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加熱切削技術(shù)研究管理的論文
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對結構材料性能的要求越來(lái)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(shí)切削力大，溫升高，刀具磨損嚴重，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、機械、車(chē)輛、化工、微電子及醫療工業(yè)。當前，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)及現狀
加熱切削技術(shù)的出現及發(fā)展
加熱切削加工方法巧妙地利用了高能熱源的熱效應，對被切削材料進(jìn)行加熱，使材料切削部位受熱軟化，硬度、強度下降，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，當工件溫度在810℃左右時(shí)刀具的耐用度最大)，所以還可延長(cháng)刀具壽命。
早在1890年就出現了對材料進(jìn)行通電的加熱切削，并獲美國和德國專(zhuān)利。20世紀40年代，加熱切削在美、德開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)應用實(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)有應用到生產(chǎn)實(shí)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(shí)現了導電加熱切削，使切削能順利進(jìn)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(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(mǎn)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、火焰和感應局部加熱及導電加熱，通稱(chēng)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(shù)的出現和發(fā)展起了重要作用，但它們存在加熱區過(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，需要防護裝置。
激光加熱切削以激光束為熱源，對工件進(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(wèn)題是大功率激光器價(jià)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(jīng)磷酸處理后，吸收能力可提高到80%～90%，但經(jīng)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(dòng)了加熱切削技術(shù)的發(fā)展，國內外已進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作。但要順利地用于生產(chǎn)，達到預期的切削效果，還有一些問(wèn)題需要解決，尤其是切削機理還需進(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(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)傳導為基礎，以難加工材料難切削的機理為出發(fā)點(diǎn)，著(zhù)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，摸索切削規律，確定改善材料可切削性的對策，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(lèi)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(shí)的超塑特征，在這種狀態(tài)下，材料組織分子的結合力最低，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。因為，如果難加工材料實(shí)現加熱切削必須達到材料軟化溫度的話(huà)，實(shí)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(tài)的切削方法，是將材料科學(xué)的固態(tài)相變理論擴展用于切削加工領(lǐng)域。這種深入的機理探討和研究，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(zhù)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)有或只有很小的應變硬化現象，流動(dòng)性和填充性很好，超塑變形為宏觀(guān)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(tài)下切削時(shí)的超塑性能力及其變化規律是需要研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，這對提高難加工材料的切削效果有著(zhù)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，這個(gè)溫度區比較狹窄，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，最大應力降到30MPa，溫度區窄；在700℃左右的一個(gè)范圍內，超過(guò)臨界溫度就沒(méi)有超塑性了。在超塑區域內，溫度值應該穩定，不應起伏波動(dòng)，恒溫持續時(shí)間也不應過(guò)長(cháng)，否則超塑現象會(huì )消失。鋼從奧氏體區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。馬氏體轉化與溫度有關(guān)，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(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溫度有苛刻的要求，在溫度循環(huán)中的應變、應變速度、作用應力及加熱速度等都會(huì )對溫度產(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，并轉換為熱能。激光加熱的熱傳導是一個(gè)非常復雜的過(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5～20cm/s。熱量在材料中傳導擴散，造成一定的溫度場(chǎng)。用數學(xué)方法分析計算熱傳導，對把握激光加熱效果有重要意義�？梢岳眉す廨椛湫纬傻木�(xiàn)狀熱源的變長(cháng)度和變熱源的性質(zhì)，用數學(xué)分析方法來(lái)研究，尋找熱源的溫度場(chǎng)。根據上述理論建立的傳熱數學(xué)模型與激光加熱切削過(guò)程進(jìn)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(cháng)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(lái)控制加熱溫度，實(shí)現超塑組織狀態(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)現超塑性，低碳鋼等材料較易處于相變超塑狀態(tài)，可以達到加熱作用時(shí)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(tài)應用于切削加工創(chuàng )造了條件。
應用前景
使金屬處于一定組織形態(tài)的加熱切削有著(zhù)廣闊的應用前景：(1)實(shí)現難加工材料的切削加工，并提高切削質(zhì)量，這是主要的應用領(lǐng)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(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)研究工作中有獨特的作用。
3結束語(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�；谔囟ú牧辖M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。我國已研制成功各類(lèi)激光發(fā)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(shù)的推廣應用創(chuàng )造了良好的條件。
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