导电加热切削的适应范围及其优势
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导电加热切削自50年代末作为一种现代加工技术出现后,国内外许多学者对其进行了大量的研究。研究成果表明,导电加热切削对于难加工材料的加工具有较常规切削更好的效果。近年来,人们对导电切削加工的机理有了更深入的研究,对灭弧和加热电源的研究也有了长足的进步,为导电加热切削的实用化奠定了一定的基础。不过,人们的研究成果大多基于零件外圆的车削粗加工。为此,我们针对导电加热切削的工艺适应范围作了进一步的实验研究。实验结果表明,导电加热切削在车削平面、内孔、螺纹以及硬车削等方面较常规切削具有明显的优势。

抑制鳞剌和积屑瘤独具优势

积屑瘤和鳞剌是金属切削加工中获得较小表面粗糙度的两大障碍,为消除或抑制其产生,通常避开容易产生积屑瘤和鳞剌的切削速度而采用高速或低速切削,同时使用极压切削液和减小切削厚度等措施。然而,有时受各种因素的影响,无法采用上述各种措施,切削速度正好落在积屑瘤或鳞剌的形成值域内而使零件加工精度和表面粗糙度难以保证。
实质上,切削速度对积屑瘤或鳞剌消长的影响是通过切削温度体现的,如切削钢材时,只要将切削速度提高到500℃以上,积屑瘤或鳞剌就能得到抑制,甚至消失。导热加热切削通过导电加热,能使刀-工接触区的温度提高到700~900℃,从而改善工件材料的切削加工性。降低摩擦系数µ,减少变形系数x,可有效消除积屑瘤或鳞剌的产生。
为验证这一点,进行了平面车削实验,工件材料不变(45#钢),干切削,刀具几何参数不变,切削深度、进给量不变,切削速度随平面直径减小而降低,常规车削平面时,随切削速度变化产生的积屑瘤或鳞剌不同,形成一些光泽不同、表面粗糙度不一的同心圆环。而导电加热车削不同速度下车削平面的表面粗糙度相差不大(见表1)。实验结果证实导电加热切削在抑制积屑瘤或鳞剌方面独具优势。
表1 表面粗糙度Ra(µm)对比结果
切削条件检测工件直径范围 (mm)
ap=0.5 mm
f=0.1 mm/r
15~3030~5050~7070~8585~9595~105
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

车削内孔时切削平稳

内孔常规车削时,刀杆细长,容易产生颤振,一般无法采用高速切削,切削速度大多正好落在积屑瘤或鳞剌的形成值域内,因此,很难保证加工出好的表面粗糙度和高的加工精度。
导热加热切削就是在低的切削速度状态下,直接向刀具-工件回路通以低压大电流,对加工区进行导电加热,改善了工件材料的加工性能,减小了变形系数x,增大了剪切角φ,显著地减小了切削力。这可以消除积屑瘤或鳞剌的产生,切削力的减小又可消除颤振,因而使内孔的加工质量大大提高。用YT15车刀(刀杆尺寸为15mm×15mm×60mm)进行内孔车削实验,不同切削用量下两种加工方法的加工表面粗糙度如表2所示。
表2 内孔加工表面粗糙度Ra(µm)对比结果
切削用量导电情况粗糙度 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
实验中,每当未通电切削时,切削过程中总会产生颤振和严重的啸叫声;而当进行导电加热切削时,则车削平稳,无颤振和啸叫,加工表面粗糙度值Ra能降低3~7µm。

导电加热精车螺纹

精车螺纹,尤其是精车较大导程螺纹时,通常使用高速钢车刀,这主要是因为高速钢碳化物晶粒细,刃磨性好,能形成锋利的刃口,精车时切削力小,能通过合理选用切削液降低表面粗糙度。
相反,硬质合金刀具由于晶粒较粗,刃磨时不易形成锋利刃口,通常除高速车削小螺距螺纹外,较少用硬质合金来精车螺纹。然而,硬质合金的硬度、耐磨性均比高速钢要好,又可不使用切削液,若能用硬质合金车削螺纹,显然会带来一定的经济效益。实验表明,通过导电加热切削技术,使用硬质合金刀具干切削精车螺纹,同样可以达到高速钢刀具加切削液精车螺纹的表面加工质量。我们用YT15硬质合金导电加热车削45#钢的T50×6和T48×8螺杆各一根,车削中,切屑如薄纸,成发条卷状,底面光泽,螺纹表面粗糙度Ra=1.38~3.56µm。

导电加热切削在硬车削方面的优势

所谓硬车削是指把淬硬钢(硬度HRC≥55)的车削作为最终加工或精加工的工艺方法。由于导电加热切削能提高刀-工接触区的切削温度,软化了切削区的工件材料,改变了工件材料的切削加工性能,使之由难切削转化为易切削,由不能切削转化为能切削;加之导电加热的作用区域小,作用时间短,对已加工表面的金相组织和物理-机械性能影响较小,因此,将导电加热切削技术用于硬车削,应该是独具优势的。 笔者对两种淬硬钢GCr15(HRC63)和40Cr(HRC56)进行了导电加热切削试验,实验记录如表3,证明导电加热切削用于硬车削是可行的。
表3 硬车削对比实验结果
淬硬钢
材料
切削用量导电情况30min后
的VB值
粗糙度
Ra(µm)
切屑
形态
GCr15
HRC63
vc=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
崩碎状
带状
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状
螺卷状

导电加热切削的局限性

导电加热切削向刀具-工件回路输送的是低压(≤10V)大电流(≥100A,有时达1000A),因此在刀具切入和退出时,刀-工接触区电流的突变会引起火花或电弧。虽然人们对灭弧问题的研究已初现端倪,即通过计算机控制灭弧保护电路可初步实现对电弧的控制,但是计算机的控制总是“滞后”电弧的发生,因此这一问题尚未得到真正解决,离实用化尚有一段距离。因此,对于进退刀频繁的切削加工工艺过程,导电加热切削仍是不太适应。同时,由于导电加热后,切屑被软化,断屑更为困难,因此,对于自动化生产线也是不太适应的。
综上所述,对于导电加热切削可得出如下结论:
  1. 通过导电加热,可改善工件切削加工区材料的切削加工性能,有效地抑制、消除积屑瘤或鳞剌的产生,与常规车削相比,能降低加工表面粗糙度Ra3~7µm。
  2. 导电加热切削过程中,由于切削变形区工件材料得到软化,使切削力显著降低,因而在刚性较差的薄壁、细长轴等零件的切削加工时比普通切削加工更具优势。
  3. 通过导电加热切削,可使用硬质合金刀具在干切削条件下精车螺纹。
  4. 导电加热切削可进行硬切削,具有广阔的应用前景,在许多场合可代替磨削加工进行精加工。
  5. 由于灭弧问题尚未得到最佳的解决方法,因此,不适合断续切削;由于断屑问题,使其不太适应自动化生产线;对于短行程切削、对于易切削钢的切削加工,导电加热切削也无明显优势。
本文作者:西江大学 吴拓
华南理工大学 叶邦彦 赵学智

原载:《新技术新工艺》1999年第1期
上载于:2005-12-3 15:35:32

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