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Simple Solids and their Surfaces
The two main characteristics of a solid are that it has long range order and that each atom is located in a particular position. The second property has the consequence that, unlike the vapour or liquid phases, the particles of a solid are "distinguishable". This will turn out to be very important in the statistical thermodynamics of solids. However, the issue to be discussed here is that of the long range order, how to describe it, how to detect it, and what happens at a surface.
Cubic Structures of Monatomic Systems
The structure of a solid is described as a combination of a lattice and a repeating unit. The lattice is generated by applying a set of symmetry operations to a point to generate an structure that fills space. Note that these symmetry operations are different from those with which you are already familiar for molecular point groups, which do not generate infinite lattices. However, like the molecular point group, there are only certain combinations of symmetry elements that generate the infinite structures. The simplest representation of these "space lattices" is in terms of their unit cells. On the right is shown a cubic lattice of atoms and in the upper part the atoms making up the unit cell are in red. The symmetry operations generate identical unit cells in an infinite lattice. A second unit cell is marked in the lower part of the diagram. The points of the unit cell are shown here as occupied by atoms, but it is better to think of the lattice as consisting of a set of points.
unit cells and repeating unit in a simple cubic solid
It is only necessary here to consider the cubic lattices, of which there are just the three shown below. They have the obvious names simple, body centred and face centred, but these derive from the more fundamental symmetry conditions mentioned above. There are eleven others, of which one of the most often mentioned is monoclinic, which is the lattice of lowest symmetry. Once again the lattices below are represented in terms of atoms but are really lattices of points.
cubic unit cells, face-centred cubic, body-centred cubic and simple cubic
For the determination of structures of solids and for considering the structural characteristics of surfaces the arrangements of lattice points in planes of the crystal are important. The different crystal planes are defined by their Miller indices. The Miller indices of a crystal plane are constructed by determining the intersection of the plane with the x,y,z axes and then taking the reciprocals, by convention written as (hkl). In the examples shown in the diagram below the intercepts of the plane of red atoms are (1,∞,∞), (∞,1,∞) and (∞,∞,1) on going from left to right. Taking the reciprocals of each intercept gives the Miller indices (100), (010) and (001) respectively. Note that each Miller index represents a whole set of planes all parallel to one another. Thus the expression (100) may be used to indicate either an individual plane or the whole set of planes.
the Miller indices of the (100), (010) and (010) planes in a simple cubic unit cell
Within the simple cubic cell two other crystal planes are easily identified, the (110) (there will be a set of planes of this type with different orientations, of which the (101) and the (011) are the most obvious, but there are additional ones with negative indices), and the (111). These two and the (100) are the three sets of planes that are most important for basic surface studies. The set is shown below with the atoms on the plane and the plane itself marked in red
the Miller indices of the (100), (110) and (111) planes in a simple cubic unit cell
The planes so far shown are low index planes, but there are higher ones. The way to evaluate the indices of these planes requires a slight alteration in the procedure. The intercepts of the plane on the xyz axes are all scaled down by the factor that reduces the highest intercept (other than ∞!) to 1. The diagram below shows the (210) and (310) planes. In the former the intercepts are the set (1,2,∞). These are multiplied by 1/2 and the reciprocals then give (210).
the Miller indices of higher index planes a simple cubic structure
For the three cubic structures the structural arrangement within a plane and between different planes may be different. Below are shown the (100) planes of simple, body centred and face centred cubic lattices. In the body centred and face centred cubic structures there are planes of atoms (marked in green) interleaving the (100) planes. These, together with the (100) planes, make up the (200) set of planes (intercepts (?∞,∞).
the Miller indices of the (100) and (200) planes in face-centred cubic, body-centred cubic and simple cubic structures
Structures of Surfaces of Bulk Cubic Structures
The lattice parameter of a cubic lattice is simply the length of the cube edge and here is denoted as a. If a were the same for the three cubic lattices, the atomic density would be greatest for face centred and least for simple cubic. When a crystal is cut to reveal a particular crystal plane as surface the surface structure is easily calculated from the lattice parameter and the lattice, assuming that it does not alter (reconstruct). The surface will be referred to as an (hkl) surface. However, when surface experiments are being considered, it is easier to use a surface lattice for reference. As an example, the (100) surfaces of the three cubic structures are redrawn again below and the resulting surface lattices shown in purple. Those of the simple and body centred lattices are identical and are square lattices of lattice parameter a. That of the face centred lattice is also square but of spacing a/√2. Thus, the (100) planes of all three cubic lattices give surface lattices of identical symmetry, i.e. simple square lattices. When these have the original symmetry of the crystal plane of the solid they are designated (1x1) lattices. This each one of the surface lattices below is a (1x1) lattice. The purpose of this simple, but incomplete description will be made clearer below.
designation of two dimensional surface lattices for cuts along the (100) plane of the three cubic lattices
The diagram below shows the surface lattices obtained from a cut along a (111) plane of each of the cubic lattices. The resulting lattice parameter of the surface lattice is given in terms of the parameter of the original cubic lattice. The same simple haxagonal lattice symmetry is again obtained for all three cubic structures and again the three lattices are all designated (1x1), although they are now completely different from the (1x1) lattices obtained from a (100) plane of the bulk crystal. The complete description of a surface lattice must therefore include the indices of the plane of the original crystal.
