加热切削技术及其发展和应用

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　　随着科学技术的进步和工业生产的迅速发展，对结构材料性能的要求越来越高，引入了很多高强度、高硬度和耐高温的新材料。这些材料加工时切削力大，温升高，刀具磨损严重，加工表面质量差，加工精度也难以提高。最突出的问题是加工困难，有些材料几乎无法加工。加热切削是克服加工困难问题的特种加工技术中最有效的方法之一，它为难加工材料的切削加工开辟了一条新的途径，已用于航宇、兵器、机械、车辆、化工、微电子及医疗工业。当前，加热切削技术及其发展在制造技术领域很受关注。

　　1、加热切削技术及现状

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　　加热切削技术的出现及发展

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　　加热切削加工方法巧妙地利用了高能热源的热效应，对被切削材料进行加热，使材料切削部位受热软化，硬度、强度下降，易产生塑性变形(图1)。由于加热温升后工件材料的剪切强度下降，使切削力和功率消耗降低，振动减轻，因而可以提高金属切除率，改善加工表面的粗糙度。又因刀具耐用度与工件温度存在一定的关系(通常，当工件温度在810℃左右时刀具的耐用度最大)，所以还可延长刀具寿命。

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　　早在1890年就出现了对材料进行通电的加热切削，并获美国和德国专利。20世纪40年代，加热切削在美、德开始进入工业应用实践，证明高温能使“不可能”加工的金属提高加工性能，并取得经济效益。但这个时期加热切削尚处于发展的初步阶段，加工质量难以保证，基本上没有应用到生产实际中。60年代以后，利用刀具与工件构成回路通以低压大电流，实现了导电加热切削，使切削能顺利进行。70年代初，出现了一种有效的等离子弧加热切削，最初由英国研制成功。80年代以后，开发了激光加热切削，由于激光束能快速局部加热，较好地满足了加热切削的要求，因而提高了加热切削技术的实用价值。

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　　一般热源

　　加热切削所用热源，如通电加热、焊矩加热、整体加热、火焰和感应局部加热及导电加热，通称为一般热源。这些热源都能对被加工材料加热，对加热切削技术的出现和发展起了重要作用，但它们存在加热区过大、热效率低、温控困难、加工质量难以保证等问题，使切削不理想，难以甚至未能应用到生产实际中去。

　　等离子弧及激光热源

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　　等离子弧加热切削，用等离子弧喷枪中的钨作阴极，工件材料作阳极，通电后形成高温的等离子弧，其特点是加热温度高，能量集中，可对难加工材料进行高效切削。研究表明，在加热切削冷硬铸铁和高锰钢等难加工材料时，切削速度高达100～150m/min，刀具耐用度可提高1～4倍。这种方法存在的问题是加热点必须与刀具有一定距离，加热效果难控制；加工条件恶劣，需要防护装置。

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　　激光加热切削以激光束为热源，对工件进行局部加热，其优点是热量集中，升温迅速；热量由表及里逐渐渗透，刀具与工件交界面的热量较低；激光束可照射到工件的任何加工部位并形成聚焦点，便于实现可控局部加热。研究结果表明，激光加热切削可使切削力下降25%左右，还能有效改善工件的表面粗糙度。存在的主要问题是大功率激光器价格昂贵，能量转换效率低，金属材料对激光吸收能力差，吸收率一般只有15%～20%左右，经磷酸处理后，吸收能力可提高到80%～90%，但经济可行性差，这是这种加热方法难以推广应用的原因之一。

　　以上两种热源的出现，大大推动了加热切削技术的发展，国内外已进行了大量卓有成效的研究工作。但要顺利地用于生产，达到预期的切削效果，还有一些问题需要解决，尤其是切削机理还需进一步探索和研究，如加工过程中还存在由于一定的热扩散而影响加工质量，功率消耗多，温度控制困难，热源装置不理想，价格昂贵等问题，所以生产上实用进程不快。加热切削技术的关键在于加热，目前，一般的目标是加热到难加工材料熔化前处于软化的温度，但这一温度是否合适，怎样达到和控制这个温度，还需进一步探索、分析和研究。

　　2、加热切削的研究及关键技术

　　研究目标和意义

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　　研究课题以难加工材料组织相变理论、金属切削原理和热学传导为基础，以难加工材料难切削的机理为出发点，着重分析和寻找温度、材料组织形态的变化以及与切削力之间的关系，摸索切削规律，确定改善材料可切削性的对策，进而从根本上解决难加工材料的切削问题。