1 加熱切削技術(shù)及現(xiàn)狀

1. 加熱切削技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展
   

   圖1 加熱切削示意圖

   加熱切削加工方法巧妙地利用了高能熱源的熱效應(yīng)箍颗，對(duì)被切削材料進(jìn)行加熱，使材料切削部位受熱軟化虽才，硬度纲愁、強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生塑性變形(圖1)寨都。由于加熱溫升后工件材料的剪切強(qiáng)度下降诫汇，使切削力和功率消耗降低，振動(dòng)減輕昼接，因而可以提高金屬切除率爽篷，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(通常慢睡，當(dāng)工件溫度在810℃左右時(shí)刀具的耐用度最大)逐工，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)行通電的加熱切削漂辐，并獲美國(guó)和德國(guó)專(zhuān)利泪喊。20世紀(jì)40年代，加熱切削在美髓涯、德開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐袒啼，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)效益纬纪。但這個(gè)時(shí)期加熱切削尚處于發(fā)展的初步階段蚓再，加工質(zhì)量難以保證，基本上沒(méi)有應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中包各。60年代以后摘仅，利用刀具與工件構(gòu)成回路通以低壓大電流靶庙，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電加熱切削，使切削能順利進(jìn)行锉寿。70年代初轻樟，出現(xiàn)了一種有效的等離子弧加熱切削，最初由英國(guó)研制成功泣虚。80年代以后舟门，開(kāi)發(fā)了激光加熱切削，由于激光束能快速局部加熱坠痒，較好地滿足了加熱切削的要求锅星，因而提高了加熱切削技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。
2. 一般熱源
   加熱切削所用熱源选阔，如通電加熱家统、焊矩加熱、整體加熱坎扰、火焰和感應(yīng)局部加熱及導(dǎo)電加熱曹均，通稱(chēng)為一般熱源。這些熱源都能對(duì)被加工材料加熱物虑，對(duì)加熱切削技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展起了重要作用纤悉，但它們存在加熱區(qū)過(guò)大、熱效率低鲤遥、溫控困難沐寺、加工質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，使切削不理想盖奈，難以甚至未能應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去混坞。
3. 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钢坦，工件材料作陽(yáng)極究孕，通電后形成高溫的等離子弧，其特點(diǎn)是加熱溫度高场钉，能量集中蚊俺，可對(duì)難加工材料進(jìn)行高效切削。研究表明逛万，在加熱切削冷硬鑄鐵和高錳鋼等難加工材料時(shí)泳猬，切削速度高達(dá)100～150m/min，刀具耐用度可提高1～4倍宇植。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得封，加熱效果難控制；加工條件惡劣，需要防護(hù)裝置奈揩。
   激光加熱切削以激光束為熱源造蒋，對(duì)工件進(jìn)行局部加熱，其優(yōu)點(diǎn)是熱量集中效蝎，升溫迅速篱辫；熱量由表及里逐漸滲透，刀具與工件交界面的熱量較低腰燕；激光束可照射到工件的任何加工部位并形成聚焦點(diǎn)彪珍，便于實(shí)現(xiàn)可控局部加熱。研究結(jié)果表明衔帚，激光加熱切削可使切削力下降25%左右屿拴，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)格昂貴浴魏，能量轉(zhuǎn)換效率低笤茴，金屬材料對(duì)激光吸收能力差，吸收率一般只有15%～20%左右文宜，經(jīng)磷酸處理后涕癣，吸收能力可提高到80%～90%，但經(jīng)濟(jì)可行性差前标，這是這種加熱方法難以推廣應(yīng)用的原因之一属划。
   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)展候生，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)绽昼，達(dá)到預(yù)期的切削效果唯鸭，還有一些問(wèn)題需要解決，尤其是切削機(jī)理還需進(jìn)一步探索和研究硅确，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)量目溉，功率消耗多，溫度控制困難菱农，熱源裝置不理想缭付，價(jià)格昂貴等問(wèn)題，所以生產(chǎn)上實(shí)用進(jìn)程不快循未。加熱切削技術(shù)的關(guān)鍵在于加熱陷猫，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岩哥，但這一溫度是否合適在轮，怎樣達(dá)到和控制這個(gè)溫度，還需進(jìn)一步探索、分析和研究铣碴。

2 加熱切削的研究及關(guān)鍵技術(shù)

