加熱切削技術(shù)研究管理的論文

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)材料性能的要求越來(lái)越高，引入了很多高強(qiáng)度、高硬度和耐高溫的新材料。這些材料加工時(shí)切削力大，溫升高，刀具磨損嚴(yán)重，加工表面質(zhì)量差，加工精度也難以提高。最突出的問(wèn)題是加工困難，有些材料幾乎無(wú)法加工。加熱切削是克服加工困難問(wèn)題的特種加工技術(shù)中最有效的方法之一，它為難加工材料的切削加工開(kāi)辟了一條新的途徑，已用于航宇、兵器、機(jī)械、車(chē)輛、化工、微電子及醫(yī)療工業(yè)。當(dāng)前，加熱切削技術(shù)及其發(fā)展在制造技術(shù)領(lǐng)域很受關(guān)注。

　　1加熱切削技術(shù)及現(xiàn)狀

　　加熱切削技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展

　　加熱切削加工方法巧妙地利用了高能熱源的熱效應(yīng)，對(duì)被切削材料進(jìn)行加熱，使材料切削部位受熱軟化，硬度、強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生塑性變形(圖1)。由于加熱溫升后工件材料的剪切強(qiáng)度下降，使切削力和功率消耗降低，振動(dòng)減輕，因而可以提高金屬切除率，改善加工表面的粗糙度。又因刀具耐用度與工件溫度存在一定的關(guān)系(通常，當(dāng)工件溫度在810℃左右時(shí)刀具的耐用度最大)，所以還可延長(zhǎng)刀具壽命。

　　早在1890年就出現(xiàn)了對(duì)材料進(jìn)行通電的加熱切削，并獲美國(guó)和德國(guó)專利。20世紀(jì)40年代，加熱切削在美、德開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，證明高溫能使“不可能”加工的金屬提高加工性能，并取得經(jīng)濟(jì)效益。但這個(gè)時(shí)期加熱切削尚處于發(fā)展的初步階段，加工質(zhì)量難以保證，基本上沒(méi)有應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。60年代以后，利用刀具與工件構(gòu)成回路通以低壓大電流，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電加熱切削，使切削能順利進(jìn)行。70年代初，出現(xiàn)了一種有效的等離子弧加熱切削，最初由英國(guó)研制成功。80年代以后，開(kāi)發(fā)了激光加熱切削，由于激光束能快速局部加熱，較好地滿足了加熱切削的要求，因而提高了加熱切削技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。

　　一般熱源

　　加熱切削所用熱源，如通電加熱、焊矩加熱、整體加熱、火焰和感應(yīng)局部加熱及導(dǎo)電加熱，通稱為一般熱源。這些熱源都能對(duì)被加工材料加熱，對(duì)加熱切削技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展起了重要作用，但它們存在加熱區(qū)過(guò)大、熱效率低、溫控困難、加工質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，使切削不理想，難以甚至未能應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去。

　　等離子弧及激光熱源

　　等離子弧加熱切削，用等離子弧噴槍中的鎢作陰極，工件材料作陽(yáng)極，通電后形成高溫的等離子弧，其特點(diǎn)是加熱溫度高，能量集中，可對(duì)難加工材料進(jìn)行高效切削。研究表明，在加熱切削冷硬鑄鐵和高錳鋼等難加工材料時(shí)，切削速度高達(dá)100～150m/min，刀具耐用度可提高1～4倍。這種方法存在的問(wèn)題是加熱點(diǎn)必須與刀具有一定距離，加熱效果難控制；加工條件惡劣，需要防護(hù)裝置。

　　激光加熱切削以激光束為熱源，對(duì)工件進(jìn)行局部加熱，其優(yōu)點(diǎn)是熱量集中，升溫迅速；熱量由表及里逐漸滲透，刀具與工件交界面的熱量較低；激光束可照射到工件的任何加工部位并形成聚焦點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)可控局部加熱。研究結(jié)果表明，激光加熱切削可使切削力下降25%左右，還能有效改善工件的表面粗糙度。存在的主要問(wèn)題是大功率激光器價(jià)格昂貴，能量轉(zhuǎn)換效率低，金屬材料對(duì)激光吸收能力差，吸收率一般只有15%～20%左右，經(jīng)磷酸處理后，吸收能力可提高到80%～90%，但經(jīng)濟(jì)可行性差，這是這種加熱方法難以推廣應(yīng)用的原因之一。

