（机械设计及理论专业论文）淬硬钢导电加热切削技术基础研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 导电加热切削技术是一种典型的复合加工工艺，它是在切削过程中利用刀具和工件 构成回路，通以低压大电流，通过电流的热效应辅助提高切削温度，使切削区材料受热 软化，降低材料的剪切抗力，使切削变得顺利。长期以来，导电加热切削一直被视为对 付难加工材料的有效方法之一。 淬硬钢是典型的耐磨和难切削材料，广泛用于制造轴承、卤轮等对硬度和耐磨性要 求较高的基础零部件。长期以来，淬硬钢的半精加工和精加工主要依靠磨削，但磨削存 在效率低、成本高、耗能大、磨削液对环境污染大等问题。在一定条件下，可以用车削 代替磨削，即所谓的硬车削。硬车削相比于磨削，具有加工效率高、绿色无污染和设备 投资少等优点。 目前的硬车削技术对机床和刀具要求比较高，这使得该项技术的普及受到局限。根 据我国机加工行业整体比较落后的现状，开发研究一种简便、易行的硬车削技术具有重 要意义。本文提出了并研究了淬硬钢的导电加热切削的相关理论和技术问题，为硬车削 技术的丰富发展和普及应用探索新路。首先建立了导电加热切削的实验装置，并对导电 加热切削淬硬钢的一些切削规律进行了探索。随后通过分析各切削用量对表面粗糙度的 影响规律，归纳了较优的参数组合。最后对表面粗糙度较好的试件做了加工硬化和残余 应力的分析。实验结果表明：采用导电加热切削技术加工淬硬钢是可行的，不仅能获得 相当于磨削的表面粗糙度，而且已加工表面无硬化或软化现象。 采用导电加热切削技术切削淬硬钢的特点在于：可以采用普通机床、硬质合金刀具 对淬硬钢进行硬车削加工。该方法投入低，见效快，工艺简单，易于操作，应具有良好 的应用前景。 关键词：导电加热切削；淬硬钢；表面粗糙度；加工硬化；残余应力 孙鹏：淬硬钢导电加热技术基础研究 大连理工大学硕士学位论文 b a s i cs t u d yo nh a r d e n e ds t e e lu s i n ge h m a b s t r a c t e l e c t r i ch o tm a c h i n i n g ( e h m ) i sat y p i c a lc o m p o s i t ep r o c e s s ，w h i c hd u r i n gt h ec u t t i n g p r o c e s sad cc u i t e n ti sa p p l i e dt ot h ec i r c u i tm a d eu po ft h et o o la n dw o r k p i e c e w h e nd e c u r r e n tp a s s e st h r o u g ht h es m a l lz o n eb e t w e e nt h et o o la n dw o r k p i e c e ，t h eh i g hc u r r e n t d e n s i t yg e n e r a t e sm u c hh e a tt oi n c r e a s et h ec u t t i n gt e m p e r a t u r e s ot h em a t e r i a lh a r d n e s s d e c r e a s e s ，t h em a t e r i a ls h e a rs t r e n g t hr e d u c e s ，s oam o r es m o o t h l yc u t t i n gc a i lb eo b t a i n e d e h mh a sb e e nr e g a r d e da sa ne f f e c t i v em e t h o da g a i n s tt h ed i f f e r e n t t o m a c h i n em a t e r i a l s t h eh a r d e n e ds t e e li sat y p i c a ld i f f i c u l t - t o - - m a c h i n em a t e r i a la n dh a sa w i d e l ya p p l i c a t i o n i nt h em a n u f a c t u r eo fb e a r i n g sa n dg e a r s g e n e r a l l y ，h a r d e n e ds t e e li sm a c h i n e db ym i l l i n ga s af i n i s h i n g b u tt h em i l l i n gh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o we f f i c i e n c y ，h i g hc o n s u m e d p o w e ra n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o ne r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u