导电加热切削对加工表面质量的影响

　　关键词:导电加热切削　表面质量　最佳加热电流

Influence of Electric Hot Machining on Surface Quality

Zhao Xuezhi et al

　　Abstract:In order to get optimum machining surface quality in the electric hot machining, the relationship between heating current and cutting conditions is studied experimentally, and the conception of optimum heating current is analyzed.

　　Keywords:electric hot machining surface quality optimum heating current

一、引　言

　　导电加热切削是在切削过程中利用刀具和工件构成回路并通以低压大电流，使切削区材料因电阻产生焦耳热而软化，从而改善切削性能的加工方法。导电加热切削可降低切削力，减少刀具磨损，提高刀具耐用度，明显改善难加工材料的切削加工性^［1］。在对导电加热切削的研究中，发现导电加热切削还可显著改善加工表面质量。但对于在不同切削条件下加热电流的大小与加工表面质量的关系，以及当切削用量变化时应如何调整加热电流以保持最佳加工表面质量等问题尚需进行深入系统的研究。
　　切削加工塑性金属时，获得良好表面质量的主要障碍是鳞刺和积屑瘤。根据金属切削理论^［2］，抑制鳞刺和积屑瘤的主要措施一是采用高速切削；二是当切削速度的提高受到限制时，可对切削区域采用人工加热措施。导电加热切削正是一种对切削区域进行局部加热的最佳方式，由于加热区域小、效率高，对于抑制因切削速度较低而产生的积屑瘤和鳞刺具有良好效果和突出优势。

二、导电加热切削对加工表面质量的影响

　　采用单因素试验法研究导电加热切削对加工表面质量的影响。试验主要条件如下：工件材料：45钢（调质）；刀具：YT15不重磨可转位硬质合金刀片；刀具几何角度：γ₀=25°，α₀=5°，K_r=45°，λ_s=0；加热电源：IGBT逆变电源；加工机床：CM6140；表面质量测量仪器：YCL-1型触针式轮廓仪。

　　1.不同切削速度下加工表面质量与加热电流的关系
　　保持切削深度（a_p=0.2mm）和进给量（f=0.10mm/r）不变，对应于不同的切削速度v_c，采用一组不同的加热电流值进行加工，获得的表面粗糙度值R_a与加热电流值I的关系如图1所示。由图1可见，由于所选切削速度较低，当未通电流时，表面粗糙度值较大，且加工表面存在鳞刺；随着加热电流逐渐增大，鳞刺逐渐消失，加工表面质量得到改善。在试验所用切削用量下，切屑形态开始表现为断续切屑，且表面一般存在鳞刺；随着加热电流的增大，切屑逐渐变为带状切屑，且鳞刺消失。当刀-屑接触区刚开始发红时，加工表面质量最好；继续增大加热电流，则刀-屑接触区变得红亮，此时加工表面质量又有所下降。如将获得最好加工表面质量时所对应的加热电流称为最佳加热电流，则最佳加热电流I_opt与切削速度υ_c的关系如图2所示。

图1　不同切削速度下表面粗糙度与加热电流的关系

图2　最佳加热电流与切削速度的关系

　　2．不同切削深度下加工表面质量与加热电流的关系
　　保持切削速度（v_c=1.7m/s）和进给量(f=0.1mm/r)不变，对应于不同的切削深度a_p，采用一组不同的加热电流值进行加工，获得的表面粗糙度值R_a与加热电流值I的关系如图3所示。与切削速度试验的情况类似，在不同的切削深度下，随着加热电流的增大，加工表面质量随之改善；但当电流增大到一定程度后，加工表面质量又有所下降。最佳加热电流I_opt与切削深度a_p的关系如图4所示。由图4可见，最佳加热电流与切削深度基本上成线性关系，利用试验数据作线性回归，可得如下经验公式：

I_opt=55.13+351.2a_p      (1)

式中I_opt的单位为A,a_p的单位为mm。

图3　不同切削深度下表面粗糙度与加热电流的关系

图4　最佳加热电流与削深度的关系

　　利用式(1)可在实际加工中估计不同切削深度下较为合适的加热电流值。但该式只适用于工件材料为45调质钢、刀具材料为YT15的导电加热切削，在实际应用中还必须考虑进给量、切削速度等多方面因素的影响。

　　3．不同进给量下加工表面质量与加热电流的关系
　　进给量f对表面粗糙度的影响较大，由表面粗糙度的理论计算公式R_a=f/4（ctgK_r+ctgK_r′），R_y=f²／8r_ε等可知^［2，3］，表面粗糙度与进给量直接相关，进给量f越大，则表面粗糙度理论值也越大。虽然实际加工形成的表面粗糙度值由于还受到积屑瘤、鳞刺、振动和刀具磨损等因素的影响，往往比表面粗糙度理论值大得多，但由此也可看出进给量对表面粗糙度影响的重要性。
　　保持切削速度（v_c=0.66m/s）和切削深度（a_p=0.2mm）不变，对于不同的进给量f，采用一组不同的加热电流值进行加工，获得的表面粗糙度值R_a和加热电流值I的关系如图5所示。由图5可见，通以电流进行加工后，表面粗糙度值较未通电流加工时降低很多，这主要是因为减少了加工过程中形成的鳞刺所致。当切削速度较低时，随着进给量的增大，切削厚度a_c（a_c=fsinK_r）也随之增大，至一定程度后形成节状切屑，虽然此时无积屑瘤，但很容易生成鳞刺，且鳞刺高度随切削厚度a_c的增大而增大^［2］。由此可见，较大进给量所造成的表面粗糙度中很大一部分是鳞刺引起的，虽然导电加热切削本身并不能减小与进给量密切相关的表面粗糙度理论值，但它可通过抑制鳞刺的生成而使加工表面质量提高。最佳加热电流I_opt与进给量f的关系如图6所示。由图6可见，最佳加热电流与进给量基本上也成正比关系。

