导电加热切削华南理工大学叶邦彦导电加热切削（ＥｌｅｃｔｒｉｃＨｏｔＭａｃｇｕｂｕｂｇ）是 指在切削过程中，利用刀具与工件构成回路通以电流，使切削区材料电阻产生焦耳热而软化．从而 使切削变得顺利的加工方法，这个方法又叫接触电阻加热切削（ＣｏｎｔａｃｔＲｅｓｉｓｔａｎ ｃｅＨｏｔＭａｃｈｉｎｉｎｇ）．导电加热切削，由于其自身的特点，受到了很多研究者的重视 ．据统计，单在六十年代，英、日、中、德、法、苏联等国的学者就先后发表了关干导电加热切削 的论文４０余篇，并普遍得到以下结论：①导电加热切削可降低切削力，使难加工材料的切削得以 顺利进行；②导电加热切削消除了积屑瘤、鳞刺，并形成稳定的连续切屑，可显著减小已加工表面 的粗糙度；③在一定的切削条件下，导电加热切削可以提高刀具耐用度．导电加热切削时，电源的 两极与刀具和工件相连，由调压器给回路通人合适的直流或交流电流．由于前刀面和剪切面之间的 电流密度最大，因而发热最厉害，其温升可如下估算：Ｉ“ＲＡＯ＝ｈ－－－－－－－－ｖ’ａ。 “１”ｐｃ上式说明加热温度与加热电流１的平方和切削区总电阻Ｒ成正比，与切削速度Ｖ，进给 量ｆｉ切削深度ａ。成反比，因此加热电流变化对加热温度的影响较大．由于切削区的总电阻仅为 毫欧姆数量级ｍ，为了得到足够的加热温度，加热电流要达５０～１０００安培．导电加热切削当 切削速度较高时．即使不加热．切削温度已经很高，若再导以电流加热，刀具就容易过热而损坏， 因此导电加热切削的使用只限于较低的切削速度范围，即存在一个临界的切削速度．根据上原邦雄 等人提供的数据，用普通硬质合金刀具进行导电加热切削，临界切削速度一般在１０ｍ／讪ｎ左右 ＼随着新型刀具材料的出现，７０年代以后，导电加热切削的研究转向了刀具材料和几何形状的设 计．很多研究者分别对硬质合金刀具，陶瓷刀具，涂层刀具进行了多次试验．１９８３年，上原邦 雄以实验为依据，提出具有低电阻率的基体和高耐磨表层的涂层硬质合金刀具是导电加热切削的最 优刀具用．用各种刀具对冷硬铸铁，高锰钢进行试验，实验结果表明，使用涂层硬质合金刀具可使 导电加热切削的临界切削速度从１０—２０ｍ／ｍｉｎ提高到４０～１００ｎｄｎｄｎ，而且刀具 耐用度明显地得到了提高．影响导电加热切削效果的因素很多，首先是加热电流对切削效果的影响 ．研究结果表明，导电加热切削有一个最佳的加热温度和与之对应的最佳加热电流，在该温度下， 刀具的耐用度最高．在切削速度不太高的范围，一般都能使刀具耐用度提高ｌ～５倍问．当切削速 度较高时，由于电流对材料加热作用时间很短，电流较快的脉动将造成切削力和切削厚度的变化， 从而在加工表面形成明暗相间的条纹【ｑ．采用电压脉动小、内阻小的直流电源（如三相桥式整流 电源）可避免这种现象．此外，由于回路具有较大的电感，采用直流电源加热还可以减少电路的无 功损耗．由于直流电流的集束作用，使加热能量较为集中．一些研究结果指出，在加热切削中，为 提高生产率，增大走刀量较为有利ｕ、’‘．这是由于进给量增大使刀一屑摩擦面的接触长度增大 ，从而使切屑材料经受电流加热的时间较长，温度较高，材料弱化更充分．此外，刀一届接触长度 增加使从后刀而流走的电流（该电流使加热效率下降，并使刀具发热）占的比例相对减小，从而使 加热效率更高仲．力具和工件材料的机械、物理性能对导电加热切削的影响很大．上原邦雄认为在 加热切削中，如果在刀具材料和工件材料的硬度差为最大值的温度附近进行切削，效果最好！’＼ 为了减小刀具发热和提高加热效果，采用电阻率小的刀具材料、电阻率大的工件材料更为有利．刀 具材料和工件材料的导热系数对加热切削的效果有很大的影响．实验结果表明，采用导热性较好的 钨一钻类硬质合金．特别是其改进型刀具ＹＷＩ，具有较高的刀具耐用度【‘】．关于在导电加热 切削中施加磁场可以提高刀具耐用度的方法在文献【’ｑ中得到报导：磁场会影响机体互相摩擦的 磨损特性，由于位错结构的变化，使粘结点易于破坏。若在加热切削中施加较低的电流和弱的磁场 ，在刀具耐用度方面可获与施加大电流时相同的效果．