質(zhì)狀態(tài)影響切屑形成
從廣泛的試驗材料中，圖6根據(jù)對42CrMo4和純銅的切屑顯微圖片，舉例展示在高速切削過程中出現(xiàn)的不同切屑種類的特征。為了使結(jié)果具有可比性，在兩種情況下使用了帶有負切削角的CBN刀具。顯而易見的是42CrMo4的調(diào)質(zhì)狀態(tài)所帶來的影響。在硬度為33HRC時，實際上沒有出現(xiàn)切屑扇形化的現(xiàn)象。較低的Gs=0.22應(yīng)該歸結(jié)于切屑的上側(cè)面被扯散的緣故。在硬度達到54HRC時，扇形化程度即會達到Gs=0.45。切屑顯微圖尚無法表明，切屑扇形化的原因究竟是什么：是隔熱切削（熱量原因），抑或是循環(huán)性裂紋生成（機械原因）所致。如果因調(diào)質(zhì)強度較大，溫度傳導能力變化很小，那么即可斷定扇形化切屑生成的原因即在于剪切區(qū)域的前端連續(xù)產(chǎn)生了裂紋所致。
切削銅生成的切屑
銅具有韌性好和導熱性強的特點。因此，這種材料不會生成扇形化切屑。這種特性也通過切削速度達到νc =5500 m/min的試驗結(jié)果得到了驗證。顯微圖（圖6c）所示為一種因連續(xù)的變形而產(chǎn)生的連續(xù)性帶狀切屑。
圖 6 高速外形縱向車削試驗中硬度為33HRC (a) 和54HRC (b) 的調(diào)質(zhì)42CrMo4以及銅 (c) 的切屑的扇形化程度νC > νHSC, f = 0.1mm, αρ = 0.1 mm, 干冷卻; 材料：切削材料CBN, 幾何形狀 PCLN-R161H12;刀具幾何外形: 倒角95o，切削角-7 o, 自由角7 o, 刀尖圓弧半徑0.8 mm。
其他材料（如鋁合金 AlZnMgCu1.5和易切削黃銅CuZn39Pb3）也表明會在微結(jié)構(gòu)和化學上對切削的形成產(chǎn)生影響。針對鋁合金材質(zhì)，對不同的伸展狀態(tài)進行了試驗（最大硬化，欠老化）。只有在欠老化的情況下，才可觀察到扇形化的切屑。這可以歸結(jié)到一種交互分離，它阻止了在剪切區(qū)域在變形過程中位移的發(fā)生。而在黃銅上，或許是因為鉛的斷屑作用，造成了扇形化切屑的生成。
有一大部分材質(zhì)在切削速度提高時切削力反而會下降（見下表）。但試驗結(jié)果表明，這種現(xiàn)象并非單純因切屑形成的機理所致，而主要的緣由是在于剪切角度加大即切削比降低。對于大多數(shù)鋼材來說，在HSC加工過程中因熱力機械特性原因而產(chǎn)生扇形切屑，便是這種情況。
在所試驗的純鋁、純銅和純鐵材質(zhì)上，因切削速度加大而切削力明顯降低的現(xiàn)象非常突出。在試驗的切削速度范圍內(nèi)，這種材質(zhì)只生成連續(xù)性帶狀切屑。這主要是因為這些材質(zhì)具有很好的溫度傳導性能（鋁和銅）和較低的抗拉強度（鋁/銅/純鐵）。在因化學成分或微結(jié)構(gòu)方面而生成扇形化切屑的材料上，所觀察到的切削力與切削速度之間的依存關(guān)系并不明顯。
切屑的扇形化會加重切削刀刃的載荷
在高速加工過程中，根據(jù)所采用的不同材料及其熱處理狀態(tài)，可觀察到切屑的扇形化變化。除了材料的機械和熱力特性之外，材質(zhì)的化學和微結(jié)構(gòu)也起到了重要的作用。在對高速切削刀具的設(shè)計上，尤其需要注意這方面的認知，這是因為切屑的扇形化會造成切削刀刃的周期性載荷，結(jié)果會縮短刀具的使用壽命。切削力是否降低，這同樣與所使用的材料有關(guān)。因此在工業(yè)化的實際工作中，在沒有必要的情況下，不要采用高速切削加工，以達到較低的加工力和較小的外形偏差。
切削力隨切削速度提高而降低的現(xiàn)象目前被用于一項由DFG贊助的計劃中，以在加工壁厚小的100Cr6材質(zhì)工件時降低其外形誤差。尤其是也要考慮因切削內(nèi)應(yīng)力的生成與消除對變形所造成的影響。