　　以上兩種熱源的出現(xiàn)，大大推動(dòng)了加熱切削技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作。但要順利地用于生產(chǎn)，達(dá)到預(yù)期的切削效果，還有一些問(wèn)題需要解決，尤其是切削機(jī)理還需進(jìn)一步探索和研究，如加工過(guò)程中還存在由于一定的熱擴(kuò)散而影響加工質(zhì)量，功率消耗多，溫度控制困難，熱源裝置不理想，價(jià)格昂貴等問(wèn)題，所以生產(chǎn)上實(shí)用進(jìn)程不快。加熱切削技術(shù)的關(guān)鍵在于加熱，目前，一般的目標(biāo)是加熱到難加工材料熔化前處于軟化的溫度，但這一溫度是否合適，怎樣達(dá)到和控制這個(gè)溫度，還需進(jìn)一步探索、分析和研究。

　　2加熱切削的研究及關(guān)鍵技術(shù)

　　研究目標(biāo)和意義

　　研究課題以難加工材料組織相變理論、金屬切削原理和熱學(xué)傳導(dǎo)為基礎(chǔ)，以難加工材料難切削的機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，著重分析和尋找溫度、材料組織形態(tài)的變化以及與切削力之間的關(guān)系，摸索切削規(guī)律，確定改善材料可切削性的對(duì)策，進(jìn)而從根本上解決難加工材料的切削問(wèn)題。

　　研究工作的前提條件之一是，目前已有了激光和等離子弧這類熱梯度很陡的熱源，加熱溫度能在幾毫秒內(nèi)達(dá)到需要值，容易控制、調(diào)節(jié)溫度的高低。前提條件之二是，相當(dāng)部分材料組織具有相變時(shí)的超塑特征，在這種狀態(tài)下，材料組織分子的結(jié)合力最低，而此狀態(tài)的溫度又大大低于材料熔化前軟化的溫度，所以有可能擺脫難加工材料切削加工目前所處的困境。因?yàn)�，如果難加工材料實(shí)現(xiàn)加熱切削必須達(dá)到材料軟化溫度的話，實(shí)踐已證明很難取得預(yù)期的切削效果。

　　研究的意義在于提出的基于改變組織形態(tài)的切削方法，是將材料科學(xué)的固態(tài)相變理論擴(kuò)展用于切削加工領(lǐng)域。這種深入的機(jī)理探討和研究，是金屬切削原理的創(chuàng)新，也是制造技術(shù)發(fā)展方向上的新思路。另外，如果能使難加工材料的加熱切削技術(shù)朝著比目前的切削溫度更低、加工精度更高、加工速度更快的方向發(fā)展，無(wú)疑能推進(jìn)加熱切削的實(shí)用進(jìn)程。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　材料的相變超塑性能力及變化規(guī)律。

　　金屬材料超塑性狀態(tài)的特點(diǎn)，是在一定條件下呈粘性或半粘性，沒(méi)有或只有很小的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，流動(dòng)性和填充性很好，超塑變形為宏觀均勻變形，變形后表面光滑，沒(méi)有起皺、凹陷、微裂及滑移痕跡等。金屬材料在超塑狀態(tài)進(jìn)行切削是否也呈現(xiàn)上述現(xiàn)象，或者是否還有其他特殊現(xiàn)象是需要搞清楚的。材料在超塑狀態(tài)下切削時(shí)的超塑性能力及其變化規(guī)律是需要研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，這對(duì)提高難加工材料的切削效果有著重要意義。

　　一般鋼鐵材料都有相變超塑性(圖2)，它是在相變發(fā)生和進(jìn)行時(shí)產(chǎn)生的，依存于加熱)冷卻速度。黑色金屬超塑性變形有一定的溫度區(qū)，這個(gè)溫度區(qū)比較狹窄，可以有1個(gè)，也可以有2個(gè)以上。如30CrMnSiA只在處于770℃才出現(xiàn)較好的超塑性，此時(shí)a與b兩相的體積比率接近于1，最大應(yīng)力降到30MPa，溫度區(qū)窄；在700℃左右的一個(gè)范圍內(nèi)，超過(guò)臨界溫度就沒(méi)有超塑性了。在超塑區(qū)域內(nèi)，溫度值應(yīng)該穩(wěn)定，不應(yīng)起伏波動(dòng)，恒溫持續(xù)時(shí)間也不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，否則超塑現(xiàn)象會(huì)消失。鋼從奧氏體區(qū)域以大于臨界冷卻速度進(jìn)行淬火，可得到馬氏體。由于加工應(yīng)變誘發(fā)和進(jìn)行馬氏體相變，產(chǎn)生相變超塑性。馬氏體轉(zhuǎn)化與溫度有關(guān)，并有一定限度。超塑性是在某一適當(dāng)?shù)臏囟确秶�才出現(xiàn)的狀態(tài)，若想有效利用超塑性，必須在0.5T熔以上到相變溫度以下的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行加工。

