導(dǎo)電加熱切削的適應(yīng)范圍及其優(yōu)勢(shì)
時(shí)間:2011-05-26 08:09:22 來(lái)源:未知
導(dǎo)電加熱切削自50年代末作為一種現(xiàn)代加工技術(shù)出現(xiàn)后，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。研究成果表明，導(dǎo)電加熱切削對(duì)于難加工材料的加工具有較常規(guī)切削更好的效果。近年來(lái)，人們對(duì)導(dǎo)電切削加工的機(jī)理有了更深入的研究，對(duì)滅弧和加熱電源的研究也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為導(dǎo)電加熱切削的實(shí)用化奠定了一定的基礎(chǔ)。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(duì)導(dǎo)電加熱切削的工藝適應(yīng)范圍作了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)電加熱切削在車削平面、內(nèi)孔、螺紋以及硬車削等方面較常規(guī)切削具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
抑制鱗剌和積屑瘤獨(dú)具優(yōu)勢(shì)
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(chǎn)生，通常避開容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗剌的切削速度而采用高速或低速切削，同時(shí)使用極壓切削液和減小切削厚度等措施。然而，有時(shí)受各種因素的影響，無(wú)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(nèi)而使零件加工精度和表面粗糙度難以保證。
實(shí)質(zhì)上，切削速度對(duì)積屑瘤或鱗剌消長(zhǎng)的影響是通過切削溫度體現(xiàn)的，如切削鋼材時(shí)，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(dǎo)熱加熱切削通過導(dǎo)電加熱，能使刀-工接觸區(qū)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(shù)µ，減少變形系數(shù)x，可有效消除積屑瘤或鱗剌的產(chǎn)生。
為驗(yàn)證這一點(diǎn)，進(jìn)行了平面車削實(shí)驗(yàn)，工件材料不變(45#鋼)，干切削，刀具幾何參數(shù)不變，切削深度、進(jìn)給量不變，切削速度隨平面直徑減小而降低，常規(guī)車削平面時(shí)，隨切削速度變化產(chǎn)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(huán)。而導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)導(dǎo)電加熱切削在抑制積屑瘤或鱗剌方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。
表1 表面粗糙度Ra(µm)對(duì)比結(jié)果
切削條件
檢測(cè)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(nèi)孔時(shí)切削平穩(wěn)
內(nèi)孔常規(guī)車削時(shí)，刀桿細(xì)長(zhǎng)，容易產(chǎn)生顫振，一般無(wú)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(nèi)，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(yè)標(biāo)題#e#導(dǎo)熱加熱切削就是在低的切削速度狀態(tài)下，直接向刀具-工件回路通以低壓大電流，對(duì)加工區(qū)進(jìn)行導(dǎo)電加熱，改善了工件材料的加工性能，減小了變形系數(shù)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(chǎn)生，切削力的減小又可消除顫振，因而使內(nèi)孔的加工質(zhì)量大大提高。用YT15車刀(刀桿尺寸為15mm×15mm×60mm)進(jìn)行內(nèi)孔車削實(shí)驗(yàn)，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(nèi)孔加工表面粗糙度Ra(µm)對(duì)比結(jié)果
切削用量
導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中，每當(dāng)未通電切削時(shí)，切削過程中總會(huì)產(chǎn)生顫振和嚴(yán)重的嘯叫聲；而當(dāng)進(jìn)行導(dǎo)電加熱切削時(shí)，則車削平穩(wěn)，無(wú)顫振和嘯叫，加工表面粗糙度值Ra能降低3～7µm。
導(dǎo)電加熱精車螺紋
精車螺紋，尤其是精車較大導(dǎo)程螺紋時(shí)，通常使用高速鋼車刀，這主要是因?yàn)楦咚黉撎蓟锞Я＜?xì)，刃磨性好，能形成鋒利的刃口，精車時(shí)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(zhì)合金刀具由于晶粒較粗，刃磨時(shí)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(zhì)合金來(lái)精車螺紋。然而，硬質(zhì)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(zhì)合金車削螺紋，顯然會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)驗(yàn)表明，通過導(dǎo)電加熱切削技術(shù)，使用硬質(zhì)合金刀具干切削精車螺紋，同樣可以達(dá)到高速鋼刀具加切削液精車螺紋的表面加工質(zhì)量。我們用YT15硬質(zhì)合金導(dǎo)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(fā)條卷狀，底面光澤，螺紋表面粗糙度Ra=1.38～3.56µm。
導(dǎo)電加熱切削在硬車削方面的優(yōu)勢(shì)
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(dǎo)電加熱切削能提高刀-工接觸區(qū)的切削溫度，軟化了切削區(qū)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(zhuǎn)化為易切削，由不能切削轉(zhuǎn)化為能切削；加之導(dǎo)電加熱的作用區(qū)域小，作用時(shí)間短，對(duì)已加工表面的金相組織和物理-機(jī)械性能影響較小，因此，將導(dǎo)電加熱切削技術(shù)用于硬車削，應(yīng)該是獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的。 筆者對(duì)兩種淬硬鋼GCr15(HRC63)和40Cr(HRC56)進(jìn)行了導(dǎo)電加熱切削試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)記錄如表3，證明導(dǎo)電加熱切削用于硬車削是可行的。
表3 硬車削對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果
淬硬鋼
材料
切削用量
導(dǎo)電情況
30min后
的VB值
粗糙度
Ra(µm)
切屑
形態(tài)
GCr15
HRC63
vc#p#分頁(yè)標(biāo)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(dǎo)電加熱切削的局限性
導(dǎo)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(shí)達(dá)1000A)，因此在刀具切入和退出時(shí)，刀-工接觸區(qū)電流的突變會(huì)引起火花或電弧。雖然人們對(duì)滅弧問題的研究已初現(xiàn)端倪，即通過計(jì)算機(jī)控制滅弧保護(hù)電路可初步實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧的控制，但是計(jì)算機(jī)的控制總是“滯后”電弧的發(fā)生，因此這一問題尚未得到真正解決，離實(shí)用化尚有一段距離。因此，對(duì)于進(jìn)退刀頻繁的切削加工工藝過程，導(dǎo)電加熱切削仍是不太適應(yīng)。同時(shí)，由于導(dǎo)電加熱后，切屑被軟化，斷屑更為困難，因此，對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線也是不太適應(yīng)的。
綜上所述，對(duì)于導(dǎo)電加熱切削可得出如下結(jié)論：
- 通過導(dǎo)電加熱，可改善工件切削加工區(qū)材料的切削加工性能，有效地抑制、消除積屑瘤或鱗剌的產(chǎn)生，與常規(guī)車削相比，能降低加工表面粗糙度Ra3～7µm。
- 導(dǎo)電加熱切削過程中，由于切削變形區(qū)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(xì)長(zhǎng)軸等零件的切削加工時(shí)比普通切削加工更具優(yōu)勢(shì)。
- 通過導(dǎo)電加熱切削，可使用硬質(zhì)合金刀具在干切削條件下精車螺紋。
- 導(dǎo)電加熱切削可進(jìn)行硬切削，具有廣闊的應(yīng)用前景，在許多場(chǎng)合可代替磨削加工進(jìn)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(xù)切削；由于斷屑問題，使其不太適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線；對(duì)于短行程切削、對(duì)于易切削鋼的切削加工，導(dǎo)電加熱切削也無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。