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1、（一）立项依据与研究内容1、项目的立项依据在机械制造和生产中常常会遇到一些新、难加工材料的工件需要切削加工，如果不了解、熟悉其可加工性，就无法选择合适的加工刀具材料，也就无法保证其生产效率和加工质量，甚至无法加工，这是机械加工中的难题。其中，高锰钢就属于典型代表之一。由于高锰钢材料具有的特殊性能，如强度、硬度高，耐磨损等，得到了越来越广泛的应用，如应用于国防、军工、航空、铁路等。以铁路为例，高速铁路上使用的道岔就是高锰钢材料，其具有代表性的钢种为含碳量1.0-1.4%、含锰量11-14%的哈德菲尔德(Hadfield)高锰钢，经水韧处理后的高锰钢在常温下的组织为单一的奥氏体固溶体，在加工中当其
2、受到冲击力和压力时，材料组织剧烈强化而使奥氏体转变为马氏体,表层硬度显著提高,从而使材料具有极高的耐磨性,导致用常规切削方法加工极为困难,刀具寿命、加工精度和加工效率均很低。如沈阳铁路局某配件厂，在高锰钢道岔上钻孔时，使用的硬质合金钻头破损情况非常严重，经常是钻一个孔，需要几把钻头“前赴后继”才能完成，铣削时，刀具的破损及磨损现象也非常普遍。企业不仅加工效率极低，而且资源浪费严重，仅刀具一项，每年就达数百万元。因此，高锰钢的加工问题是一个迫切需要解决的问题，解决好该问题，可以有效提高劳动生产率，降低加工成本，保证切削加工质量，对生产十分有利。仅对铁路行业而言，揭示高锰钢切削加工的机理，研究和开
3、发高效切削加工高锰钢的新技术，可以有效地优化切削参数和切削过程，提高高锰钢道岔加工效率，降低刀具磨损，从而可以进一步制定以及完善高速铁路高锰钢道岔的生产工艺标准，为我国新建高速客、货运专线铁路序幕的拉开，提供一定的原动力。同时，对于其它行业和领域内高锰钢的应用加工，也可以提供理论与技术上的支撑。美、日、德、前苏联等工业发达国家从60年代起开始研究难切削材料包括高锰钢的加工技术。我国从70年代后期开始进行高锰钢切削加工的研究，重点研究用于铁路的ZGMn13 高锰钢辙叉的钻削、刨削和铣削加工。通过多年的实验研究,在高锰钢的可加工性及切削机理、加工技术上取得了一定的成果。高锰钢等难切削材料的加工方法
4、主要可分为三类:普通切削法；特殊方法辅助切削；特种加工方法。我国目前采用的加工方法主要是普通切削法,即通过选用先进的刀具材料及合理的刀具结构,优化切削条件来完成切削加工任务。从加工水平来看,仍处于刀具消耗大、切除率低、加工效率低的阶段。由于高锰钢的应用广泛性和难加工性，引起了国内外专家学者的广泛关注，尤其在国内，每年都有大量的文献发表。王豫和斯松华1通过实验的手段，研究了从20J/cm2到250J/cm2等一系列冲击载荷作用下，高锰钢材料的加工硬化规律，得出了只有在冲击载荷大于200J/cm2时才能发挥出最高的加工硬化效果的结论。王建华，任立军2介绍了关于高锰钢加工硬化机理的几个假说：形变马氏
5、体硬化假说、孪晶硬化假说、高位错密度硬化假说、动态应变时效硬化假说、综合作用硬化假说、Fe-Mn-C原子团硬化假说。并通过一定的方法对高锰钢进行研究分析后认为上述几种机理在不同条件下都对高锰钢加工硬化起不同程度的作用，随高锰钢中的锰、碳含量的增加高锰钢表现出更好的加工硬化能力，认为是由于对高锰钢加工硬化起主要作用的Fe-Mn-C原子团引起的。孔海旺3对铸造型的高锰钢(ZGMn13)水韧处理获得单一奥氏体耐磨钢的应力应变和残体硬度作了分析讨论,说明高锰钢奥氏体具有相当高的加工硬化度,在室温下极限变形后,硬度远未达到峰值,因此,奥氏体高锰钢的加工硬化特性是由奥氏体本身强化作用影响产生的。同时还就高
6、锰钢的主要化学成分对组织及性能的影响,大型高锰钢件的制造中的问题作了简要介绍。许云华等4研究指出，微晶与非晶态的产生是高能量冲击载荷下,高锰钢加工硬化的一种机制；微晶和非晶的产生及其镶嵌分布是高锰钢在高能冲击接触载荷下具有较高综合机械性能、优越耐磨性的一个很重要的原因。于启勋5从切削过程特性、切削力、刀具磨损耐用度诸方面阐明了ZGMn13的切削加工性,并对其合理的切削用量和刀具几何参数进行了推荐。胡佳政和谢义斌6以及张志华和林克伟7从经验的角度，对切削刀具的材料，刀具的几何角度，切削用量等方面进行了分析和推荐。还有一些文献针对高锰钢材料的具体加工工艺方法进行了理论分析和实验研究。戴世君和王俊华
7、8分析了高锰钢材料镗削的主要因素，对镗刀材料、几何角度、切削用量等参数给出了经验性的参考意见。王国成9对高锰钢的钻削工艺进行了分析。贾毅10对高锰钢的切削性能、铣削加工工艺、刀具的结构和几何参数设计等进行了理论阐述及实践总结。上述加工方法都属于传统意义上的加工方法。还有专家学者将特种加工方法引入到高锰钢的加工中来，也取得了不错的效果。万光珉和柯建宏11早在1994年就论述了高锰钢的低温脆性，建立了用液氮冷冻的低温切削方法，通过对实际切削过程中诸切削特性的分析，指出高锰钢的低温切削在降低加工硬化程度、稳定切削力、易于断屑和降低表面粗糙度方面是有效的。李良福12介绍国外采用振动切削解决ZGMn13