导电加热切削时刀具几何角度的选择应以改 善刀具的散热为前提．刀具的前角一般取为零或负值，且应有一定的负倒棱，后角和副偏角应取得 较大，刀尖圆弧不能太小，刃倾角宜取负值，当工件刚性足够时，应选较小的主偏角，以增大刀尖 角，改善刀尖处的散热条件．刀一肩接触面的温度在加热切削中是一个重要的因素，了解加热切削 时切削区的温度及其分布，除有助于加热切削机理研究外，还能为温度控制提供基本信息．导电加 热切削时，由于外加电压存在，已不能用常规的刀一工自然热电偶测温方法．一些研究者采用理论 分析，推导了导电加热切削时刀一屑接触面温度的计算方法ｔ“－“１．文ｔ６］提出了一种利用 人为加人共模电压讯号测量交流电导电加热切削温度的方法．实测表明，导电加热切削的温度比普 通切削提高约１０—３５％．对一些难加工材料的切削力和切削温度实验数据回归得到的公式表明 ，导电加热切削时，当切削速度、进给量等切削条件变化时，切削力和切削温度的变化相对较为稳 定ｌ。］’．导电加热切削的一个难点是由于刀具一工件回路通有大电流，在刀具切人、切出和切 削断续表面时，会产生电火花甚至电弧将刀具烧坏．用并联式箱位电路可减小这种切削时的火花问 ．从目前的研究成果来看，导电加热切削可以方便地用于车、刨、钻、铣等工序中，是难加工材料 的一种经济有效的加工方法．由于电流加热区恰好和切削变形区重合，因而升温快，热效率高，且 设备简单，温控容易，操作安全，因而具有很大的应用和推广价值．但是，导电加热切削推广到实 用还存在以下问题：①高速切削时刀具容易过热；②难以用于间断切削和非导电性材料的加工．一 些研究工作已对这些方面作了尝试：刀具采用风冷，效果很好ｌ”－‘八此外，采用热管、液氮等 冷却技术以及采用旋转车刀、改变电流的导人方式等方法也可望解决上述问题．另一方面，从应用 角度来看，导电加热切削更适用于钻孔和精加工等其他加热切削方法难以实施的领域．例如，电加 热挤压作为一种新的难加工材料的光整加工技术，已引起了人们的关注【‘８．相信随着导电加热 切削及其控制技术的发展和应用，这一技术将能取得较大的效益．参考文献｜｜（１）［日］大越 谆，上原邦雄“关于加热切削法的研究－通电加热切削法的效果”（ｌ）、（２），精密机械，Ｖ ｏｌ．２６，ＮＯ．７，ＮＯ．９，１９６０．（２）周泽华：“金属切削中的鳞刺”，机械工程 学报，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．１，１９６ｏ．（３）［日］大越谆，上原邦雄：“导电加热切削”， 日本机械学会志，１９６３年２月．（４）Ｊ．ＥＬＬＩＳ，Ｇ．ＢＡＲＲＯＷ：“Ｓｏｍｅｏｂ ｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＣｏｎｔａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈｏｔｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ”，ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰＶｏｌ．ＺＶＩＶ．〔５〕ＫｕｎｉｏＵｅ ｈａｒａ：“Ｃｕｔｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏａｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｓｉｎｅ ｌｅｃｔｒｉｃｈｏｔｍａｃｈｉｎｉｎｇ”，ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰＶｏｌ．３２／ ｌ／１９８３·（６）叶邦彦：“导电加热切削的机理及其应用的研究”，华南理工大学博士学位 论文，１９８９．６．（７〕［日］上原邦雄：“高温切削新趋势”，机械工具，１９８６年Ｎｏ ．１．