p e r h a r dt o o l s ，t u r n i n gc a n d i r e c t l ym a c h i n e sh a r d e n e ds t e e la sf i n i s h i n gw h i c hi sn a m e dh a r dt u r n i n g h a r dt u r n i n gh a s b e n e f i t e dal o tt os u r f a c ef i n i s h i n gf o ri t sf l e x i b i l i t y ，e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n c o m p a r e dt om i l l i n g b u tp r e s e n th a r dt u r n i n gn e e d sh i g hq u a l i t yl a t h ea n ds u p e r h a r dt o o l a n dt h eh i g hc o s tm a k ei td i f f i c u l tt oe x t e n d s oi tp r o v i d e sw i t hi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u et oi n v e s t i g a t eas i m p l ea n dc o n v e n i e n tt e c h n i q u ei nh a r d t u r n i n g i nt h i sp a p e r ，t h e o r ya n dt e c h n i q u ei ne h m f o rh a r d e n e ds t e e li sp u tf o r w a r da n d i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y ，i no r d e rt oe x p l o r ean e w m e t h o do f h a r dt u r n i n g f i r s t l y ，t h es e t - u po fe h m i se s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，t h r o u g ht h ef u n d a m e n t a lt e s t ，t h e f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t ya r ea f f r m e d t h i r d l y ，t h ei n f l u e n c eo fc u t t i n gc o n d i t i o n so ns u r f a c e r o u g h n e s si ss t u d i e da n dt h eo p t i m u mc u t t i n gc o n d i t i o n s i so b t a i n e d a tl a s t ，p i c kt h e w o r k p i e c e sw i ml o w e rs u r f a c er o u g h n e s sa n dm e a s u r et h ed e g r e eo fw o r kh a r d e n i n ga n d r e s i d u a ls t r e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di sf e a s i b l e ，i tc a nn o to n l yo b t a i nt h es u r f a c e r o u g h n e s se q u a lt ob ym i l l i n ga n dt h e r ei s n tw o r kh a r d e n i n gi ns u r f a c ef i n i s h t h ef e a t u r eo fm a c h i n i n gh a r d e ns t e e lb ym e a n so fe h ma r e ：i tc a r lu t i l i z et h ec a r b i d e t o o lt om a c h i n et h eh a r d e ns t e e li ne n g i n el a t h e i tp r o v i d e sae a s ya n dl o wc o s tm e t h o dt o m a c h i n eh a r d e ns t e e la n dh a sab r i g h t e rp r o s p e c t k e y w o r d ：e l e c t r i ch o tm a c h i n i n g ；h a r d e n e ds t e e l ；s u r f a c er o u g h h e s s ；w o r kh a r d e n i n g ； r e s i d u a ls i r e s s - i i i 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：叠坠碉鸟 导师签名 生钲旦月型目 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 制造业是现代工业的基础，而切削加工又是制造过程中的重要组成部分。