加熱切削技術研究管理的論文

加熱切削技術研究管理的論文

　　隨著科學技術的進步和工業生產的迅速發展，對結構材料性能的要求越來越高，引入了很多高強度、高硬度和耐高溫的新材料。這些材料加工時切削力大，溫升高，刀具磨損嚴重，加工表面質量差，加工精度也難以提高。最突出的問題是加工困難，有些材料幾乎無法加工。加熱切削是克服加工困難問題的特種加工技術中最有效的方法之一，它為難加工材料的切削加工開辟了一條新的途徑，已用于航宇、兵器、機械、車輛、化工、微電子及醫療工業。當前，加熱切削技術及其發展在制造技術領域很受關注。

　　1加熱切削技術及現狀

　　加熱切削技術的出現及發展

　　加熱切削加工方法巧妙地利用了高能熱源的熱效應，對被切削材料進行加熱，使材料切削部位受熱軟化，硬度、強度下降，易產生塑性變形(圖1)。由于加熱溫升后工件材料的剪切強度下降，使切削力和功率消耗降低，振動減輕，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系(通常，當工件溫度在810℃左右時刀具的耐用度最大)，所以還可延長刀具壽命。

　　早在1890年就出現了對材料進行通電的加熱切削，并獲美國和德國專利。20世紀40年代，加熱切削在美、德開始進入工業應用實踐，證明高溫能使“不可能”加工的金屬提高加工性能，并取得經濟效益。但這個時期加熱切削尚處于發展的初步階段，加工質量難以保證，基本上沒有應用到生產實際中。60年代以后，利用刀具與工件構成回路通以低壓大電流，實現了導電加熱切削，使切削能順利進行。70年代初，出現了一種有效的等離子弧加熱切削，最初由英國研制成功。80年代以后，開發了激光加熱切削，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的實用價值。

　　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、火焰和感應局部加熱及導電加熱，通稱為一般熱源。這些熱源都能對被加工材料加熱，對加熱切削技術的出現和發展起了重要作用，但它們存在加熱區過大、熱效率低、溫控困難、加工質量難以保證等問題，使切削不理想，難以甚至未能應用到生產實際中去。

　　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，工件材料作陽極，通電后形成高溫的等離子弧，其特點是加熱溫度高，能量集中，可對難加工材料進行高效切削。研究表明，在加熱切削冷硬鑄鐵和高錳鋼等難加工材料時，切削速度高達100～150m/min，刀具耐用度可提高1～4倍。這種方法存在的問題是加熱點必須與刀具有一定距離，加熱效果難控制；加工條件惡劣，需要防護裝置。

　　激光加熱切削以激光束為熱源，對工件進行局部加熱，其優點是熱量集中，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，便于實現可控局部加熱。研究結果表明，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。存在的主要問題是大功率激光器價格昂貴，能量轉換效率低，金屬材料對激光吸收能力差，吸收率一般只有15%～20%左右，經磷酸處理后，吸收能力可提高到80%～90%，但經濟可行性差，這是這種加熱方法難以推廣應用的原因之一。

　　以上兩種熱源的出現，大大推動了加熱切削技術的發展，國內外已進行了大量卓有成效的研究工作。但要順利地用于生產，達到預期的切削效果，還有一些問題需要解決，尤其是切削機理還需進一步探索和研究，如加工過程中還存在由于一定的熱擴散而影響加工質量，功率消耗多，溫度控制困難，熱源裝置不理想，價格昂貴等問題，所以生產上實用進程不快。加熱切削技術的關鍵在于加熱，目前，一般的目標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，怎樣達到和控制這個溫度，還需進一步探索、分析和研究。

　　2加熱切削的研究及關鍵技術

　　研究目標和意義

　　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傳導為基礎，以難加工材料難切削的機理為出發點，著重分析和尋找溫度、材料組織形態的變化以及與切削力之間的關系，摸索切削規律，確定改善材料可切削性的對策，進而從根本上解決難加工材料的切削問題。

　　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達到需要值，容易控制、調節溫度的高低。前提條件之二是，相當部分材料組織具有相變時的超塑特征，在這種狀態下，材料組織分子的結合力最低，而此狀態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。因為，如果難加工材料實現加熱切削必須達到材料軟化溫度的話，實踐已證明很難取得預期的切削效果。