（８）［苏］Ａ．Ｈ．斯特洛斯科夫等著：《难加工材料的加热切削》，阎嘉良译，太原工 学院１９８１年．（９）陈定一：“电接触电阻加热车削冷硬铸铁”，机床，１９８５年第４期． （１０）Ｖ．ＲＡＧＨＶＲＡＭ，Ｍ．Ｋ．Ｍｕｈｕ：“Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｏｏｌｌｉｆｅｂ ｙｍａｇｎｅｔｉｓａｔｉｏｎｉｎｈｏｔｍａｃｈｉｎｉｎｇ”，Ｉｎｔ．ｊ．Ｍａｃｈ．Ｔｏ ｏｌＤｅｓ．Ｒｅｓ．Ｖｏｌ．２０／８０．（１１）Ｇ．Ｓ．ＫａｉｎｔｈａｎｄＭ．Ｎ．Ｃｈ ａｔｕｒｖｅｄｉ：“Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａ ｔｕｒｅｉｎｈｏｔｍａｃｈｉｎｉｎｇ”，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｃｈ．ＴｏｏｌＤｅｓ．Ｒｅｓ． Ｖｏｌ．１５６，ｐ２４１—２５６，１９７５．（１２）叶邦彦、周泽华，“Ｓｔｕｄｙｏｎｔ ｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｅｌｅｃｔｉｃｈｏｔｃｈｉｎｉｎｇ”，Ｐｒｏ－ｃｅｅｄｉ ｎｇｓｏｆｔｈｅｓｔｈＩＭＣＣ，Ｖｏｌ．ｌｌ／９１．（１３）Ａｋａｓｙａｍａ，Ｈ．Ｔａ ｋｅｓｈｉｔａ，Ｋ．Ｕｅｈａｒａ：“ＨｏｔＭａｃｈｉｎｉｎｇｗｉｔｈＣｏｏｌｅｄＣｕｔ ｔｉｎｇＴｏｏｌｓ”，ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰＶｏｌ．３６／１／１９８７．Ｐ３７ —４１．（１４〕ＫｕｎｉｏＵｅｈａｒａ，ＭｉｔｕｒｕＳａｋｕｒａｉ，ＨｉｄｅｏＴａｋｅ ｓｈｉｔａ：“ＨｏｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｗｉｔｈＣｏｏｌｅｄｔｗｉｓｔｄｒｉｌｌ”，Ｐｒ ｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｓｔｈＩＭＣＣ，Ｖｏｌ．１．（１５）陈定一：“电接触电阻加 热挤压镍铬合金铸铁”，机床，１９８７年第２期．导电加热切削@叶邦彦$华南理工大学（１） ［日］大越谆，上原邦雄“关于加热切削法的研究－通电加热切削法的效果”（ｌ）、（２），精 密机械，Ｖｏｌ．２６，ＮＯ．７，ＮＯ．９，１９６０．（２）周泽华：“金属切削中的鳞刺” ，机械工程学报，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．１，１９６ｏ．（３）［日］大越谆，上原邦雄：“导电加 热切削”，日本机械学会志，１９６３年２月．（４）Ｊ．ＥＬＬＩＳ，Ｇ．ＢＡＲＲＯＷ：“Ｓ ｏｍｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＣｏｎｔａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈｏｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ”，ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰＶｏｌ．ＺＶＩＶ．〔５〕ＫｕｎｉｏＵｅｈａｒａ：“Ｃｕｔｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏａｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｈｏｔｍａｃｈｉｎｉｎｇ”，ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰＶｏ
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