提高加工 效率和加工精度是切削加工发展的主方向，但由加工带来的环保问题也不容忽视。我国 政府在中国2 1 世纪议程明确提出要开发和生产“绿色产品”，严格控制生产过程对 环境的污染【1 。因此，发展面向环保的切削工艺符合我国二十一世纪的可持续发展战略， 有助于提高切削效率和产品竞争能力，对推动先进制造技术和我国经济的发展起着积极 地作用。 淬硬钢是典型的耐磨和难加工材料，经淬火或低温去应力退火后硬度高达 h r c 5 0 h r c 6 5 ，广泛应用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件，如轴承 和齿轮等 2 。淬硬钢零件的半精加工和精加工通常采用磨削的方式，但磨削加工效率低、 砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重。例如。由于热处理变形量 大和砂轮线速度低等原因，使得大型轴承套圈的加工总工时中磨削加工占1 3 以上 3 】， 很难适应竞争激烈和经济飞速发展的要求。 把淬硬钢的车削加工作为半精加工或精加工的工艺方法称作硬车削，这是一种以车 代磨的新工艺。硬车削与磨削工艺相比，具有以下优点 4 ： ( 1 ) 硬车削的加工效率高 去除同样体积的材料，硬车削具有比磨削更高的加工效率，而加工能量消耗是磨削 的1 5 。硬车削相对磨削来说，可以采用大的切削深度、高的切削速度，因此，金属切 除率是磨削加工的3 4 倍。 ( 2 ) 硬车削是绿色制造工艺 磨削加工产生的废液和废弃物难以处理和清除，且对人体有害。硬车削无须加切削 液，加工中所产生的大部分热量被切屑带走。硬车削时，切削区的高温使工件材料退火 变软，切屑形成容易，工件表面没有烧伤或裂纹。同时硬车削可省去与切削液有关的装 置，降低生产成本，简化生产系统，形成切屑干净清洁，回收处理容易。 ( 3 ) 硬车削的设备投资少 在生产率相同时，车床是磨床成本的l ，3 1 2 ，占地面积小，辅助系统费用低。磨 床则需要水槽、切削液、过滤器等辅助系统。车削是一种加工范围广的加工方法，可配 备多种刀具转盘、刀库等以实现加工转换。 孙鹏：淬硬钢导电加热技术基础研究 ( 4 ) 硬车削可使零件获得良好的整体加工精度 一般来说，硬车削比磨削更能保持工件表面性能的完整性。虽然目前磨削比硬车削 的尺寸精度高( 磨削可保证l p m ，而硬车削通常 1 3 1 t m ) ，但已有很多研究表明：硬车 削的尺寸精度可达2 3 t m a ，表面粗糙度月日可达o 5 9 m 。 近年来，随着具有优良切削性能的p c b n 刀具的广泛应用，硬车削技术发展很快。 硬车削的切削机理在于产生较高的切削温度使淬硬材料软化，这通常是通过改变切削用 量来实现的。但硬车削一般用于精加工，切削深度较小，因此进给量和速度必须要取的 相对大些，才能使在切削时有足够的切削面积产生金属软化效应【5 。因此，硬车削技术 的实施要求较高性能的机床和耐冲击的超硬刀具，如c b n 、p c b n 等。由此带来的生产 投入很高，对于中小企业的小批量生产很难接受。 随着我国进入w t o ，激烈竞争的市场对现代制造业的产品质量和生产效率提出了 越来越高的要求，硬车削技术以其高效、环保的特征令人瞩目。我国虽然是机加工大国， 但陈旧设备居多，中小企业居多。如能研究出一种既能有效进行淬硬钢切削，又能充分 利用现有设备：既绿色环保又节约投入的新硬车削加工方法，其意义之大不言而喻。 1 2 淬硬钢的切削加工 淬硬钢是典型的耐磨和难加工材料，广泛应用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高 的基础零部件如轴承和齿轮等。淬硬钢包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊 钢及高速钢等。 1 2 1 淬硬钢的切削加工特点 通常工件在热处理淬硬之前就己完成了粗加工工序，只有半精加工或精加工在淬硬 下进行。淬硬钢零件通常对表面粗糙度要求很高，因为表面粗糙度对零件的耐磨性、耐 腐蚀性、疲劳强度和配合性质都有很大的影响。为获得较低的表面粗糙度，磨削是最常 使用的方法( 表1 1 ) 。 