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Salomon假说C09机械2 吴伟伟 091309235一、Salomon假说的起源E. M. Trent在他的著作Metal Cutting中指出：金属切削时所消耗的功率，大部分都在刀具切削刃附近转化为热量，而切削加工中的许多经济和技术问题，都是直接或间接地由这些热量所引起的。在上个世纪20年代，德国学者Carl. Salomon博士进行了一系列切削实验，并在结论中提出这样一个假设：“实验结果在以切削速度为横轴、切削温度为纵轴的坐标系下可以绘制出这样一条曲线，起初该曲线持续上升，随着切削速度不断提高，温度会达到峰值，继而下降，且不同材料对应不同的温度峰值点。”图1是Salomon实验中切削温度和切削速度的关系曲线，左侧阴影部分是传统切削区，右侧阴影部分是Salomon博士提出的高速切削区，他认为在此区域内切削温度会降低，刀具磨损会减小；图2是对应于一些金属材料的Salomon曲线，它们各自有一个切削温度的转折点。Salomon博士据此提出可以在切削温度下降区进行高速切削加工，该项研究于1931年在德国申请了专利。然而，由于二战的缘故，Salomon实验的许多资料和数据都遗失了，而参加这项研究的人也没有一个活到战后，这使得后人对Salomon假设实验条件和推导过程的深入研究变得非常困难，但也激发了人们探索的兴趣。关于Salomon实验，Z. Palmai根据自己的实验结果认为当时所进行的是铣削加工；关于刀具和材料，艾兴认为Salomon是用大直径圆锯片对铝、铜和青铜等有色金属进行铣削，但张伯霖认为是锯切；关于Salomon曲线，J.E. Wyatt推测只有有色金属的曲线是根据实验数据绘制，而其它曲线则是根据理论研究外推得到的。由此可见学术界尚未形成统一的说法。也正是因为实验细节已不为人知晓，加上缺乏可靠的理论解释，以致Salomon假设自提出之日起，一直在学术界饱受争议，支持者与反对者兼而有之。 图1 图2 二、Salomon假说的理论研究不难发现，许多希望从理论上解释Salomon假设的人都认为：随着切削速度的提高，传入切屑的热量比例增加，切屑带走的热量增多，而传入工件和刀具的热量减少。因此，切削过程没有足够的时间来加热工件和刀具应该是温度降低的原因。但是，第二、第三变形区相对于刀具是固定热源，车削时切削速度再高也有足够的时间加热刀具；铣削时，切削速度提高使得加热时间和散热时间同比例缩短；更何况当切削速度大幅提高时，尽管切削力比常规切削时有所降低，但二者乘积也就是功率仍然会增大，总的切削热是增大的，因此片面地只提加热时间减少或者传入工件和刀具的热量减少还不足以支持Salomon假设的论断。三、Salomon假说的实验验证历史上，国内外学者进行了大量实验，试图验证Salomon的理论，比较有代表性的有：19581960年，洛克希德飞机公司的工程师Vanghn采用弹射切削的方法，即用枪炮打出一个工件，以很高的速度通过一个单刃刀具，从而模拟高速切削过程，再用摄像机拍摄切削过程的照片以提供分析依据。这种弹射实验得出了很多规律性的结论，例如高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化；切屑将由带状、片状演化成碎屑；而切削温度会随着切削速度的提高（达到73000m/min）而上升，并保持在高位。70年代，King在真正的高速五轴铣床上进行高速切削研究。根据他的实验结果，切削温度“没有Salomon曲线所显示的下降趋势而是保持在铝合金的熔点附近”。另外，与King同时代的McGee在对铝合金进行了切削实验之后，也得出了相似结论。艾兴收集了一些切削热和切削温度实验的例子。这些实验采用不同的刀具和工件材料，得出了许多条速度温度曲线，但均没有成功地复制Salomon曲线，而是和McGee的曲线类似。国内西北工业大学和成都飞机工业集团的研究人员用红外热像仪对铣削过程进行了温度动态测量，得出了符合Salomon假设的温度曲线。他们的实验方法：刀具以某一进给速度从工件A端开始切削，直到工件B端；在整个切削过程中，用红外热像仪监视并记录测量面的热像温度分布图，记录的热像图经过图像处理软件系统处理后得出不同切削速度下测点Q的温度值。作者在结论中表示：用红外测温技术间接测量铝合金高速铣削相对温度只是初步尝试，相对温度只能间接、近似地反映切削热传入零件加工表面所产生的温度，并不反映刀具表面和切屑的实际温度，有不少问题尚待进一步研究和探索。四、Salomon假说的工程实践Salomon假设是和高速切削技术紧密联系在一起的。如果能够越过Salomon假设提出的不可切削区，切削加工将进入一个非常理想的状态。因此，在Salomon假设的启发下，高速切削技术得到了迅速发展。目前的应用情况是：加工大部分铝合金工件（如航空航天工业中）的时候，切削速度的提高不受刀具耐用度的限制，工件还能保持相对冷态，加工热变形较小，但是对于一些难加工材料（如钢、铸铁、钛合金等），刀具仍然会急剧磨损。为了解释这一现象，已经有学者指出：工件的热变形减小是因为随着切削速度提高，更多的切削热被切屑带走了，但与此同时，刀屑接触面仍然会产生更高的温度，只是由于铝合金的熔点很低而且远低于刀具（如硬质合金刀具）的极限温度，从加工铝材的刀具耐用度这一角度来看，就可以认为切削速度是无限的。这种观点有助于为Salomon假设成立与否的争论提供一个新的思考角度。在工程上研究人员和用户所关心的，应该是刀具前面和刀屑接触区的温度，因为该温度和刀具磨损、积屑瘤的生长与消失以及已加工表面质量有密切的关系。但是在Salomon假设中，切削温度的定义恰恰比较模糊。