1. 研究目標(biāo)和意義
   研究課題以難加工材料組織相變理論魂拢、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)箱仰，著重分析和尋找溫度镜踪、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)律屁膝，確定改善材料可切削性的對(duì)策眶约，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使萨，目前已有了激光和等離子弧這類(lèi)熱梯度很陡的熱源逐会，加熱溫度能在幾毫秒內(nèi)達(dá)到需要值，容易控制锰扶、調(diào)節(jié)溫度的高低献酗。前提條件之二是，相當(dāng)部分材料組織具有相變時(shí)的超塑特征坷牛，在這種狀態(tài)下罕偎，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京闰，所以有可能擺脫難加工材料切削加工目前所處的困境颜及。因?yàn)椋绻y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蹂楣，實(shí)踐已證明很難取得預(yù)期的切削效果俏站。
   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)域痊土。這種深入的機(jī)理探討和研究肄扎，是金屬切削原理的創(chuàng)新，也是制造技術(shù)發(fā)展方向上的新思路赁酝。另外犯祠，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、加工精度更高酌呆、加工速度更快的方向發(fā)展总党，無(wú)疑能推進(jìn)加熱切削的實(shí)用進(jìn)程。
2. 關(guān)鍵技術(shù)
   1. 材料的相變超塑性能力及變化規(guī)律忱脆。
      金屬材料超塑性狀態(tài)的特點(diǎn)橘匿，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)象曼沐，流動(dòng)性和填充性很好泛红，超塑變形為宏觀均勻變形一恃，變形后表面光滑，沒(méi)有起皺麻镶、凹陷桨檬、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)象端葵，或者是否還有其他特殊現(xiàn)象是需要搞清楚的众凝。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新框。

      圖2 鐵-碳平衡圖中超塑溫度區(qū)位置示意圖

      一般鋼鐵材料都有相變超塑性(圖2)倍工，它是在相變發(fā)生和進(jìn)行時(shí)產(chǎn)生的，依存于加熱)冷卻速度公般。黑色金屬超塑性變形有一定的溫度區(qū)万搔，這個(gè)溫度區(qū)比較狹窄，可以有1個(gè)官帘，也可以有2個(gè)以上瞬雹。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刽虹，最大應(yīng)力降到30MPa酗捌，溫度區(qū)窄；在700℃左右的一個(gè)范圍內(nèi)涌哲，超過(guò)臨界溫度就沒(méi)有超塑性了胖缤。在超塑區(qū)域內(nèi)，溫度值應(yīng)該穩(wěn)定阀圾，不應(yīng)起伏波動(dòng)哪廓，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)消失初烘。鋼從奧氏體區(qū)域以大于臨界冷卻速度進(jìn)行淬火撩独，可得到馬氏體。由于加工應(yīng)變誘發(fā)和進(jìn)行馬氏體相變赔绒，產(chǎn)生相變超塑性。馬氏體轉(zhuǎn)化與溫度有關(guān)蝠兽，并有一定限度衡孽。超塑性是在某一適當(dāng)?shù)臏囟确秶懦霈F(xiàn)的狀態(tài)，若想有效利用超塑性警综，必須在0.5T_熔以上到相變溫度以下的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行加工谨寂。
   2. 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)溫度有苛刻的要求呵寂，在溫度循環(huán)中的應(yīng)變脆携、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)之二瞭核。激光輻射材料時(shí)院抛，其光能被材料吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能绎蒙。激光加熱的熱傳導(dǎo)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程染突，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辈灼。熱量在材料中傳導(dǎo)擴(kuò)散份企，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)巡莹，對(duì)把握激光加熱效果有重要意義司志。可以利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)降宅，用數(shù)學(xué)分析方法來(lái)研究骂远，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)行仿真钉鸯，對(duì)各主要參數(shù)作出精確的預(yù)測(cè)吧史，對(duì)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唠雕。
   3.  
      等離子弧加熱切削淬火鋼的試驗(yàn)表明贸营，如果等離子槍安置在切削刀具前適當(dāng)?shù)奈恢茫鋬A斜角度岩睁、離加工面的距離及距切削刀尖的弧長(zhǎng)等均可調(diào)節(jié)钞脂，并與適當(dāng)?shù)碾妷骸㈦娏骱嚎s氣體壓力和流量相配合狡煎，這樣來(lái)控制加熱溫度，實(shí)現(xiàn)超塑組織狀態(tài)下的切削澳敞，可以獲得好的加工質(zhì)量瞧纹。
      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)超塑性宴宠，低碳鋼等材料較易處于相變超塑狀態(tài)澳券，可以達(dá)到加熱作用時(shí)間短、熱源對(duì)材料作用區(qū)域小的目的碾危，其面積乎渊、形狀、大小都可調(diào)節(jié)丛铅，為金屬超塑組織形態(tài)應(yīng)用于切削加工創(chuàng)造了條件崩蚀。
3. 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零短，并提高切削質(zhì)量，這是主要的應(yīng)用領(lǐng)域涎拉；(2)對(duì)于低碳鋼瑞侮、純金屬等材料的切削，可以改善加工表面粗糙度曼库；(3)對(duì)于常用金屬材料区岗，如45鋼的切削，因?yàn)榍邢髁档突倏荩晒?jié)省能源消耗慈缔；(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)特的作用种玛。

3 結(jié)束語(yǔ)