表1 1 常规的外圆表面加工方案 t a b l e i 1c o m m o nm a c h i n i n gp r o c e s so f t u r n i n g 序 加工方法公差等级 表面粗糙度 适用范围 号如( 岬) l 粗车半精车_ 磨削 i t 7 i t 60 8 o 4 使用于淬火钢、未淬火 2 粗车半精车粗磨一精磨 i t 6 r r so 4 o 2 钢、钢铁等，不宜加工强 粗车半精车粗磨精磨一 3 i t 5 i t 30 1 t 0 0 0 8 度低、韧性大的有色金属 高精度磨削 大连理工大学硕士学位论文 有时，为解决工件形状复杂而不能磨削，以及淬火后产生形状和位置误差等问题， 往往就要采用车削、铣削、镗削等切削加工方法，切削过程主要有以下几个特点 2 】： ( 1 ) 硬度高、强度高，几乎没有塑性：这是淬硬钢的主要切削特点。当淬硬钢的 硬度达到h r c 5 0 6 0 时，其强度可达a b = 2 1 0 0 2 6 0 0 m p a ，按照被加工材料加工性分级 规定，淬硬钢的硬度和强度均为9 a 级，属于最难切削的材料。 ( 2 ) 单位切削力大：耍从高硬度和高强度的工件上切下切屑，单位切削力高达 4 5 0 0 5 0 0 0 m p a ，而且由于切削深度较小，切深抗力r 是所有切削力中最大的，易引起 切削振动和颤振； ( 3 ) 不易产生积屑瘤：淬硬钢的硬度高、脆性大，切削时不易产生积屑瘤，被加 工表面可以获得较低的表面粗糙度。切屑呈连续形，但放大观察是非常均匀的锯齿形切 屑。 ( 4 ) 刀刃易崩碎、磨损：由于淬硬钢的脆性大，切削时切屑于刀刃接触短，切削 力和切削热集中在刀具刃口附近，易使刀刃崩碎和磨损。另外，淬硬钢的导热系数为 7 1 2 w ( m k ) ，约为4 5 钢的l 7 ，由于淬硬钢的导热系数低，切削热很难通过切屑带 走，切削温度高达8 0 04 c 以上，加快了刀具磨损。 1 2 2 硬车削机理 w k o n i g 教授在对比陶瓷刀具和p c b n 刀具切削1 0 0 c r 6 淬硬轴承钢时的切削力对 比实验中研究了切削速度、切削深度和进给量对切削力的影响趋势，得出主切削力和轴 向力的变化与切深呈线性增长趋势，而径向力的增长缓慢。不同的进给量对切削力的变 化影响趋势是一致的，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，当进给量很小时， 会出现径向力大于主切削力的现象 6 ，7 】。 a b r a o m e n d e s 博士选用陶瓷刀县、低c b n 含量和高c b n 含量的p c b n 刀具切削 a i s l 5 2 1 0 0 轴承钢( h r c 6 2 ) 时发现径向力最大，其次是主切削力和轴向力【8 】。 日本的内田隆史等使用b n 2 0 0 进行了系统的切削性能试验，切削了5 种h r c 6 0 以 上硬度的淬硬钢，在不同切削用量下与硬质合金刀具进行了对比；在加工表面质量方面 与磨削加工进行了比较，证实了具有加工表面的残余应力为压应力( 磨削为拉应力) 、 己加工表面硬度略有提高( 磨削加工表面硬度略有降低) 等优点 9 】。 刘献礼教授的正交硬态切削试验结果表明切削速度、进给量和切深对表面硬度的影 响都是单一变化规律，即己加工表面硬度随切削速度的提高而增加，随进给量和切深的 增大而降低，而且己加工表面硬度越高硬化层深度越大。通过对试件的基体组织和表层 孙鹏：淬硬钢导电加热技术基础研究 组织的扫描电镜照片对比，他认为硬车削过程中已加工表面硬度虽有所提高，产生一定 的硬化深度，但对表层的金相组织无破坏 5 ，1 0 】。 硬车削过程中残余应力的产生被认为与切削热的形成及热源的移动速度、切削刃的 几何形状、工件材料及其刀具磨损关系密切。y m a t s u m o t o 和d w w u 认为工件硬度 对工件表面完整性影响极大，工件硬度值越大越有利于残余压应力的形成。y m a t s u m o t o 还认为刀具几何形状对残余应力形成的影响，双倒棱和大钝圆刀具所形成的残余压应力 都远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削用量对残余应力没有显著作用 1 1 ，1 2 】。 金属软化效应的实质是切削温度的升高使金属硬度降低或金属材料屈服强度降低 引起流动应力的变化，即流动应力随着温度的上升而减小。切削淬硬铜等难加工材料时， 材料的高强度和高硬度使切削温度高达8 0 0 1 0 0 0 ，金属材料的软化使切削力大大降 低 9 。 从图1 1 中切削温度随切削速度变化的情况表明【9 ，当切削速度达到1 0 0 m m i n 时， 切削温度为7 6 0 。c ，此温度己达到了g c r l 5 轴承钢的临界温度a 。l ，因此马氏体将逐步 向奥氏体转化，而奥氏体的硬度明显低于马氏体，而且切削温度越高，材料的屈服强度 越低，因此切削力随切削速度的提高而逐步降低，当切削速度进一步提高到2 0 0 m m i n 时，切削温度达到9 2 4 ，此时材料的在不同应变下的屈服应力变化平缓，这个温度下 材料的受热源一切削区热量的移动速度很大，奥氏体转化不如以前，因此切削力又逐渐 上升【9 。单位切削力s 的变化趋势也符合这种规律，如图1 2 所示。 