導電加熱切削的適應范圍及其優勢
時間:2011-05-26 08:09:22 來源:未知
導電加熱切削自50年代末作為一種現代加工技術出現后，國內外許多學者對其進行了大量的研究。研究成果表明，導電加熱切削對于難加工材料的加工具有較常規切削更好的效果。近年來，人們對導電切削加工的機理有了更深入的研究，對滅弧和加熱電源的研究也有了長足的進步，為導電加熱切削的實用化奠定了一定的基礎。不過，人們的研究成果大多基于零件外圓的車削粗加工。為此，我們針對導電加熱切削的工藝適應范圍作了進一步的實驗研究。實驗結果表明，導電加熱切削在車削平面、內孔、螺紋以及硬車削等方面較常規切削具有明顯的優勢。
抑制鱗剌和積屑瘤獨具優勢
積屑瘤和鱗剌是金屬切削加工中獲得較小表面粗糙度的兩大障礙，為消除或抑制其產生，通常避開容易產生積屑瘤和鱗剌的切削速度而采用高速或低速切削，同時使用極壓切削液和減小切削厚度等措施。然而，有時受各種因素的影響，無法采用上述各種措施，切削速度正好落在積屑瘤或鱗剌的形成值域內而使零件加工精度和表面粗糙度難以保證。
實質上，切削速度對積屑瘤或鱗剌消長的影響是通過切削溫度體現的，如切削鋼材時，只要將切削速度提高到500℃以上，積屑瘤或鱗剌就能得到抑制，甚至消失。導熱加熱切削通過導電加熱，能使刀-工接觸區的溫度提高到700～900℃，從而改善工件材料的切削加工性。降低摩擦系數µ，減少變形系數x，可有效消除積屑瘤或鱗剌的產生。
為驗證這一點，進行了平面車削實驗，工件材料不變(45#鋼)，干切削，刀具幾何參數不變，切削深度、進給量不變，切削速度隨平面直徑減小而降低，常規車削平面時，隨切削速度變化產生的積屑瘤或鱗剌不同，形成一些光澤不同、表面粗糙度不一的同心圓環。而導電加熱車削不同速度下車削平面的表面粗糙度相差不大(見表1)。實驗結果證實導電加熱切削在抑制積屑瘤或鱗剌方面獨具優勢。
表1 表面粗糙度Ra(µm)對比結果
切削條件
檢測工件直徑范圍 (mm)
ap=0.5 mm
f=0.1 mm/r
15～30
30～50
50～70
70～85
85～95
95～105
n=320
r/min
I=0A
I=150A
9.25
1.80
1.75
1.75
1.65
1.65
1.60
1.74
1.73
1.63
1.70
1.72
n=200
r/min
I=0A
I=150A
9.02
2.11
8.54
1.75
1.82
1.36
1.70
1.15
1.74
1.05
1.72
1.10
n=1256
r/min
I=0A
I=150A
8.15
1.70
7.24
2.10
9.35
1.60
7.23
1.43
2.33
1.40
2.30
1.42
車削內孔時切削平穩
內孔常規車削時，刀桿細長，容易產生顫振，一般無法采用高速切削，切削速度大多正好落在積屑瘤或鱗剌的形成值域內，因此，很難保證加工出好的表面粗糙度和高的加工精度。
#p#分頁標題#e#導熱加熱切削就是在低的切削速度狀態下，直接向刀具-工件回路通以低壓大電流，對加工區進行導電加熱，改善了工件材料的加工性能，減小了變形系數x，增大了剪切角φ，顯著地減小了切削力。這可以消除積屑瘤或鱗剌的產生，切削力的減小又可消除顫振，因而使內孔的加工質量大大提高。用YT15車刀(刀桿尺寸為15mm×15mm×60mm)進行內孔車削實驗，不同切削用量下兩種加工方法的加工表面粗糙度如表2所示。
表2 內孔加工表面粗糙度Ra(µm)對比結果
切削用量
導電情況
粗糙度 Ra (µm)
vc=0.127 m/s
ap=0.8 mm f=0.15 mm/r
I=0 A
I=220 A
5.64
0.82
vc=0.128 m/s
ap=0.5 mm f=0.15 mm/r
I=0 A
I=180 A
9.65
1.30
vc=0.129 m/s
ap=0.6 mm f=0.10 mm/r
I=0 A
I=200 A
5.27
1.18