图5　不同进给量下表面粗糙度与加热电流的关系

图6　最佳加热电流与进给量的关系

三．分析与讨论

　　1.关于最佳电流的分析
　　从以上试验结果可以看出，对于给定的刀具材料、工件材料以及一组确定的切削用量，随着加热电流的增大，加工表面质量逐渐改善；当加热电流达到一定值时，可获得最佳的加工表面质量；但再继续增大加热电流时，加工表面质量又会变差。产生这种现象的原因主要是切削区温度变化的影响。导电加热切削的作用机理正是通过提高切削区温度而对加工表面质量产生影响。在低速切削时，由于切削温度不高，若加热电流较小，则发热量小，对切削区的温度补偿不足以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，从而使加工表面质量改善不大，这种情况称为“温度欠补偿”；若继续增大加热电流，切削区温度进一步升高，积屑瘤和鳞刺逐渐得到抑制，并且刀具相对于工件的硬度比和强度比也进一步提高，同时在低速切削时占主导地位的刀具的磨料磨损和粘结磨损也有所减轻^［1］，一方面提高了刀具耐用度，另一方面也提高了刀具的刃形保持能力，从而可获得较小的表面粗糙度值；此后若进一步增大加热电流，使切削区温度继续升高，将使刀具的扩散磨损和氧化磨损逐渐加剧^［1］，刀具的耐用度及刃形保持能力迅速降低，从而导致加工表面质量再次变差，这种现象称为“温度过补偿”。正是由于存在“温度欠补偿”和“温度过补偿”现象，因此在导电加热切削中存在一个最佳加热电流值，在此加热电流作用下可获得最佳加工表面质量。最佳加热电流的实质即是最佳切削温度。

　　2.关于最佳电流与切削用量关系的讨论
　　导电加热切削时影响切削区温度的因素主要有：（1）切削区的加热电阻；（2）需要加热的切屑质量；（3）散热条件。这三个因素均与切削用量密切相关。根据焦耳定律，对切削区通以电流时，其总发热量为

式中　i(t)——通过切削变形区的瞬时电流（A）
　　　R_z——切削区的电阻（Ω）
　　　t——加热时间（s）
　　该焦耳热引起切削区的平均温升为

ΔT=Q/cm      （3）

式中　c——切屑的比热（J/kg℃）
　　　m——切屑的质量（kg）
　　考虑到导电加热切削回路中其它电阻（如电缆的电阻、碳刷与导入铜环之间、卡盘与工件之间、刀具与导入铜片之间的接触电阻、电源内阻等）的存在，切削用量变化引起的切削区电阻R_z的变化量ΔR_z可忽略不计，因此可认为回路中的加热电流基本不变［4］。由式（2）可知，当电流基本恒定、加热时间相同时，切削区域的总发热量取决于切削区域的电阻R_z，R_z越大，发热量越大。
　　切削速度是影响切削温度的主要因素，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升^［2］，同时由于一般金属材料具有正的电阻温度系数，切削区域的电阻R_z也会随之增大，从而使切削区域总的电流发热量增大，此时就需要减小最佳加热电流以维持加工效果（见图2），否则就会出现“温度过补偿”。当切削速度增大到一定程度时，加热电流变为零，此时即变为普通切削方式。
　　未通电加工时，切削深度对切削温度的影响很小，即使切削深度明显增大，切削温度的升高也并不明显^［2］。但通电加工时，切削深度对切削温度的影响却很显著，切削深度越大，切削区域电阻R_z就越小，呈近似反比关系^［4］，导致切削区域总的电流发热量减小；此外，由于需要加热的切屑质量增加，并且参加切削的切削刃长度的增大改善了散热条件^［2］，因此必须增大最佳加热电流才能保证加热效果（见图4），否则就会出现“温度欠补偿”。
　　当进给量增大时，切削区域的电阻R_z会减小^［4］，切削区域总的电流发热量也随之减少，同时需要加热的切屑质量增加，因此切削区域的温度会下降。虽然进给量增大同时会引起切削温度上升，但其对切削温度的影响程度远不如切削速度变化的影响显著，因此切削区的平均温度上升并不明显^［2］，为此必须增大加热电流才能使切削区域的温度基本保持不变，从而保证加热效果（见图6）。

四、结　论

　　根据试验研究结果，可得出如下结论：在导电加热切削中，为获得最佳加工表面质量，存在一个最佳加热电流值，它应随切削速度的提高而减小，随切削深度和进给量的增大而增大，其实质是通过加热电流的变化保持最佳切削温度。一般情况下，当工件材料和刀具材料确定后，要确定最佳加热电流值，必须通过大量切削试验建立不同切削用量（v_c、f、a_p）与最佳加热电流的对应关系，进而建立导电加热切削最佳加热电流数据库供实际生产使用。