　　加熱溫度的影響因素及控制方法。金屬材料的相變超塑性對(duì)溫度有苛刻的要求，在溫度循環(huán)中的應(yīng)變、應(yīng)變速度、作用應(yīng)力及加熱速度等都會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生影響，這是研究的關(guān)鍵技術(shù)之二。激光輻射材料時(shí)，其光能被材料吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能。激光加熱的熱傳導(dǎo)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，激光以很高的速度穿透表面進(jìn)入材料深處，其初始速度可達(dá)5～20cm/s。熱量在材料中傳導(dǎo)擴(kuò)散，造成一定的溫度場(chǎng)。用數(shù)學(xué)方法分析計(jì)算熱傳導(dǎo)，對(duì)把握激光加熱效果有重要意義�？梢岳�用激光輻射形成的線狀熱源的變長(zhǎng)度和變熱源的性質(zhì)，用數(shù)學(xué)分析方法來(lái)研究，尋找熱源的溫度場(chǎng)。根據(jù)上述理論建立的傳熱數(shù)學(xué)模型與激光加熱切削過(guò)程進(jìn)行仿真，對(duì)各主要參數(shù)作出精確的預(yù)測(cè)，加熱切削的研究是非常重要的，也是取得良好效果的有力保證。

　　等離子弧加熱切削淬火鋼的試驗(yàn)表明，如果等離子槍安置在切削刀具前適當(dāng)?shù)奈恢茫�其傾斜角度、離加工面的距離及距切削刀尖的弧長(zhǎng)等均可調(diào)節(jié)，并與適當(dāng)?shù)碾妷�、電流、壓縮氣體壓力和流量相配合，這樣來(lái)控制加熱溫度，實(shí)現(xiàn)超塑組織狀態(tài)下的切削，可以獲得好的加工質(zhì)量。

　　采用上述兩種熱源加熱，使金屬(尤其是Fe-C合金系)中亞共析鋼容易實(shí)現(xiàn)超塑性，低碳鋼等材料較易處于相變超塑狀態(tài)，可以達(dá)到加熱作用時(shí)間短、熱源對(duì)材料作用區(qū)域小的目的，其面積、形狀、大小都可調(diào)節(jié)，為金屬超塑組織形態(tài)應(yīng)用于切削加工創(chuàng)造了條件。

　　應(yīng)用前景

　　使金屬處于一定組織形態(tài)的加熱切削有著廣闊的應(yīng)用前景：(1)實(shí)現(xiàn)難加工材料的切削加工，并提高切削質(zhì)量，這是主要的應(yīng)用領(lǐng)域；(2)對(duì)于低碳鋼、純金屬等材料的切削，可以改善加工表面粗糙度；(3)對(duì)于常用金屬材料，如45鋼的切削，因?yàn)榍邢髁�降低，可�?jié)省能源消耗；(4)可有效解決機(jī)修工業(yè)中高硬度堆焊層的難切削問(wèn)題；(5)在航宇工業(yè)等尖端科學(xué)的制造技術(shù)研究工作中有獨(dú)特的作用。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　一定的金屬組織形態(tài)下的加熱切削，能提高加工效果和加工質(zhì)量，推進(jìn)實(shí)用化；這是金屬切削原理的創(chuàng)新，特種加工技術(shù)的新發(fā)展�；�于特定材料組織形態(tài)的加熱切削雖已證明在技術(shù)上是可行的，但仍需加以完善和提高。我國(guó)已研制成功各類激光發(fā)生器、測(cè)溫儀器、切削力測(cè)量裝置以及控制系統(tǒng)，為這種加工制造技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。

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