p v 倒 赠 裹 b 2 06 01 0 01 4 01 8 02 2 02 6 03 0 0 切削速度v ( m m i n ) 图1 1 不同切削速度下的切削温度【9 】 f i 9 1 1c u t t i n gt e m p e r a t u r ew i t hd i f f e r e n t c u t 血gs p e e d 2 u r m 尽 2 06 01 0 0 1 4 0 1 8 02 2 02 6 03 0 0 切削速度v ( m m i n ) 图1 2 切削速度对单位切削力的影响【9 】 f i 9 1 2i n f l u e n c eo f c u t t i n gs p e e do n u n i tc u t t i n gf o r c e 嘲 啪 聊 啪 啪 m 喜i 湖 瑚 伽 湖 大连理工大学硕士学位论文 刘献礼教授5 ，1 3 深入探讨了p c b n 刀具切削g c r l 5 轴承钢的金属软化效率，研 究发现工件硬度对金属软化效果和刀具寿命的影响最为显著，实验发现这个临界值为 h r c 5 0 ，各种硬度下的工件表层组织和基体组织都无明显的改变，即金属软化效应对已 加工表面质量无不良的影响。发生金属软化效应的切削面积大致为o 2 x o 6 m m 2 。 1 3 导电加热切削技术介绍 1 3 1 ( 导电) 加热切削技术的发展历程 加热切削是在加工过程中，通过各种方式，对被加工材料进行加热，使切削区、表 层或整体达到一个合适的温度后再进行切削加工的一种加工技术。其目的是通过加热来 软化工件材料，使工件材料的硬度和强度等性能有所下降，易于产生塑性变形，从而达 到减小切削力、提高刀具寿命、抑制积屑瘤、改善切屑形态、减小表面粗糙度等效果。 早在1 8 9 0 年，德国的梯奴曼( b c t i l g h m a n ) 对材料进行了通电加热切削试验并获 得了美国和德国的专利。 但直到2 0 世纪4 0 年代，加热切削的应用还仅限于钢厂的钢锭加热切割及毛坯荒车。 在二战及其以后的年代，由于许多用于航海、航空及其他军事上的难加工材料在普通切 削时遇到困难，加热切削才真正开始得到重视。 2 0 世纪5 0 年代初，凯纳巴彻( k r a b a e h e r ) 和默钱特( m e r c h a n t ) 对金属加热切削中 的许多现象进行了研究。发表的研究论文指出 1 4 ：在加热切削中，低的切削力和功率 消耗来自高温时工件材料的剪切强度下降。 美国空军材料司令部和新新那提( c i n c i n n a t i ) 铣床公司也做了大量工作，在切削马 氏体钢、模具钢、不锈钢等材料时，分别用火焰、电炉、高频感应等加热方法，对车削、 铣削、钻削等多种切削方式的加热切肖0 效果进行研究，得到的主要结论是 1 4 ：加热切 削能提高金属的切除率，切削力降低约4 0 5 0 ，刀具耐用度提高5 1 0 0 倍。 在1 9 4 0 1 9 6 0 年间，加热切削处于发展的初步阶段，美国、德国、英国、日本、 法国和苏联等国的学者对加热切削的效果进行了大量研究。但由于采用整体加热和火 焰、感应等局部加热方式，存在以下缺点 1 4 】；工件金属体内可能有热变形和金相结 构的改变；切削过程中工件的温度一般来说并不恒定和不能调节，必须采用冷却等设 施对加热设备给予防护；待加工工件处于红热状态，工人劳动条件较差等。因此，这 一技术基本上没有应用到生产实际中。 2 0 世纪6 0 年代初，日本学者上原邦雄等人提出了导电加热切削方法( e l e c t r i ch o t m a c h i n i n g ，简称e h m ) ，即在切削时，利用刀具与工件构成回路通以低压大电流，使 孙鹏：淬硬钢导电加热技术基础研究 切削微区得到加热。加热直接发生在切削变形区，故热效率高，能耗小，升温迅速，对 工件材料热作用小；同时结构紧凑，温控简单。 2 0 世纪7 0 年代初，出现了另一种有效的加热切削技术一等离子弧加热切削( 图1 3 ) 。 它是在切削过程中，用等离子弧对靠近刀具即将被切除的工件表面进行加热，使其强度、 硬度下降，以此改善材料的切削加工- 眭。等离子弧喷口是用钨做的电极，工件材料作为 阳极，通电后它们之间形成高温的电弧。这项技术最初是由英国研制成功并获得专利： 使用一种名为p e r ac u t f a s t 的装置，可提高切削效率5 6 倍 1 4 1 。 等离子弧加热切削的主要特点是：加热温度极高( 1 3 0 0 0 3 3 0 0 0k ) ，能量集中；工 件表面吸收率及材料的透光率无特别要求。存在的主要问题是 1 4 1 ：由于等离子发生 器有一定的体积，所以加热点必须与刀具有一距离，因此加热效果难以控制；等离子 的产生是依靠电极的放电，因此工作中电极有烧蚀；等离子气体是由惰性气体及氢气 电离生成，因此，工作中放出有害气体，使用中需要有效的防护设备。 迄今为止，已有许多对等离子弧加热切削试验的报导。英国、日本、美国、中国和 苏联等国研究者的工作表明，使用等离子弧加热切削冷硬铸铁和高锰钢等难加工材料， 切削速度由1 0 2 0 m m i n 提高到1 0 0 1 5 0 m r a i n ，刀具耐用度也提高1 4 倍。 工件 “ j邪热区 弋二j 车刀 图1 3 激光和等离子弧加热切削示意图 f i 9 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f l a s e r ( p l a s m aa r c ) h o tm a c h i n i n g 2 0 世纪7 0 年代末，美国的c o p l e y 和b a s s 开始激光加热切削的研究【1 5 】。