　　研究的意義在于提出的基于改變組織形態的切削方法，是將材料科學的固態相變理論擴展用于切削加工領域。這種深入的機理探討和研究，是金屬切削原理的創新，也是制造技術發展方向上的新思路。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展，無疑能推進加熱切削的實用進程。

　　關鍵技術

　　材料的相變超塑性能力及變化規律。

　　金屬材料超塑性狀態的特點，是在一定條件下呈粘性或半粘性，沒有或只有很小的應變硬化現象，流動性和填充性很好，超塑變形為宏觀均勻變形，變形后表面光滑，沒有起皺、凹陷、微裂及滑移痕跡等。金屬材料在超塑狀態進行切削是否也呈現上述現象，或者是否還有其他特殊現象是需要搞清楚的。材料在超塑狀態下切削時的超塑性能力及其變化規律是需要研究的關鍵技術之一，這對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)，它是在相變發生和進行時產生的，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，這個溫度區比較狹窄，可以有1個，也可以有2個以上。如30CrMnSiA只在處于770℃才出現較好的超塑性，此時a與b兩相的體積比率接近于1，最大應力降到30MPa，溫度區窄；在700℃左右的一個范圍內，超過臨界溫度就沒有超塑性了。在超塑區域內，溫度值應該穩定，不應起伏波動，恒溫持續時間也不應過長，否則超塑現象會消失。鋼從奧氏體區域以大于臨界冷卻速度進行淬火，可得到馬氏體。由于加工應變誘發和進行馬氏體相變，產生相變超塑性。馬氏體轉化與溫度有關，并有一定限度。超塑性是在某一適當的溫度范圍才出現的狀態，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進行加工。

　　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溫度有苛刻的要求，在溫度循環中的應變、應變速度、作用應力及加熱速度等都會對溫度產生影響，這是研究的關鍵技術之二。激光輻射材料時，其光能被材料吸收，并轉換為熱能。激光加熱的熱傳導是一個非常復雜的過程，激光以很高的速度穿透表面進入材料深處，其初始速度可達5～20cm/s。熱量在材料中傳導擴散，造成一定的溫度場。用數學方法分析計算熱傳導，對把握激光加熱效果有重要意義。可以利用激光輻射形成的線狀熱源的變長度和變熱源的性質，用數學分析方法來研究，尋找熱源的溫度場。根據上述理論建立的傳熱數學模型與激光加熱切削過程進行仿真，對各主要參數作出精確的預測，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表明，如果等離子槍安置在切削刀具前適當的位置，其傾斜角度、離加工面的距離及距切削刀尖的弧長等均可調節，并與適當的電壓、電流、壓縮氣體壓力和流量相配合，這樣來控制加熱溫度，實現超塑組織狀態下的切削，可以獲得好的加工質量。

　　采用上述兩種熱源加熱，使金屬(尤其是Fe-C合金系)中亞共析鋼容易實現超塑性，低碳鋼等材料較易處于相變超塑狀態，可以達到加熱作用時間短、熱源對材料作用區域小的目的，其面積、形狀、大小都可調節，為金屬超塑組織形態應用于切削加工創造了條件。

　　應用前景

　　使金屬處于一定組織形態的加熱切削有著廣闊的應用前景：(1)實現難加工材料的切削加工，并提高切削質量，這是主要的應用領域；(2)對于低碳鋼、純金屬等材料的切削，可以改善加工表面粗糙度；(3)對于常用金屬材料，如45鋼的切削，因為切削力降低，可節省能源消耗；(4)可有效解決機修工業中高硬度堆焊層的難切削問題；(5)在航宇工業等尖端科學的制造技術研究工作中有獨特的作用。

　　3結束語

　　一定的金屬組織形態下的加熱切削，能提高加工效果和加工質量，推進實用化；這是金屬切削原理的創新，特種加工技術的新發展�；�于特定材料組織形態的加熱切削雖已證明在技術上是可行的，但仍需加以完善和提高。我國已研制成功各類激光發生器、測溫儀器、切削力測量裝置以及控制系統，為這種加工制造技術的推廣應用創造了良好的條件。

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