高强度钢的切削加工_何珩宁

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２００７０８的变动也越大，即可以预测到ΔＵｉ下一步的变化趋势，并及时采取措施以控制系统，也就是具有“预见性”“超前性”。由于微分控制对输入信号的变化速度极其敏感，故其抗干扰性能较差。只是在ΔＵｉ变化的瞬间过程才起效果，而在信号ΔＵｉ不变化或变化极其缓慢的稳态情况下将完全失效，这就形成了“有输入，但无输出”的状态。所以，在自动调速系统中不能单独使用微分控制器。

四、比例加积分加微分控制器在自动调速中的应用由前面的分析可以看到，积分控制器可减小或消除静差，提高精度。而微分控制器则可以抑制过大的超调量，提高稳定性，加快过渡过程。若在比例控制的基础上再引进积分、微分控制，将三者结合起来，形成比例积分微分控制（简称ＰＩＤ控制）就可得到更完善的控制效果。在这种控制器中，控制器的输出信号Ｕｏ既与输入偏差信号ΔＵｉ成正比，又与输入偏差信号ΔＵｉ对时间的积分量成正比，还与输入偏差信号ΔＵｉ的一阶导数成正比。

即Ｕｏ＝ＫｐΔＵｉ＋Ｋ１ΔＵｉｄｔ＋Ｋ２ｄ（ΔＵｉ）／ｄｔ

在采用ＰＩＤ调节器进行控制的自动控制系统中，只

要有ΔＵｉ开始，比例作用（Ｐ）就始终存在，它是ＰＩＤ控制的基本分量；

微分作用（Ｄ）在有ΔＵｉ的瞬间有很大

的输出，具有超前作用，迫使系统强烈调节，然后逐渐消失，进入了“有输入，但无输出”的状态；积分作用（Ｉ）则在开始时作用不明显，但随着时间的推移，其作用逐渐增大，呈现出主要控制作用，直至系统静差消失为止。也就是说，在控制器输入端出现突变扰动信号的瞬间，控制器的比例控制和微分控制同时发挥作用，在比例作用基础上的微分作用，使控制器产生很强的控制作用，控制器的输出立即产生大幅度的突变。此后，ＰＩＤ控制器的微分作用逐渐减弱，而比例控制一直发挥作用。与此同时，积分作用随时间的累积而逐渐增强，直到消除系统静差为止。ＰＩＤ控制规律全面综合了比例、积分和微分控制的优点，故ＰＩＤ控制器是一种相当完善的控制器。ＰＩＤ控制器应用于自动调速系统，控制精度高，而且经济可靠、抗干扰能力强，在允许负载、电枢电阻和转动惯量变化的范围内，都能保持响应的快速性以及无静差、无超调的优良性能。因而，ＰＩＤ控制在实际自动调速系统中得到了极其广泛的应用。

（作者单位：河南省焦作市高级技工学校）

高强度钢，是指那些在强度和韧性方面结合很好的钢种。其抗拉强度σｂ＞１２００ＭＰａ时，叫高强度钢；其抗拉强度σｂ＞１５００ＭＰａ时，称为超高强度钢。超高强度钢，视其合金含量的多少，可分为低合金超高强度钢（合金含量不大于６％）、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。高强度钢和超高强度钢的原始强度和硬度并不高，但是经过调质处理后可获得较高的强度，硬度在ＨＲＣ３０～５０之间。钢的抗拉强度与硬度之间存在一定的关系。一般来说，硬度提高强度也随之增高。所谓高强度钢和超高强度钢，是指综合性能而言的。淬火钢的硬度很高，但不能称为高强度钢和超高强度钢，其原因是它的综合性能不好，几乎没有塑性，韧性也很差，只能做耐磨零件和工具。随着机械工业的发展，对机器和零件的性能要求越来越高，高强钢的使用更加普遍，零件在制造过程中的加工难度日益凸显。

在此，笔者想从高强钢的切削加工性能特点出发，在刀具材料、刀具角度和切削用量方面对其做有益的探讨。

一、加工高强钢时的几大特点

１．刀具易磨损、耐用度低

高强度钢和超高强度钢，调质后的硬度一般在

ＨＲＣ５０以下，但抗拉强度高，韧性也好。在切削过程

中，刀具与切屑的接触长度小，切削区的应力和热量集中，易造成前刀面月牙洼磨损，增加后刀面的磨损，导致刃口崩缺或烧伤，刀具的耐用度低。

２．切削力大

高强度钢和超高强度钢的剪切强度高，变形困难，切削力在同等的切削条件下，比切４５号钢的单位切削力大１．１７～１．４９倍。

３．切削温度高

这两种钢的导热性差，切削时切屑集中于刃口附近很小的接触面内，使切削温度增高。

文／何珩宁

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４．断屑困难

由于高强度钢和超高强度钢具有良好的塑性和韧性，所以切削时切屑不易拳曲和折断。切屑常缠绕在工件和刀具上，影响切削的顺利进行。

鉴于以上原因，高强钢的切削加工对刀具材料提出了较高的要求，高强度钢和超高强度钢具有很高的强度和硬度，切削时要求刀具应具有较高的红硬性、耐磨性及冲击韧性，而且不易产生粘结磨损和扩散磨损。