8、高锰钢的加工问题，分析了各种振动及其对加工过程的影响以及加工结果，指出采用振动切削ZGMn13耐磨钢，可提高刀具的耐用度和加工生产率，改善已加工表面的质量。并可由实验确定加工时的最佳振幅和振动频率范围。应该说，目前对高锰钢材料的使用与加工性能进行了多方面的研究，取得了显著的成果，但是，高锰钢加工中出现的常规切削方法加工困难,刀具寿命、加工精度和加工效率均很低的问题，依然没有很好解决。高速切削(High-Speed Machining，简称HSM)是近十多年来发展迅猛的一项先进制造技术。由于高速切削技术使航空、航天、汽车、模具、轻工和信息等行业的产品质量和生产率大幅提高，加工工艺及装备更新换代，
9、因此如同数控技术一样，高速切削被誉为21世纪机械制造业的一场技术革命13。高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工，因此，有时也称为超高速切削。德国的切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomo)博士从1924年开始进行超高速模拟实验，于1931年发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设，并在德国申请了专利。该假设认为:随切削速度不断增加，切削温度上升，直到一峰值，随切削速度进一步提高，切削温度达到峰值后反而下降，切削温度达到峰值的切削速度称为临界切削速度，该速度两边有一个不适宜的切削加工区域，称之为“死区”14。按照这一假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有比较
10、低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，大幅度地缩短切削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性13。尽管目前的实验研究表明：现有的刀具材料高速切削加工时，不论是连续或断续切削均未出现Salomon理论中的“死区”14，即无人能够重复Salmon提到的切削温度随切削速度下降的曲线段。但是，高速切削加工具有的突出优越性还是得到了普遍的认同 14-16：(1)切削效率高。随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5-10倍。快速空行程速度的大幅度提高，也大大缩短空行程时间，从而极大地提高了生产率。(2)切削力小。在切削速度达到一定值后，切削
11、力可降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁细肋件等刚性差零件的高速精密加工。(3)加工成本低。由于零件的单件加工时间缩短，同时可省去常规加工中的许多道工序，使综合加工成本降低。(4)加工精度高，表面质量好。高速切削时，机床的激振频率特别高，它离“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率很远，工作平稳、振动小，因而能加工出非常精密、光洁的零件，经高速车、铣加工后，工件表面质量常可达到磨削的水平，残留在工件表面上的应力也很小，故常可省去铣削后的精加工工序。(5)可加工各种难加工材料。如航空和动力部门大量采用的镍基合金和钛合金等。(6)适合于加工易热变形的零件。因在高速切削时，
12、95%-98%以上的切削热来不及传给工件，就被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态。因此，高速加工技术己在航空航天、汽车和摩托车、模具制造、轻工与电子工业和其它制造工业得到越来越广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益13。由于高速切削加工具有突出的优越性，世界各国尤其是发达国家十分重视其发展和研究。第一个系统的高速切削研究计划是美国空军于1958-60年实施的，美国洛克希德飞机公司负责具体实验研究。20世纪70年代后期，对高速切削加工的研究目的更加实用和集中，就是利用高速切削加工提高生产率和加工质量。1979年，美国国防高技术研究总署发起了一项为期4年的“先进加工研究计划”，研究成果证明了高