因此，Longbottom总结道：支持Salomon假设的人所指的切削温度，往往是工件温度，而反对者研究的切削温度，一般都是刀屑接触区的温度。换句话说，应该首先确切地定义切削温度，再来研究Salomon假设。相应地，由于刀屑接触区的温度和刀具磨损密切相关，该区域的温度在高速切削下没有降低，也没有学者发现高速切削下刀具磨损程度降低的证据，因而Salomon关于刀具磨损的假设基本可以否定。当前，具有高速主轴的机床和高速切削刀具已经问世，有限元技术蓬勃发展，计算机数学建模和数据处理能力大幅提高，这都为进一步探索Salomon假设提供了有利的条件。在研究过程中，笔者认为需要采用更先进的测量手段，弄清刀屑接触区的温度变化规律和分布规律，毕竟这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；充分依靠现有的技术手段，对更多的材料做高速切削实验，弥补Salomon当年“外推”曲线的不足；探索高速切削时金属塑性变形甚至超塑性变形的机理，从理论上为高速加工提供依据。五、超高速切削加工技术（1）关键技术高速、超高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等相关的硬件与软件技术的基础之上综合而成的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削的相关技术。（2）刀具技术超高速铣削时，刀具与材料之间摩擦产生的切削热量与刀具所受到的磨损程度都要比普通的切削高得多，为此，对超高速切削使用的刀具材料有特殊的要求。在刀具的耐磨性、强硬度、高韧性、化学性能稳定性、耐高热性等性能方面具有其超出一般切削的刀具的特有属性。目前新兴刀具材料的种类很多，但同时兼具上述性能的材料却很难找到。因此，在具有比较好的抗冲击韧度的刀具材料的基体上，再加上高热硬性和耐磨性镀层的刀具是刀具技术发展的重点。另外，综合切削性能非常好的高速加工刀具，还可以通过CBN和金刚石等硬度很高的材料烧结在抗冲击韧度好的硬质合金或陶瓷材料的基体加工得到。（3）加工工艺高速切削作为一种新的切削方式，目前，尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有较多的加工实例可供参考，还没有建立起实用化的高速切削数据库，在高速加工的工艺参数优化方面，也还需要作大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程都还不能满足高速切削加工的要求，需要由人工编程加以补充。应该采用一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。（4）高速切削机理目前对于铝合金的高速切削机理研究，已取得了较为成熟的结论，并已用于指导铝合金高速切削生产实践。而关于黑色金属及难加工材料的高速切削加工机理研究尚在探索阶段，其高速切削工艺规范还很不完善，是目前高速切削生产中的难点，也是切削加工领域研究的焦点。正开展的研究工作主要包括铸铁、普通钢材、模具钢、钛合金和高温合金等材料在高速切削过程中的切屑形成机理、切削力、切削热变化规律及刀具磨损对加工效率、加工精度和加工表面完整性的影响规律，继而提出合理的高速切削加工工艺。另外，高速切削已进入铰孔、攻丝、滚齿等应用中，其机理也都在不断研究之中。（5）超高速切削加工技术特点第一、生产效率大大提高。超高速切削在切削材料时极大地缩短了机动时间和辅助时间、使因为切削而消耗的时间缩短了近一半左右。极大地提高了机械制造过程中切削工作效率，缩短了机械制造工期。第二、材料切削加工精度更高。高速切削单位切削力较同样的切削层参数，单位切削力明显要小很多。同时切削力还可在保持高效率的同时适当减低进给量，使减幅进一步加大，大大降低了工件切削过程中产生变形的机率。同时，高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度降低，加工表面受热时间短、切削温度低，因此，热影响区和热影响程度都较小。有利于提高加工精度，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。特别是对于大型框架件、薄壁件、薄壁槽形件的高精度高效加工，高速铣削是目前唯一有效的方法。第三、能获表面较好的完整性。在对机械材料进行高速切削时，高速切削一方面保证了切削工作的生产效率，另一方面它采用的进给量较小，使得加工表面变得较为光滑。在高速切削的过程中，切削力度和变化幅度都很小，而且机床的激振频率远高于切削工艺系统的固有频率，加工表面受切削震动的影响较小，大部分合成材料有多种化合物混合加工而成，再经切削产生的高温热量的情况下，容易改变材料的性能，高速切削以其高速、低热传入比率，可使受加工材料表面保持稳定的物理性能。（6）超高速切削加工技术发展趋势第一，在重切削工艺中进行超高速切削。这种切削要求超高速切削必须兼具高功率、大切深、重负荷、长时间等高标准、严要求，重切削所要求的超高速切削难度更大，工作更复杂。重切削在我国大型设备制造业领域具有重要的地位，它是提高设备加工效率的关键。为此我们的研究开发方向要倾向于重切削领域的超高速切削研究。第二、难加工材料的超高速切削。切削难加工材料具有切削温度高、导热性差、刀具磨损快等特性，为此它对切削刀具材料具有特殊要求。难加工材料的相对切削加工性极低，目前对对机械制造中的难加工材料大多只能采用很低的切削速度。只有不断深入研究，努力发现难加工材料所具有的特性，找到适合高速切削各种难加工材料的超硬刀具材料，开发出新的高速刀具切削系统，才能破解难加工材