designation of two dimensional surface lattices for cuts along the (111) plane of the three cubic lattices
Although a surface may be cleaved to generate a particular surface, it usually rearranges to some extent. Sometimes this is just that the distance between the surface plane and the adjacent one underneath is slightly different from the bulk value. Less oftenly, the symmetry of the surface plane changes fundamentally. How this works is shown for both (111) and (100) surfaces alongside. In each case the (1x1) lattice is shown in purple, (2?) and (1?) are shown in red and green, and a (√2?#8730;2)R450 is shown in blue. The numbers denote the lengths of the sides of the new lattice relative to the (1?) and the R450 indicates that the lattice is rotated through 450 relative to the original. Note that a further ambiguity in the description of the surface lattice as a multiple of the basic (1?) lattice is that it does not specify where the lattice is. Thus any of the alternative reconstructed lattices indicated by the black/grey atoms is a (√2?#8730;2)R450 lattice.
different possible surface lattices for (111) and (100) planes of cubic lattices
Finally, note that the lattices of adsorbed layers of gases are treated in exactly the same way as the reconstructed surfaces. Thus, the ambiguity associated with the (√2?#8730;2)R450 lattice in the figure above applies equally to adsorbed layers, e.g. an adsorbed layer of hydrogen atoms. This is important and will be returned to below.
Diffraction from Crystalline Solids
The figure below represents the scattering of radiation from two crystal planes of a solid. The red and black lines represent radiation reflected from the upper and lower set of planes respectively. The reflection is treated as though the two planes of atoms behaved like half-reflecting mirrors. There is a difference of 2dsinθ in the pathlength travelled by the two beams of radiation where d is the perpendicular distance between the planes (the path difference is marked in green and the expanded construction alongside makes the geometry more clear). As the angle of reflection is changed so does the difference in pathlength travelled by the two beams. When the path difference is equal to an integer number of wavelengths the two beams will reinforce one another and when it is an integral number of half wavelengths the two waves will interfere destructively with one another. The intensity of the total reflected radiation will vary sinusoidally with θ. However, if reflection is from a large set of parallel planes the interference builds up so that it is destructive at all angles except those satisfying the constructive interference condition, i.e. when θ is given by
nλ = 2dsinθ
This is Bragg's law. The method of deriving it here is somewhat unsatisfactory but the alternatives would require more effort than you need to put in.
schematic diagram of Bragg reflection from a crystalline structure
Although the physical model of diffraction given by the Bragg's law approach is not a good one, the law itself is correct. Thus, the (100) planes of a simple cubic structure will give diffraction peaks when
sinθ = nλ/2a, n = 1, 2, 3, ..
where a is the lattice parameter. An alternative way of stating this is to say that there is diffraction from the (100), (200), (300), .. planes at
sinθ = λ/2d, d = a, a/2, a/3, ..
The two statements are equivalent, but the second is much more commonly used. Since Bragg's Law applies to all sets of crystal planes the lattice can be deduced from the diffraction pattern, making use of general expressions for the spacing of the planes in terms of their Miller indices. For cubic structures
d(hkl) = a/(h2 + k2 + l2)1/2
Note that the smaller the spacing the higher the angle of diffraction, i.e. the spacing of peaks in the diffraction pattern is inversely proportional to the spacing of the planes in the lattice. The diffraction pattern will reflect the symmetry properties of the lattice. A simple example is the difference between the series of (n00) reflections for a simple cubic and a body centred cubic lattice. For the simple cubic lattice, all values of n will give Bragg peaks. However, for the body centred cubic lattice the (100) planes are interleaved by an equivalent set at the halfway position. At the angle where Bragg's Law would give the (100) reflection the interleaved planes will give a reflection exactly out of phase with that from the primary planes, which will exactly cancel the signal. There is no signal from (n00) planes with odd values of n. This kind of argument leads to rules for identifying the lattice symmetry from "missing" reflections, which are often quite simple.
Electron Diffraction from Surfaces
Electrons are the preferred radiation for doing diffraction from surfaces because they are so strongly scattered by atoms that the scattering is almost exclusively from the surface layer. The positions of peaks in the diffraction pattern are determined by Bragg's Law, just as for x-ray or neutron diffraction from 3-D solids (at this stage you should not worry about the fact that it is not easy to see how Bragg's Law could be logically derived for a surface layer). The (100) surface of a cubic solid is shown below with its diffraction pattern. Because there is a Bragg peak for every set of planes it is not difficult to work out that the diffraction pattern has the same symmetry as the original lattice, although the intensities of the peaks fall off away from the origin for reasons that will be discussed below (the large central spot in the diffraction pattern is from the direct electron beam, which is usually in normal incidence on the surface). Some of the Bragg reflections are designated by the Miller indices of the planes (or lines for a 2D lattice) of atoms they come from. Thus the series (10), (20), (30) cam be regarded as the n = 1, 2 or 3 reflections from the (10) plane or reflections from the (10), (20) or (30) sets of "planes". Planes can have positive or negative Miller indices, so the diffraction pattern is symmetrical about its centre.
low energy electron diffraction (LEED) from a simple (1x1) surface structure on a (100) plane
The spacing of the reflections is inversely proportional to the separation of the planes and this is illustrated by the (2x1) lattice alongside and the corresponding "(1x2)" symmetry of the resulting diffraction pattern. It is important to note that the positions of the Bragg peaks only give the symmetry of the lattice. They do not distinguish between the grey and orange lattices, which would give identical diffraction patterns.
low energy electron diffraction (LEED) from (2x1) surface structure on a (100) plane
Finally, an optical analogue of LEED is demonstrated in the applet below. Although the pattern shown on the right is the result (exact) of light passing through a set of apertures shown on the left, the outcome is identical with that reflected from a set of apertures, i.e. done in the same geometry as a LEED experiment. All the simple conclusions from the paragraph above can be demonstrated, as well as the more complicated issues associated with the effect of the shape of the individual objects on the intensities. However, since the calculated pattern is only for a limited number of objects, effects of the finite size of the array can also be seen. These can be minimized by setting the number of horixontal and vertical slits to the maximum valur of 11 and mainly take the form of additional features in between the main diffraction spots. This calculation is a large one and may be quite slow. It may therefore be worth downloading it. (Applet is in "twoD.jar" and controlling program is "TwoDAppletJ.html". Setting the parameter "alias" to 1 introduces aliasing, which greatly improves the quality of the picture but uses more computer power.)