在切削过程 中以激光束为热源，对工件进行局部加热，使其强度下降，从而达到提高难加工材料切 削效率的目的。激光加热切削的优点是热源集中和升温迅速，而且还具有以下特点： 以激光束为热源切削时，热量是由表及里逐渐渗透的，因而使刀具与工件交界面的热量 较低，这显然对加热切削颇为有利；激光束可以照射到工件的任何部位，并形成聚焦 点，因此可对被切削材料实现有控局部加热。据报导，美国通用电气公司和南加里福尼 大连理工大学硕士学位论文 亚大学1 4 k w 的c 0 2 激光器对难加工材料进行了加热切削试验，意大利的菲亚特( f a i r ) 汽 车制造公司在这方面也进行了不少实验。他们的研究结果表明：激光加热切削使切削力 下降了2 5 左右，而且还有效地减小了工件的表面粗糙度。 从2 0 世纪9 0 年代起，德国k o n i g 等人在陶瓷切削加工中，采用激光加热切削技术 1 6 1 。 至今已进行了多种材料、多种加工方式及不同刀具材料的实验研究。由于采用大功率激 光器和高性能刀具，材料的加热温度较高，切削性有了较大的改善，可大大提高切削加 工的速度，提高加工表面质量，延长刀具寿命，降低加工成本。 激光加热切削存在的主要问题是大功率激光器价格昂贵，转换效率低 1 5 】。另外， 金属材料对激光吸收能力极差，吸收率一般只有1 5 2 0 左右( 钛合金除外) ，如要提高 材料的吸收能力，则需对它们进行磷化处理。据报导，处理后吸收能力可提高n 8 0 - 9 0 ，但经济可行性差。目前，美国通用汽车公司已研制成功低功率y a g 激光器和片状 激光器，为激光加热切削装置的经济性和小型化提供了条件。 我国对加热切削研究起步较晚，1 9 8 3 年召开了全国难加工材料切削加工技术交流 会，很多工厂、研究单位和高等院校的代表交流了各自的研究成果。作为解决难加工材 料加工的有效方法，加热切削当然也受到了重视。起步的时候，加热切削的研究主要集 中在等离子弧加热切削和导电加热切削。 从7 0 年代中期开始，沈阳工业学院与沈阳重型机器厂开始进行等离子加热切削技术 的研究，于1 9 7 7 年研制了等离子加热切削装置并通过鉴定。他们对高锰钢z g m m 3 等l o 多种材料进行了切削试验，证明能提高工效7 1 0 倍，且表面粗糙度减小，金相组织无 明显变化 1 7 1 。1 9 8 4 年，北京工业学院开始对等离子加热切削作深入研究，他们用y t l 5 、 t d 0 3 及l t 5 5 刀具对6 0 s i 2 m n 进行切削试验，通过综合优化切削用量和等离子弧参数， 取得生产率提高3 5 倍，生产总成本降低4 1 6 的好效果，并发现在等离子加热切削中， 使用t p 0 3 和l t 5 5 刀具效果较好，刀具耐用度可提高1 4 倍 1 8 1 。 2 0 世纪9 0 年代，等离子加热切削的研究深入到了机理的研究，广西工学院丁黎光、 温宗胤等人对等离子弧加热切削传热数学模型、加热能力进行了研究 1 9 】。 导电加热切削方法的研究开始于2 0 世纪5 0 年代末，华南工学院的周泽华曾经采用 在切削时通过刀具、工件加入电流的方法抑制切削加工时产生的积屑瘤和鳞刺，获得粗 糙度显著减小的加工表面 2 0 】。 1 9 8 3 年，安徽工学院陈定一开始进行导电加热切削法的研究。用硬质合金刀具， 对镍铬合金冷硬铸铁进行了试验，得出的结论是：导电加热切削中对刀具耐用度影响最 大的是切削速度，且比普通切削更灵敏，切削速度愈高，加热区域愈小，工件接受的热 孙鹏：淬硬锯导电加热技术基础研究 量也愈小；而加大走刀量对降低刀具耐用度的影响比普通切削时小，因此加热切削提高 生产率主要是加大走刀量，刀具耐用度提高近1 4 倍，表面粗糙度比普通切削明显降低 2 1 ，2 2 a 2 0 世纪8 0 年代后期以来，华南理工大学、广东工业大学和西江大学等单位的研究 人员通过大量的试验，对导电加热切削的研究取得了很多进展。 叶邦彦和周泽华等采用信号频率分离的方法，测量了不同切削条件下的切削温度和 切削力，并取得了切屑根部金相显微照片，对导电加热切削的机理进行了深入的研究 2 3 】。 陈文戈和叶邦彦等在传统导电加热切削用加热电源的基础上，研制了基于微机自动 控制的逆变式加热电源。据称它具有体积小、动态响应快、控制灵活方便等优点，在导 电加热切削过程中，克服了刀具切入、切出工件时的电弧放电，并保证以最佳的加热电 流或温度进行切削 2 4 】。 吴拓和叶邦彦通过分析导电加热切削过程中的电物理现象，研究了导电加热切削刀 工接触区的电热状态及其特性，这对于研究导电加热切削的切削机理、电热特性、刀具 磨损及对导电加热切削实行状态控制具有一定的指导意义。随后，进一步探讨了刀具磨 损机理和刀具的适应性 2 5 ，2 6 1 。 陈文戈、叶邦彦、罗翔和周泽华等人研究开发出一种基于微机控制的导电加热切削 过程自动控制系统，该系统较好地解决了导电加热切削过程电热参数自动调整及灭弧保 护等关键技术，对提高导电加热切削的效果、保证加工表面质量有重要意义。随后，还 将模糊控制方法引入其中【2 7 ，2 8 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，激光加热切削的研究也进展起来 2 9 1 。