vc=0.097 m/s
ap=0.5 mm f=0.10 mm/r
I=0 A
I=100 A
I=120 A
6.32
3.32
1.29
vc=0.126 m/s
ap=0.3 mm f=0.10 mm/r
I=0 A
I=100 A
4.10
0.92
實驗中，每當未通電切削時，切削過程中總會產生顫振和嚴重的嘯叫聲；而當進行導電加熱切削時，則車削平穩，無顫振和嘯叫，加工表面粗糙度值Ra能降低3～7µm。
導電加熱精車螺紋
精車螺紋，尤其是精車較大導程螺紋時，通常使用高速鋼車刀，這主要是因為高速鋼碳化物晶粒細，刃磨性好，能形成鋒利的刃口，精車時切削力小，能通過合理選用切削液降低表面粗糙度。
相反，硬質合金刀具由于晶粒較粗，刃磨時不易形成鋒利刃口，通常除高速車削小螺距螺紋外，較少用硬質合金來精車螺紋。然而，硬質合金的硬度、耐磨性均比高速鋼要好，又可不使用切削液，若能用硬質合金車削螺紋，顯然會帶來一定的經濟效益。實驗表明，通過導電加熱切削技術，使用硬質合金刀具干切削精車螺紋，同樣可以達到高速鋼刀具加切削液精車螺紋的表面加工質量。我們用YT15硬質合金導電加熱車削45#鋼的T50×6和T48×8螺桿各一根，車削中，切屑如薄紙，成發條卷狀，底面光澤，螺紋表面粗糙度Ra=1.38～3.56µm。
導電加熱切削在硬車削方面的優勢
所謂硬車削是指把淬硬鋼(硬度HRC≥55)的車削作為最終加工或精加工的工藝方法。由于導電加熱切削能提高刀-工接觸區的切削溫度，軟化了切削區的工件材料，改變了工件材料的切削加工性能，使之由難切削轉化為易切削，由不能切削轉化為能切削；加之導電加熱的作用區域小，作用時間短，對已加工表面的金相組織和物理-機械性能影響較小，因此，將導電加熱切削技術用于硬車削，應該是獨具優勢的。 筆者對兩種淬硬鋼GCr15(HRC63)和40Cr(HRC56)進行了導電加熱切削試驗，實驗記錄如表3，證明導電加熱切削用于硬車削是可行的。
表3 硬車削對比實驗結果
淬硬鋼
材料
切削用量
導電情況
30min后
的VB值
粗糙度
Ra(µm)
切屑
形態
GCr15
HRC63
vc#p#分頁標題#e#=0.125 m/s
ap=0.4 mm
f=0.15 mm/r
I=0 A
I=250 A
5min后崩
刃0.35 mm
14.20
1.97
崩碎狀
帶狀
40Cr
HRC56
vc=0.125 m/s
ap=0.6 mm
f=0.15 mm/r
I=0 A
I=220 A
0.41 mm
0.15 mm
4.86
1.35
C狀
螺卷狀
導電加熱切削的局限性
導電加熱切削向刀具-工件回路輸送的是低壓(≤10V)大電流(≥100A，有時達1000A)，因此在刀具切入和退出時，刀-工接觸區電流的突變會引起火花或電弧。雖然人們對滅弧問題的研究已初現端倪，即通過計算機控制滅弧保護電路可初步實現對電弧的控制，但是計算機的控制總是“滯后”電弧的發生，因此這一問題尚未得到真正解決，離實用化尚有一段距離。因此，對于進退刀頻繁的切削加工工藝過程，導電加熱切削仍是不太適應。同時，由于導電加熱后，切屑被軟化，斷屑更為困難，因此，對于自動化生產線也是不太適應的。
綜上所述，對于導電加熱切削可得出如下結論：
- 通過導電加熱，可改善工件切削加工區材料的切削加工性能，有效地抑制、消除積屑瘤或鱗剌的產生，與常規車削相比，能降低加工表面粗糙度Ra3～7µm。
- 導電加熱切削過程中，由于切削變形區工件材料得到軟化，使切削力顯著降低，因而在剛性較差的薄壁、細長軸等零件的切削加工時比普通切削加工更具優勢。
- 通過導電加熱切削，可使用硬質合金刀具在干切削條件下精車螺紋。
- 導電加熱切削可進行硬切削，具有廣闊的應用前景，在許多場合可代替磨削加工進行精加工。
- 由于滅弧問題尚未得到最佳的解決方法，因此，不適合斷續切削；由于斷屑問題，使其不太適應自動化生產線；對于短行程切削、對于易切削鋼的切削加工，導電加熱切削也無明顯優勢。