Intensities in Diffraction
All the discussion so far has been only of the lattice and the positions of diffraction peaks. Although this is what you most need to understand for the purposes of LEED and surfaces, it is only the first step in determining structure using diffraction methods. The lattice symmetry is determined by the positions of the the diffraction peaks but structure is determined from the intensities of the diffraction spots (or peaks). Only a very brief outline is given here.
Associated with each point of the lattice is a repeating unit. The structure of the solid is generated by combining this unit with the repeat structure of the lattice. Two examples are given alongside. One is the CsCl structure (Cs+ in red, Cl− in green) which is simple cubic (it is often mistakenly identified by students as body centred) and the repeating unit is a single CsCl with the configuration shown on the right. The whole structure can be generated by placing this unit at each of the lattice points of the simple cubic structure. The second example is NaCl, whose lattice is face centred cubic and once again the repeating unit is a single NaCl, but now oriented differently with respect to the lattice. (There are other possible choices for the repeating NaCl unit.)
the repeating unit in the NaCl and CsCl cystal structures
The first step in calculating the intensity is to sum the scattering from each of the atoms in the repeating unit but in the framework of the particular Bragg reflection being considered. For example, for the (100) reflection of CsCl, the scattering of the Cl− is exactly out of phase with that from the Cs+ because it occurs exactly halfway between the (100) planes. Hence the contribution of the repeating unit to the amplitude of the scattering is fCs − fCl. (Note that if the atoms were identical, as in a true body centred cubic structure, this amplitude would be zero.) The intensity of the (100) peak is just the square of this amplitude. For the (200) peak the amplitude (usually called the structure factor) would be fCs + fCl. These are trivial examples and it is evident that, if the repeating unit is a complex organic molecule (or several molecules) or a protein, that the calculations become very complex.
The relation of intensity to structure relies on the radiation only being scattered once. It is quite easy to realize that if the rays used in the Bragg reflection construction were scattered twice or more (multiple scattering), the geometrical relationships between them would be difficult to work out. The chances of multiple scattering occurring increase rapidly, the more strongly the radiation is scattered. The whole sensitive of LEED to surfaces is based on very strong scattering. Hence, it is very difficult to calculate structure from the intensities in LEED patterns and this is why a simple analysis does not, for example, reveal where a lattice of adsorbed atoms lies in relation to the underlying substrate. However, methods now exist, using long computations, that are able to determined structure from LEED in many cases.