沈阳航空工业学院开 展了激光加热辅助切削g h l 3 5 高温合金的实验。华中理工大学激光重点实验室进行了 陶瓷和复合材料激光加热辅助切削的研究工作。上海交通大学通过有限元分析的方法， 仿真了激光加热辅助铣削4 5 钢的三维温度场。哈尔滨工业大学对高温合金、冷硬铸铁、 z r 0 2 陶瓷、等难加工材料的激光加热切削做实验研究。 1 3 2 导电加热切削的原理 导电加热切削e h m ( e l e c t r i c i - i o t m a c h i n i n g ) 是在切削过程中利用刀具和工件构成 回路，通以低压大电流，使切削区材料产生焦耳热而软化，从而使切削变得顺利的加工 方法。加热装置如图1 4 a 所示，电源一端与碳刷连接，另一端与刀具相连，刀具因垫有 一绝缘层而与刀架绝缘。切削工件时，电流经碳刷和机床主轴、卡盘及工件、刀具而形 奎垄望三查塑主堂垡墼 成闭合回路a 当电流流经图1 4 b 中的a b c 窄小区域时，由于电流密度较大，从而在这一 区域产生焦耳热，使切削变形区得到加热。 工件 图1 4 导电切削加热原理图 f i 9 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f e h m b ) 1 9 6 0 1 9 7 0 年，日本的上原邦雄等以大量实验为依据，对导电加热切削的机理、效 果和应用问题进行了系统的研究分析，证实了该加热切削方法在难加工材料加工中的有 效性。此外，英国、日本、前苏联都有学者参加了这项技术的研究，并普遍得到如下结 论【3 0 一3 3 】： ( 1 ) 导电加热切削降低了切削力， 得以顺利进行。 ( 2 ) 导电加热切削消除了积屑瘤、 大大降低了已加工表面的粗糙度。 改善了材料的加工性，使对难加工材料的切削 鳞刺等现象，使切屑形状从不连续变为连续， ( 3 ) 导电加热作用区域小，时间短，热效率高，对加工工件没有不良影响。 ( 4 ) 一定的切削条件下，导电加热切削可以提高刀具耐用度。 ( 5 ) 由于导电加热切削时刀具本身会因电流流过而发热，因此它的有效性就限于 切削速度较低的范围内，即存在一个临界切削速度。 孙鹏：淬硬钢导电加热技术基础研究 1 9 8 8 年以来，华南理工大学等单位的研究人员通过大量的实验和研究。对导电加热 切削的切削力、切削温度、i g b t 电源研制、a n - r - 表面质量及刀具耐用度等方面做了系 统深入的研究，对导电加热切削的机理又有了新的认识： ( 1 ) 导电加热切削的效果来自切削变形区材料剪切抗力的下降，电流通过改变切 削温度起作用【2 3 】。 ( 2 ) 切削过程中，刀一屑接触长度随着电流的增加而增加，刀一屑接触长度的增 加在导电加热切削时的一个显著好处是使切屑材料经受电流加热的时间比较长，材料弱 化更充分 1 4 1 。 ( 3 ) 导电加热切削在电流较大，切削温度较高时可以降低切削力，切削力下降幅 度一般为5 2 0 1 4 1 。 ( 4 ) 导电加热切削的有效性限于切削速度不高的范围内。只有在切削速度较低的 范围内，导电加热切削才能有效降低工件的表面粗糙度和增长刀具耐用度，其理想速度 区域是v 0 8 m s 3 4 。 ( 5 ) 导电加热切削有一个最佳加热温度和与之对应的最佳加热电流i 。在该温度 下，刀具耐用度最高。最佳加热电流与切削速度大致成线性关系 3 4 1 。 ( 6 ) 导电加热切削刀具由于其独特的加工机理和摩擦机理，其磨损形态为“刃带磨 损”型，磨损部位主要在切削刃带上，磨损带大多呈蚕蚀状。由于刀一工和刀一屑接触 区受到电流和高温的强烈作用，导电加热切削刀具的磨损主要是热电磨损、扩散磨损和 氧化磨损 2 6 1 。 1 4 本文的研究思路及主要工作 多年的研究表明，导电加热切削在普通碳钢，高强度钢等材料的加工中有一定的优 势。在一定条件下，可有效抑制积屑瘤和鳞刺、降低表面粗糙度、增长刀具耐用度等。 相关的研究在华南理工大学等单位已开展了多年，研究方向涵盖切8 机理、切削力、电 源研制、控制系统开发等多方面。但截至目前，采用导电加热切削加工淬硬钢的研究尚 未见报道。 本文将开展淬硬钢的导电加热切削实验研究，试图探索一条新的硬车削方法。这一 方面可以丰富淬硬钢的加工技术，另一方面又拓展了导电加热切削应用范围。但淬硬钢 属于难加工材料，要想取得满意的加工质量绝非易事，必须对表面质量、切削力、切削 温度变化和刀具磨损等情况进行全面的研究。 大连理工大学硕士学位论文 本文将研究重点放在表面完整性上，因为这是能够有效实施硬车削、能否“以车代 磨”的前提。其中，以表面粗糙度为首要考察指标，如果无法达到粗磨后的表面粗糙度 水平( r a 0 8 - - 0 4 p m ，参见表1 i ) ，也就根本不具备进行硬车削的可行性。 本文的研究思路和主要工作如图1 5 所示。 