二、刀具材料的选择

粗加工和断续切削时，要求刀具具有抗热冲击性能。除金刚石刀具外，各种刀具材料均可以切削，在选择刀具材料时，应根据切削条件合理选择。

１．高速钢

选用高性能高速钢切削高强度钢和超高强度钢，应根据工件材料的性能、形状、加工方法和工艺系统刚性等特点，全面考虑刀具材料的耐热性、耐磨性和韧性等。当工艺系统刚性较好、刀具型面简单时，可采用钨系、钨钼系高钒高钴高速钢；型面复杂时，可采用钨钼系、高碳低钒含铝高速钢或钨钼系高碳低钒高钴高速钢；当工艺系统刚性较差时，可采用钨钼系低钒含铝高速钢及钨钼系低钒高钴高速钢；在冲击切削条件下，宜采用钨钼系高钒高速钢、钨钼系含铌高速钢或钨钼系含铝高速钢。

２．粉末冶金高速钢和ＴｉＮ涂层高速钢

粉末冶金高速钢，是由高速钢粉末在高温（１１００℃）、高压（１００ＭＰａ）下直接压制，再锻造成所需要的刀具形状，加工淬火后刃磨而成。它具有硬度高、高温硬度好、耐磨性好的特点，适用于高强度钢和超高强度钢的切削加工，高速钢刀具因有ＴｉＮ涂层，可以延长刀具耐用度２～３倍，提高切削速度２５％。

３．硬质合金

硬质合金是切削高强度和超高强度钢的主要刀具材料，一般应选新型高性能硬质合金或涂层硬质合金。

４．陶瓷刀具

它的硬度和耐热性高于硬质合金，允许的切削速度比硬质合金高１～２倍。在高强度钢和超高强度钢的切削中，陶瓷刀具主要用于车削和平面铣削的半精加工和精加工中。

５．立方氮化硼（ＣＢＮ、ＰＣＢＮ聚晶立方氮化硼）

这种刀具的硬度、耐磨性及耐热性很高，ＰＣＢＮ的强度也很高，达１５００ＭＰａ，适用于高强度钢和超高强度钢的车削和铣削，主要用于半精加工和精加工。

三、刀具几何参数的选择

切削高强度钢和超高强度钢，刀具几何参数的选择原则与加工一般钢材相同。但由于这种钢材的切削特点，应注意刀刃和刀尖部分的强度，以保证刀具有一定的耐用度。

刀具的耐用度，随着刀具的前角和后角改变而变化。前角大，刃口强度低，容易造成崩刃。后角小，加剧刀具磨损。所以在切削时，应采用较小的前角或负前角及较大的后角。采用硬质合金刀具时，ｙ０＝４°～６°，α０＝８°～１２°；车削超高强度钢时，选用负前角，一般为ｙ０＝－２°～－４°。切削刃应鐾出负倒棱，一般为ｙ０１＝－５°～－１５°，ｂｙ＝（０．５～０．８）ｆ。这样既可以加强刀刃，又不致使切削力增大。

为了加强刀尖强度，刀尖圆弧半径应比加工一般钢材大一些。粗加工时，ｒｚ＝１～２ｍｍ；精加工时，ｒｚ＝０．５～０．８ｍｍ。

四、切削用量的选择

各种高强度钢和超高强度钢中的合金元素种类与含量不同，热处理后的力学物理性能差异也很大，因此应根据不同的切削对象合理选择切削用量。选择切削用量的基本原则与一般切削相同。

切削高强度钢时的切削速度应比加工一般钢材低些，为切削４５号钢的切削速度的５０％左右。加工超高强度钢应更低一些，为切削４５号钢的切削速度的３０％。采用高速钢刀具时，Ｖｃ＝３～１１ｍ／ｍｉｎ，ｆ＝０．０３～０．３ｍｍ／ｒ，ａｐ＝０．３～２ｍｍ；采用陶瓷刀具切削时，Ｖｃ＝７０～２１０ｍ／ｍｉｎ，ｆ＝０．０５～１ｍｍ／ｒ，ａｐ＝０．１～４ｍｍ；采用ＣＢＮ（或ＰＣＢＮ）切削时，Ｖｃ＝４０～２２０ｍ／ｍｉｎ，ｆ＝０．０３～０．３ｍｍ／ｒ，ａｐ≤０．８ｍｍ。

五、要解决断屑的问题

切削高强度钢和超高强度钢时的断屑问题，是影响加工效率和生产自动化的重要问题。因此必须根据切削的条件和加工方式，选择有效的断屑措施。

１．利用刀片断屑槽断屑

这种方法是最常用而比较简单的断屑方法。

２．焊接式硬质合金刀具

焊接式硬质合金刀具，可以磨成槽底为圆弧槽，前宽深后窄浅的锥形槽、弧形槽、腰鼓形槽、棱形凸面槽等。锥形断屑槽刃磨起来比较容易，

３．改变刀具几何参数断屑

在切削高强度钢和超高强度钢时，可以通过改变一个或几个刀具几何参数达到断屑的目的。如加大主偏角、加大负倒棱宽度、减小前角等。但应注意的是，改变刀具几何参数时，必须综合考虑工艺系统刚性和刀具耐用度。

４．改变切削用量断屑

当切削深度不是很大时，可以通过增加进给量、降低切削速度来达到断屑的目的。当切削深度已经较大时，必须考虑刀具的强度、工艺系统的刚性和机床功率，以免造成“闷车”，使刀具损坏。

我们正处在机械制造技术快速发展的时期，高强度等难加工材料的切削加工作为制造技术的基础工艺，在生产中有着广泛的应用前景，其加工技术已成为先进制造技术的主要发展方向之一。随着各种先进制造技术的应用，机器的性能和使用寿命将会得到极大的提高，而高强度材料的切削加工，也将进一步推动机械制造业的蓬勃发展。（作者单位：湖南株洲技术学院）

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