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2007年3月20日 星期二
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晶体工程及其在化学中的应用
徐筱杰 唐有祺
晶体工程是实现分子到材料的一条重要途径，化学家致力于晶体工程是为了更好了解分子间的相互作用以便设计新颖的固体材料及固体反应。
关键词：晶体工程 分子间相互作用 分子堆积
分类号：O614.3 O743
Crystal Engineering and its Application in Chemistry
XU Xiao-Jie TANG You-Qi
(College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871)
Crystal Engineering is an important approach from moecule to material. Crystal Engineering has been developed by chemists to better understand molecular interactions for the design of novel materials and solid-state reactions.
Keywords: crystal engineering molecular interaction molecular packing
0 前言
晶体学工程是分子工程学的一个重要组成部分，它涉及分子或化学基团在晶体中的行为、晶体的设计及结构与性能的控制，晶体结构预测，是实现从分子到材料的一条重要途径。结构化学家及晶体学家多年来致力于晶体工程是为了更好的了解分子间相互作用，以便设计新颖的材料及固体反应。
严格讲，分子晶体是一个无限大的超分子体系。分子晶体可以看成几百万个分子严格的周期性的自组装而形成宏观尺度的超分子整体[1]。根据晶体中晶胞的周期性排列，晶体学常常把这些无限大超分子体系缩减为一个有代表性的晶胞。因此固体超分子也是晶体学工程的一个重要组成部分。事实上，晶体学已经大大促进固体超分子乃至整个超分子科学的发展。这是由于晶体结构是可以通过X射线晶体学精确测定的，可以通过大量的晶体结构数据分析得到分子间的相互作用的规律，为超分子建筑打下坚实的基础。而溶液超分子体系的结构是难以精确测定的，因此固体结构可以作为溶液体系的一个模型。
分子科学家使用各种方法已经合成数以千万计的化合物，超分子化学家已经发展许多新的方法制备数目众多，千姿百态的超分子[2]。晶体工程则企图利用不同类型分子间相互作用的能量及几何性质，构筑具有所希望结构和性能的晶体。这些方法与技术形成了晶体工程新领域。晶体工程是由 GerhardM.J.Schemidc于六十年代最早提出的。它最早起源于光化学及反应的设计。近年来已取得许多进展。晶体工程的成功与否在于掌握分子间的相互作用及分子在晶体中的取向。但是，在晶体中并不存在理想的几何关系，这是由于晶体中分子的几何关系是许多类型分子间相互作用的平衡结果，因此统计分析已知的晶体结构对于研究分子间弱相
互作用是非常有用的。现代统计分析技术可以把晶体学“噪音”降到最小。随着剑桥晶体结构库收录结构数目的增长（目前已超过17万个晶体结构），人们已经可以不断完善、修正对分子间相互作用的认识，因此晶体结构设计也日趋完善。通过分子间相互作用的研究人们可以找到分子（或化学基团）结构及环境对晶体成核及生长以及对形成晶体结构与性质的影响。
1 分子间的相互作用
一个稳定的晶体结构相应于体系的自由能极小。可以通过优化分子间相互作用的方向性、强度、对距离依赖关系等性质降低体系的自由能，并使其达到极小。因此了解分子间的相互作用及识别是晶体工程的基础。
在分子晶体中，分子间相互作用力可以分为中程相互作用力及远程相互作用力。一般的中程相互作用在晶体堆积中起着非常重要的作用[3～5]，在晶体堆积的形状、尺寸、密堆积及特征取向等方面均显示各向同性的特点。在有机晶体中这种力是同C…C，C…H，H…H相互作用相联系的。长程相互作用力主要是静电力，是各向异性的；一般是异原子间的相互作用，即在N，O，S，Cl，Br，I（偶尔也包括F，P，Se）间或上述任何一种元素同碳或氢之间的相互作用。氢键就是其中一种常见的形式。另一种常见的例子是金属离子同O，N的结合，这种结合是非常专一的，可以实现对结构的控制。
最重要的中程相互作用力是范德华力，它也是主要的非方向性力，它是由色散力及交换-排斥力组成。范德华力在分子堆积中起重要作用。1973年苏联学者 AleksanderI.Kitaigoradsky提出了分子晶体设计中最重要的一个原则，分子倾向于以所占空间最小的方法堆积在一起（分子一般占据一个晶体的65％到77％的体积）。可以想象分子堆积过程是分子间几何形状互相匹配及相互作用力的匹配过程，即分子识别过程。1994年意大利学者 Gavezzott提出形状诱导识别的概念，即在识别过程分子构象会发生一定的变化。相同分子间的识别一般利用分子的不同部位，满足锁与钥匙的关系。在空间结构中出现倒反中心，螺旋轴及滑移面的频率比镜面及旋转轴大。在有机晶体中大约有56％的结构属于P158-1.gif (87 字节)，P21/c，C2/c及Pbca四种空间群。有机晶体主要由碳、氢原子组成，因此这些分子间相互作用是同C∶H比例有关。芳香脂肪烃更倾向于密堆积。如果某些环缺电子，则对堆积更有利[3]。
长程相互作用主要是静电相互作用及氢键。主要是异原子间的相互作用，是有方向性的。C60能与HQ形成密堆积配合物，是由于C60的高负电性质及HQ的给电子性质。Stouse及其合作者报导了近200个四芳香基卟啉化合物，紧密堆积的分子像波纹片那样堆积形成能容纳不同客体分子的平行通道。在芳香化合物中C…H相互作用可以更精确表示为C(δ－)…H(δ＋)。芳香C…H相互作用的库仑特征是它广泛起作用的主要理由。在有关生物大分子的文献中，常把这种相互作用称为芳香-芳香或苯环-苯环相互作用。估计这些相互作用的能量约为5～10kJ.mol－1。最近研究表明，芳香C…H相互作用表现明显的静电特征，这可解释为什么这些相互作用总是在大的平面碳氢化合物，蔻类化合物中出现，在这类化合物中堆积效应是非常重要的。在澳大利亚墨尔本大学的R.Robson发现当金属化合物中的氮原子与金属离子键合时就会形成低密度的晶体结构。意大利米兰大学的 A.Gavezott发现如果芳环中碳原子与氢原子的比值高，它们通常在晶体中形成分子叠层。在脂肪族化合物中，H…H相互作用占优势。当烷基链的长度大于五个碳原子时，在这类化合物中疏水作用是非常显著的。