研究思路 工作内容 建立实验装置 初步判定可行性 摸索切削规律 表面完整性研究 结论 机床与电源 试件和刀具 电流对表面粗糙 度影响 材料硬度对表面 粗糙度的影响 主、副偏角对表 面粗糙度的影响 刀尖圆弧对表面 粗糙度的影响 表面粗糙度 加工硬化 残余应力 1 , 5 研究思路及工作内容示意图 f i 9 1 5s c h e m a t i cp l a no f r e s e a r c ht e c h n i q u ei n t h i sp a p e r 孙鹏：淬硬钢导电加热技术基础研究 2 导电加热切削的理论基础 2 1 切削热与切削温度 金属切削过程的完成，必须通过刀具提供足够的切削力。切削力做功，不断为切削 过程提供补充能量：能量的很小一部分将作为变形势能存储在工件和切屑材料中，大部 分将转化为热能，即切削热，切削热是切削过程中的重要物理现象之一。大量的切削热 在切削区产生了很高的切削温度，这将直接影响工件材料和刀具材料的性能、加工精度 和已加工表面质量等，因此切削温度对切削加工的质量有着非常大的影响。 2 1 切削力的来源 切削热是切削力做功能量转换的结果。从几何位置来说，切削力来自于前刀面和后 刀面两个方面。从物理意义上来说，切削力也来自于两个方面：一是被切削金属、切屑 和工件表面层金属的弹、塑性变形抗力，二是刀一屑和刀一工间的摩擦阻力。 在切削力的定量研究中，为了便于测量和应用，应当把切削合力分解于切酮运动联 系起来的几个分力，通常的分解方法如图2 1 所示。 图2 1 外圆切削时的切削力 f i 9 2 1s c h e m a t i c p l a n o f c u t t i n g f o r c e i n t u r n i n g 卜与迸给方向一致，称进给抗力( 俗称迸刀抗力) ；对外圆加工来说，由于进 给方向与工件轴向方向一致，因此最又称为轴向力。 e ，一与进给方向垂直( 与切深方向一致) ，称为切深抗力( 俗称吃刀抗力) ；对 外圆加工来说，由于切削深度与工件径向方向一致，因此r 又称为径向力。 f t 厂一与切削速度方向一致，它是切酎功率的主要消耗者，故称主切黼力；对于外 圆加工来说，由于它与工件外圆表面相切，因此又称为切向力。 大连理工大学硕士学位论文 一般情况下，疋最大，它是设计和校验机床主轴箱的强度、刚度和主电机功率的 主要依据。 以随进给运动做功，消耗一定的切削功率。b 作用在进给机构上，在设计和校验 机床迸给结构强度和刚度时要用到它。 毋与切削速度和进给速度均垂直，所以它不做功，不消耗功率。但是它能使工件 发生交形，并可能造成工艺系统( 机床一刀具一工件一夹具系统) 振动，对加工精度和 己加工表面质量影响较大；同时它也是设计和校验机床主轴刚性的重要依据。 2 1 2 切削热的产生与传出 切削热来源与切削力来源有相似之处，来自于被切削层金属、切屑和工件已加工表 面的弹、塑性变形和前、后刀面的摩擦功( 图2 2 ) 。 图2 2 切削热来源示意图 f i 醴2s c h e m a t i cd i a g r a mo f g e n e r a t i o no f c u t t i n gh e a t 切削热是由切屑、工件以及周围的介质传导出去( 图2 3 ) 。影响热传导的主要因 素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。 图2 3 切削热的产生与传导 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f g e n e r a t i o na n dc o n d u c t i o no fc u t t i n gh e a t 孙鹏：淬硬钢导电加热技术基础研究 切削温度是切削热产生和传出的动平衡的结果。随切削过程不断进行，切削热不断 产生，同时又不断传导出去。若某一时刻产生的热量大于传出的热量，则切削温度升高； 反之则降低。若在某一稳定切削过程中，切削热产生速率和传导速率相等，则这时的温 度场处于动平衡状态，刀具、工件等导热介质便呈现某一稳定的切削温度。 2 2 切削温度的影响因素 2 2 1 切削用量对切削温度的影响 分析各切削用量对切削温度的影响，主要从这些因素对单位时间内产生的热量和传 出的热量的影响入手。如果使产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增 高；反之则使切削温度降低。 ( 1 ) 切削速度v 切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将 上升( 图2 4 ) 。 p 、， 。 崔 赠 褰 恩 02 03 04 06 08 01 0 0 1 5 02 0 02 2 0 切削速度y ( m m i n ) 图2 4 切削速度与切削温度的关系 3 5 f i g2 4r e a f i o n s h i pb e t w e e nc u r i n gs p e e da n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e 其原因如下：当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈的摩擦，因而产 生很多的热量。而这摩擦热主要是是在切屑很薄的底层产生的。如果在连续流出的切屑 中截取一段作为一个单元来考察，当这个切屑单元沿前刀面流出时，摩擦热是一边生成 而又一边向切屑的顶面方向和刀具内部传导的，如果切屑速度提高，则摩擦热生成的时