13、速切削加工随着切削速度升高切削力降低，加工精度和表面质量提高等特性17。20世纪80年代初开始，对高速切削加工的研究更趋多样化。1979-88年，在德国国家研究技术部拨款支持下，达姆斯达特工业大学机床研究所联合41家公司，实施了两项研究计划，全面系统地研究了黑色及有色金属材料的高速铣削加工，以及高速切削机床、刀具及主要部件的相关工艺技术17。进入20世纪90年代后，高速加工技术研究取得了较大发展。各工业发达国家加快了对高速切削加工技术的研究应用，高速切削刀具技术不断有新进展，聚晶金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、碳化钛氮基硬质合金(金属陶瓷)、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等适应高速切削的新型刀具
14、材料和结构不断出现，性能不断改善提高，大大促进了高速切削加工技术的发展和推广应用17。与西方发达国家比，我国高速切削技术研究起步较晚。自20世纪80年代起，我国的科研机构、高校和生产企业相继开始高速切削及其相关技术的研究，取得了令人鼓舞的进展，推动了我国高速切削加工技术的发展。进入新世纪以来，尤其是最近几年，高速切削方面的研究在我国日益受到重视，随着研究的深入和认识的深化，研究也由过去的主要以实用验证为目的，过渡到了更深层次的高速切削本质规律的探求。刘志新18以高速切削理论、机床动力学、切削试验、人工智能控制和计算机仿真技术为基础，对微量润滑条件下高速铣削过程进行动力学建模，针对切削力、切削稳
15、定性与振动以及高速切削参数优化等问题进行了深入的研究。万熠19针对硬质合金刀具高速铣削航空铝合金7050-T7451过程中诸如切削力、切削温度、刀具失效理论、刀具磨损破损状态及刀具寿命等进行了系统的研究。付秀丽20同样以航空铝合金7050-T7451为研究材料，基于材料动态力学性能的准确建立，借助理论分析、实验研究，数值模拟等方法，对高速切削航空铝合金加工变形理论与表面形成特征进行了研究，在高速切削本构方程，高速切削的变形机理，基于三维斜角切削加工的热-力耦合应力场，高速切削表面层宏、微观形成特征等方面取得了有价值的成果。如果说，一些学者是分别针对某特定材料、刀具、机床组成的特定的切削系统进行
16、的研究，那么，艾兴院士等 21从更高的层次、更宽的视野阐述了高速切削相关技术的研究内容，主要包括高速切削机床、高速切削刀具、高速切削工艺、高速切削机理等；提出了高速切削技术的发展趋势。认为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。进一步指出了今后的研究工作，主要研究应包括铸铁、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。张海筹 22对高速切削技术在难加工
17、材料上的应用进行了探讨。龙震海 23在切削速度范围157-1000m/min内，综合应用析因实验与速度单因素实验，对航空用难加工材料2Cr13马氏体不锈钢进行了高速干式铣削实验。在分析其切削力显著性影响因素的基础上，对切削力随机信号进行了谱分析与小波分析。研究结果表明，高速切削马氏体不锈钢材料时，切削速度和每齿进给量之间的交互作用对切削力有显著影响。龙震海等24对采用涂层硬质合金刀具和细晶粒硬质合金刀具高速干式端面铣削超高强度合金钢和马氏体不锈钢等难加工材料进行了实验研究，得到如下结论：硬质合金刀具在难加工材料的高速铣削加工中的主要失效形式为前刀面月牙洼磨损和前刀面剥落；高速切削条件下硬质合金
18、刀具的主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损、扩散磨损和氧化磨损，其中扩散磨损和氧化磨损居主导地位。尽管经过国内外专家学者几十年的辛勤工作，在高速切削机理方面的研究，已取得了较为丰硕的成果，但是目前来说，仍然滞后于应用研究，至今仍有许多问题是知其然而不知其所以然，尚未形成比较完整的理论体系，这种状况阻碍了高速切削技术的进一步推广和应用13。高速切削机理方面还需要更深入的研究 25，“高速切削理论研究仍是摆在我们面前的一项十分重要而又艰巨的任务”13。应该说，高速切削加工机理还有许多深层次的问题有待于进一步研究，但它所表现出的与传统切削方法不同的突出优越性，还是让人们非常期待。高锰钢作为典型的难加工材
19、料之一，以剧烈的加工硬化为突出特点，刀具的磨损破损现象十分严重，加工效率低下。高速切削技术为实现高效的高锰钢材料加工提供了崭新的思路，尽管尚未见到高速切削用于高锰钢材料的单独报道，但是，前面关于高速切削发展方面的分析还是为本课题的研究指明了具体的方向。同时，以往专家学者对于切削加工中切削力26，27、切削温度 28、刀具磨损 29-32、切削过程仿真 33-35、表面粗糙度36，37等方面研究所采用的理论方法、实验设计、仿真策略等，都有重要的借鉴意义，也丰富了本课题的研究手段，相信本课题的研究会达到预期的效果。参考文献：1 王豫，斯松华。高锰钢加工硬化规律和机理研究J。钢铁，2001，36（1
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