氢键是一种非常重要的方向性相互作用力。在晶体工程中它显示愈来愈重要的作用。许多主体组装体是基于氢键相互作用，如HQ、尿素、硫尿等。这些氢键是(O,N)－H…(O,N)类型，其能量约为20～40kJ·mol－1，而较弱的氢键为C－H…C类型，其能量约为2～20kJ·mol－1[6]。
弱氢键，如C－H…O以及C－H…N以及与其相互补的O－H…C及N－H…C氢键。卤素原子间的相互作用，如(Cl，Br，I)…(Cl，Br， I)，(Cl，Br，I)…(N，O，S)及C－H…Cl以及硫原子间相互作用(S，Se)…(S，Se)等都是弱方向性力，它们在晶体学工程中是最难控制的。
C－H…(N，O)类相互作用在化学及生物体系中有重要作用[7]。这些相互作用的距离在300～400pm之间，角度通常集中于150～160度之间。从距离数据看出，它们大于普通的氢键，甚至大于范德华距离，它们的相互作用随距离的变化不如范德华作用变化迅速，而且具有弱方向性。因此尽管距离较大仍可以认为它们是弱的氢键。它们在晶体工程中起着重要的作用。C－H… (N，O)氢键非常广泛的存在于晶体结构中，但与其互补的氢键(N，O)－H…C却非常稀少，这可能是因为碳的电负性远不如氧。这种类型氢键的一个突出例子是π氢键。例如杯芳烃主-客配合物分子中的芳环与客体分子H2O形成O－H…C相互作用。通过剑桥晶体结构数据库检索，已经发现60～75个分子内及分子间存在(N，O)－H…C氢键。这种氢键不仅发生在晶态，而且也发生在液态。
某些异原子间的接触，例如O－H…O，N－H…O，C－H…O，Cl…Cl以及S…卤素间的相互作用，通常也倾向于形成倒反中心，螺旋轴及滑移面。特殊的分子间的相互作用是与某些对称元素相联系的。例如，两个通过氢键联系在一起的羧酸基团包括一个倒反中心。苯酚分子围绕一个螺旋轴21排列。这些异原子间相互作用倾向于某些对称元素，有利于晶体结构的密堆积而且只属于少数几个空间群。
我们必须强调，实际晶体结构是几种不同强度，方向性，距离依赖特征的相互作用的协同结果。研究分子间相互作用的协同作用是十分困难的任务，目前还只是一门艺术，还没有成为一门科学。
由于分子间相互作用在化学及生物体系中普遍存在，因此应该考虑这些相互作用的交互效应。一个强氢键及弱氢键相互作用的交互效应的晶体工程的例子是苯甲酸及4-(N,N-二甲基氨)苯甲酸。它的晶体结构示意图1。在这个结构中形成传统的O－H…O氢键及混合的羧酸二聚体，然而这些二聚体会进一步通过混合的C－H…O两聚体连接。
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图1在4-硝基苯甲酸及4-(N,N-二甲基氨)苯甲酸配合物晶体结构中
O－H…O以及C－H…O二聚连结方式
Fig.1O－H…O and C－H…O dimers in the crystal structure of the 1∶1 complex
4-(N,N-dimethylamino)benzoic acid-4-nitrobenzoic acid
范德华作用与氢键之间的交互作用是包合作用的基础。范德华作用的大小正比于分子的尺度，而氢键的强度正比于给体原子的酸性及受体原子的碱性。环糊精及杯芳烃包合客体分子是同范德华作用与氢键之间的交互作用有关。
分子组装形成稳定的三维结构是自识别及自聚集过程的范例。晶体是一个超分子，它具有聚集作用所赋于的新禀性，与孤立分子的性质是有区别的。了解晶体中分子或离子间的相互作用是认识固体聚集性质的基础。分子内的相互作用是原子间轨道重叠的结果，而分子间相互作用一般是非共价键相互作用，这两种类型的相互作用在晶体形成过程中是同时起作用的。它们间的交互作用也起着重要的作用。
2 晶体工程策略
晶体工程成功与否主要取决于正确的认识分子间相互作用及可行的合成策略。
一种构筑晶体的方法及途径是超分子连接块(Supramolecular Synthons)以及反向合成(Retrosynthesis)。我们可以追踪从开始材料到目标物质的合成思维过程定义一个连接块(Synthon)作为超分子的一个结构单元，通过已知或推测的合成方法把这些连结块组装成目标物质。虽然连接块比目标物质简单的多，但它包含目标结构的连接方法及结构特征。从目标物质通过解离化学连接得到连接块的过程称反向合成。它反映了晶体结构中密堆积，氢键及其他复杂相互作用的分析过程，也是对一个结构的逻辑分析过程。
图2列出了某些有代表性的超分子连接块，它反映了互补的功能团间的相互作用及空间安排，也是超分子反向合成的核心。超分子连接块的一个优点是它代表一种简化的了解晶体结构的方式。对于一个网状晶体结构，格点相应于一个分子，格点间的连接相应于一个超分子连接块。在晶体工程中这种方法的优点在于容易了解一个超分子结构，容易从超分子结构得到分子的连接方式，便于比较不同的结构。
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图2几种典型的超分子连结块
Fig.2 Some representative supramolecular synthons
1,3,5-三苯甲腈∶六甲基苯为1∶1的复合物(1)以及1,3,5-三硝基苯:三聚异氰酸三甲脂为1∶1的复合物(2)的晶体结构体现了上述一些观点。这两种结构都是层状具有交替的给予体分子及接受体分子。在(1)中三苯甲腈及(2)中的三聚氰酸三甲脂都是特别有兴趣的，因为分别通过C－ H…N以及C－H…O氢键可以从三角网(3)中“反向合成”推出它们的结构，如图3所示。在两个复合物中两种不同的层都有三重轴对称性，但在(1)中为满足最佳的π-π重叠1,3,5-三苯甲腈跟六甲基苯层间有平移错位，导致晶体丧失了结构的三重轴对称性，(1)的空间群位C2/c。在(2)中交替层间没有损失三重轴对称性，其空间群位P6，如图4所示。
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图3从网络结构(3)中“反向合成”推导出(1)及(2)
Fig.3 Retrosynthesis of network(3) leads to(1) and(2)
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图4(1)及(2)配合物的晶体结构
Fig.4 Crystal structure of complex(1) and(2)
a crystal of complex(1) losses global threefold symmetry b crystal of complex(2) without loss of threefold symmetry
晶体工程与有机合成的基本差别是有机合成是一步步的顺序合成而晶体工程分子是一步步自组装。在结晶过程中，不同分子的功能团间可以有数目众多的分子间相互作用模式，这些模式间是相互竞争的，实际上只有极少数几种识别模式是可以实际完成的。假设分子M含有F1，F2，F3，…，Fn个功能团。当一个分子接近另一个分子，在理论上有Fi-Fj种可能的组合。当二个甚至更多分子相互接近时，在原则上可以形成S1，S2，S3，…，Sn超分子连接体。其中某些超分子连接块的能量非常接近。某些相互作用的组合寓于S1，S2，S3，…，Sn中并排斥其他的组合，其结果是不需要对所有的识别模式进行采样，复杂的相互作用矩阵及超分子连接块可以迅速收敛到能量极小[8]。
晶体工程不仅要考虑设计特殊的结构，而且要考虑特殊的功能。最近人们设计合成了一种新类型的产生二次谐波(SHG)的活性物质，这种称为八极分子的物质具有显著的非线性光学行为。
对于主-客体系应具有如下的结构特征：
（i）主体分子应具有独立于客体分子性质不变的骨架。
（ii）对于一个给定的主体分子应该能够结合很宽范围的客体分子。
（iii）主体骨架在不改变主体基本结构特征的前提下应能够被裁剪。
一般的主体分子具有刚性的高位阻集团，可构成一定形状的空间。分子构象受到严格限制，可能形成不规则的分子外形，只有识别客体分子时才能完成紧密堆积。主体分子应局部存在强极性，易与客体分子发生以氢键为主的较强相互作用，这些相互作用有很强的方向性，具有专一性识别能力。
有机分子的一般趋势是在晶体中密堆积。对于杂原子有机晶体，不同类型的方向性相互作用是重要的。由于一些力的组合，使有些分子不能密堆积。但当第二个分子(客体分子)与其结合时，提高了堆积效应。由分子的对称性及分子间相互作用力的方向性所引起的对于堆积的不协调或矛盾，其结果是使主体骨架更加开放。
孤立分子的对称性在晶体中通常总是降低的。但对于低对称性分子晶体通常取螺旋轴或滑移面，因此不会降低对称性。而对于高对称性分子，为满足强方向性分子的相互作用力（如氢键）及弱方向性的相互作用通常不采取高对称堆积，宁肯采取较低的对称性。例如苯及六甲基苯分子本身具有六重轴对称性而其晶体堆积分别采取正交及三斜对称性。如果分子形状很独特则可能会引起堆积的困难。
Wether及其合作者报道的化合物(a)及(b)是解决分子堆积问题的有趣例子。分子(a)在晶体中能形成主-客复合物。而化合物(b)虽然分子结构同(a)类似却表现完全不同的堆积性质。它们在晶体中有两种不同的构象，其中一种空穴较窄，另一种空穴较宽，空穴较窄的(a)分子作为“客体”填充到另一个分子中形成单一组分的晶体[9,10]，如图5所示。
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图5 化合物(a)及(b)的分子结构
Fig.5 Molecular structure of compound(a) and compound(b)
在一些情况，能形成氢键的分子能形成高于分子对称性的超分子骨架。如尿素，硫脲等。从晶体工程观点，由于分子结构只能提供有关超分子结构的部分信息，因此这些晶体骨架是很难设计的。
3 金属有机晶体工程[11]
有机及金属有机体系的性质是非常类似的。金属有机体系可能更复杂一些，它还存在有机片段同金属离子间的键合作用，但这种键合作用对金属有机晶体的性质的影响目前很少了解，它涉及晶体中组元的取向，识别及自组装。因此要求发展一些方法及途径控制及预测分子晶体的成核及生长规律并在此基础上制备具有所希望性质的新材料。具有磁行为的不同价态的过渡金属离子与有机片段键合的特征可用于设计具有所要求结构与性质的新材料，如非线性光学、导电及磁性材料，多孔材料，低维固体材料及传感器等。氢键也可用于固定结构单元形成通道或空穴。
金属有机分子形成的固体与有机分子晶体相似，它们都不存在很强的静电相互作用，也不存在扩展的共价排列。
当金属有机分子具有较大柔性时，分子间相互作用及晶体堆积比多数的有机分子复杂。分子间相互作用决定分子势能面的能量极小区域的分布。分子内、外相互作用是同时在晶体中起作用，它们都决定晶体的结构及分子在晶体中的结构。如果分子的形状愈接近球形、盘状或椭圆状则分子片段在晶体中愈容易重新取向。图6 显示固态分子重新取向的势垒（通常是15～20kJ.mol－1）。对于金属有机晶体，因为有离域的配体-金属π键，分子间的势垒的贡献是小的，晶体堆积也同样依赖于重新取向片段的形状。孤立的异构体间的能量差别主要是由于分子内键能的差别引起的，这是结构柔性的另一特征。但是在固体中，这种能量差别可以由分子间的相互作用能所弥补。虽然这些分子内及分子间的相互作用能量的判别对于晶体工程是非常重要的，但实际上区别它们是非常困难的。利用一些理论计算方法如结合EHMO及堆积势能计算可以处理一些体系的内部能及分子间相互作用能[12,13]。
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图6 分子重新取向的势垒是分子形状的函数
Fig.6 Solid state reorientation barrier energy is a function of molecularshapes
在金属有机固体中存在几种不同的形式。如同样的中性分子形成的晶体（A-A体系），由阳离子及阴离子形成的体系（A＋-B－体系）及不同分子形成的共晶体系（A-B体系）。
Ru5C(CO)12(η6-C6H6)，Ru5C(CO)12(μ3-η2∶η2∶η2－C6H6)，Ru6C(CO)11(η6-C6H6)2以及Ru6C(CO)11(η6-C6H6)(μ3-η2∶η2∶η2-C6H6)形成二对异构体，它们在固态中都是稳定的，可以分离鉴定的。
含有同样组成及几何排列的分子形成不同的晶体称同质多晶现象。对于柔性的金属有机分子，配体的键形式的改变可以在熔融状态实现。通过相转变可以实现晶型的改变。等电子及等结构的不同晶体可以形成同样空间群即同晶化合物或者形成不同空间群即假同质多晶态。一个典型的例子是二茂铁。
Ru6C(CO)17的二种已知形式含有三种异构体，这些异构体是三羰基单元在含有桥配体的平面之上或之下的差别以及CO围绕分子赤道面以端尾、桥或半桥的形式。
金属有机阴离子或阳离子常是同大的有机配对离子形成晶体。离子电荷通常是小的(－1或－2，很少更高)，而且分配在大部分原子上。羰基族阴离子，配对离子的大小及形状决定阴离子聚集体。一个简单的规则是小的阳离子倾向于形成一维或二维聚集体。
分子形状的知识使分子自识别及自组装在配体或配体基团间的内交换的研究成为可能。一种称为堆积译码(Packingdecoding)的分析方法是基于分子形成时选择一个周围的邻居作为参考[14]。
晶体结构译码可以通过计算基于经验的原子-原子势的分子间相互作用能以及按分子对晶体总能量的贡献的大小排列顺序。图7示出单体二茂铁及正交十甲基二茂铁的比较。
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图7单体二茂铁a及正交十甲基二茂铁b的结构比较
Fig.7 Crystal structure comparison of monoclinic ferrocene (a) and permethylferrocene(b)
对于金属有机晶体工程，有几种方法使分子内，分子间相互作用达到自由能极小。例如:
（i）软分子可以形成不同的结晶形式。
（ii）通过改变配体形状及大小或金属原子的类型改变分子的电子结构，从而诱导结构变化。
（iii）通过不同分子的共晶可以诱导结构变化。
（iv）离子晶体有较大的“自由度”。同样的阴离子及阳离子在不同晶体环境可以得到不同的晶体。
4 晶体结构的预测[15]
晶体结构能否预测，一直是人们关注并有争议的问题。从理论上讲能量最低的结构应该是稳定的结构，但精确计算堆积能是极其困难的。通常可以考虑优化晶胞中z个独立分子的堆积能或者只考虑1个独立分子其他z-1个分子由假设的对称性联系在一起。前种方法有很多坐标参数，计算工作量极大。后一种方法必须考虑很大数目的空间群。
晶体结构的从头预测是从任意的晶格参数，分子取向及位置的初始模型开始的。使用晶体结构预测程序把这些孤立的分子聚集在一起产生晶胞及分子取向及位置。这个过程是由分子力场所控制，并经过优化至能量极小。通常的方法是放置z个分子在P1晶胞中。此时不对称单位中分子的数目z'=z。Brock及 Dunitz曾从31770个晶体结构中统计，表明平均z=3.85。对于立方晶胞平均z=6.7。因此一般对于P1初始晶胞可取z≤8。
空间群限制方法先假定一个空间群，空间群序号为N，可以考虑z等于N，仅仅一个分子的坐标是可变的。也可考虑z≤N或z≥N。很大数目可能的空间群会给计算带来困难，但可以加以限制。据统计90％的有机晶体只属于17个空间群。
国家自然科学基金重大项目（No.29992590-2）。
第一作者：徐筱杰，男，62岁，教授、博士生导师；研究方向：基于分子间相互作用的药物分子设计，有序高级结构分子聚集体的结构研究。
徐筱杰(北京大学化学与分子工程学院,北京100871)
唐有祺(北京大学化学与分子工程学院,北京100871)
参 考 文 献
[1] Desiraju G.R. The crystal as supramolecular entity, John Wiley and Sons, 1995.
[2] Desiraju G.R. Comprehensive supramolecular chemistry, 1996,vol 6,1.
[3] Hobza P., Zahradnik R. Intermolecular complex: The role of van der waals system in physical chemistry and in biodisplines, Elsevier: Amsterdam, 1988.
[4] Lehn J.M. Supramolecular chemistry, VCH, 1995.
[5] Scheiner S. Molecular Interactions, Wiley, 1997.
[6] Viswamitra M.A., Radhakrishman R. et al J. Am. Chem. Soc., 1993,115,4868.
[7] Jeffrey G.A., Saenger W. Hydrogen Bonding in biological structures, Spring:Berlin, 1991.
[8] Nangia A., Desiraju G.R. Acta Cryst., 1998,A54,934.
[9] Weber E., Csoregh I. et al J. Org. Chem., 1988,53,5831.
[10]Xsoregh I., Czugler M., Ertan A., Weber E. et al J. Incl. Phenom. Mol. Recognit. Chem., 1990,8,275.
[11]Braga D., Grepioni F. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1996,571.
[12]Braga D., Grepioni F. Organometallics, 1992,11,1256.
[13]Braga D., Grepioni F. Organometallics, 1991,10,1254.
[14]Braga D., Grepioni F. et al J. Chem. Soc., Dalton Trans., 1991,2559.
[15]Gao D., Williams D.E. Acta Cryst., 1999,A55,621.
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晶体工程及其在化学中的应用
徐筱杰 唐有祺
晶体工程是实现分子到材料的一条重要途径，化学家致力于晶体工程是为了更好了解分子间的相互作用以便设计新颖的固体材料及固体反应。
关键词：晶体工程 分子间相互作用 分子堆积
分类号：O614.3 O743
Crystal Engineering and its Application in Chemistry
XU Xiao-Jie TANG You-Qi
(College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871)
Crystal Engineering is an important approach from moecule to material. Crystal Engineering has been developed by chemists to better understand molecular interactions for the design of novel materials and solid-state reactions.
Keywords: crystal engineering molecular interaction molecular packing
0 前言
晶体学工程是分子工程学的一个重要组成部分，它涉及分子或化学基团在晶体中的行为、晶体的设计及结构与性能的控制，晶体结构预测，是实现从分子到材料的一条重要途径。结构化学家及晶体学家多年来致力于晶体工程是为了更好的了解分子间相互作用，以便设计新颖的材料及固体反应。
严格讲，分子晶体是一个无限大的超分子体系。分子晶体可以看成几百万个分子严格的周期性的自组装而形成宏观尺度的超分子整体[1]。根据晶体中晶胞的周期性排列，晶体学常常把这些无限大超分子体系缩减为一个有代表性的晶胞。因此固体超分子也是晶体学工程的一个重要组成部分。事实上，晶体学已经大大促进固体超分子乃至整个超分子科学的发展。这是由于晶体结构是可以通过X射线晶体学精确测定的，可以通过大量的晶体结构数据分析得到分子间的相互作用的规律，为超分子建筑打下坚实的基础。而溶液超分子体系的结构是难以精确测定的，因此固体结构可以作为溶液体系的一个模型。
分子科学家使用各种方法已经合成数以千万计的化合物，超分子化学家已经发展许多新的方法制备数目众多，千姿百态的超分子[2]。晶体工程则企图利用不同类型分子间相互作用的能量及几何性质，构筑具有所希望结构和性能的晶体。这些方法与技术形成了晶体工程新领域。晶体工程是由 GerhardM.J.Schemidc于六十年代最早提出的。它最早起源于光化学及反应的设计。近年来已取得许多进展。晶体工程的成功与否在于掌握分子间的相互作用及分子在晶体中的取向。但是，在晶体中并不存在理想的几何关系，这是由于晶体中分子的几何关系是许多类型分子间相互作用的平衡结果，因此统计分析已知的晶体结构对于研究分子间弱相
互作用是非常有用的。现代统计分析技术可以把晶体学“噪音”降到最小。随着剑桥晶体结构库收录结构数目的增长（目前已超过17万个晶体结构），人们已经可以不断完善、修正对分子间相互作用的认识，因此晶体结构设计也日趋完善。通过分子间相互作用的研究人们可以找到分子（或化学基团）结构及环境对晶体成核及生长以及对形成晶体结构与性质的影响。
1 分子间的相互作用
一个稳定的晶体结构相应于体系的自由能极小。可以通过优化分子间相互作用的方向性、强度、对距离依赖关系等性质降低体系的自由能，并使其达到极小。因此了解分子间的相互作用及识别是晶体工程的基础。
在分子晶体中，分子间相互作用力可以分为中程相互作用力及远程相互作用力。一般的中程相互作用在晶体堆积中起着非常重要的作用[3～5]，在晶体堆积的形状、尺寸、密堆积及特征取向等方面均显示各向同性的特点。在有机晶体中这种力是同C…C，C…H，H…H相互作用相联系的。长程相互作用力主要是静电力，是各向异性的；一般是异原子间的相互作用，即在N，O，S，Cl，Br，I（偶尔也包括F，P，Se）间或上述任何一种元素同碳或氢之间的相互作用。氢键就是其中一种常见的形式。另一种常见的例子是金属离子同O，N的结合，这种结合是非常专一的，可以实现对结构的控制。
最重要的中程相互作用力是范德华力，它也是主要的非方向性力，它是由色散力及交换-排斥力组成。范德华力在分子堆积中起重要作用。1973年苏联学者 AleksanderI.Kitaigoradsky提出了分子晶体设计中最重要的一个原则，分子倾向于以所占空间最小的方法堆积在一起（分子一般占据一个晶体的65％到77％的体积）。可以想象分子堆积过程是分子间几何形状互相匹配及相互作用力的匹配过程，即分子识别过程。1994年意大利学者 Gavezzott提出形状诱导识别的概念，即在识别过程分子构象会发生一定的变化。相同分子间的识别一般利用分子的不同部位，满足锁与钥匙的关系。在空间结构中出现倒反中心，螺旋轴及滑移面的频率比镜面及旋转轴大。在有机晶体中大约有56％的结构属于P158-1.gif (87 字节)，P21/c，C2/c及Pbca四种空间群。有机晶体主要由碳、氢原子组成，因此这些分子间相互作用是同C∶H比例有关。芳香脂肪烃更倾向于密堆积。如果某些环缺电子，则对堆积更有利[3]。
长程相互作用主要是静电相互作用及氢键。主要是异原子间的相互作用，是有方向性的。C60能与HQ形成密堆积配合物，是由于C60的高负电性质及HQ的给电子性质。Stouse及其合作者报导了近200个四芳香基卟啉化合物，紧密堆积的分子像波纹片那样堆积形成能容纳不同客体分子的平行通道。在芳香化合物中C…H相互作用可以更精确表示为C(δ－)…H(δ＋)。芳香C…H相互作用的库仑特征是它广泛起作用的主要理由。在有关生物大分子的文献中，常把这种相互作用称为芳香-芳香或苯环-苯环相互作用。估计这些相互作用的能量约为5～10kJ.mol－1。最近研究表明，芳香C…H相互作用表现明显的静电特征，这可解释为什么这些相互作用总是在大的平面碳氢化合物，蔻类化合物中出现，在这类化合物中堆积效应是非常重要的。在澳大利亚墨尔本大学的R.Robson发现当金属化合物中的氮原子与金属离子键合时就会形成低密度的晶体结构。意大利米兰大学的 A.Gavezott发现如果芳环中碳原子与氢原子的比值高，它们通常在晶体中形成分子叠层。在脂肪族化合物中，H…H相互作用占优势。当烷基链的长度大于五个碳原子时，在这类化合物中疏水作用是非常显著的。
氢键是一种非常重要的方向性相互作用力。在晶体工程中它显示愈来愈重要的作用。许多主体组装体是基于氢键相互作用，如HQ、尿素、硫尿等。这些氢键是(O,N)－H…(O,N)类型，其能量约为20～40kJ·mol－1，而较弱的氢键为C－H…C类型，其能量约为2～20kJ·mol－1[6]。
弱氢键，如C－H…O以及C－H…N以及与其相互补的O－H…C及N－H…C氢键。卤素原子间的相互作用，如(Cl，Br，I)…(Cl，Br， I)，(Cl，Br，I)…(N，O，S)及C－H…Cl以及硫原子间相互作用(S，Se)…(S，Se)等都是弱方向性力，它们在晶体学工程中是最难控制的。
C－H…(N，O)类相互作用在化学及生物体系中有重要作用[7]。这些相互作用的距离在300～400pm之间，角度通常集中于150～160度之间。从距离数据看出，它们大于普通的氢键，甚至大于范德华距离，它们的相互作用随距离的变化不如范德华作用变化迅速，而且具有弱方向性。因此尽管距离较大仍可以认为它们是弱的氢键。它们在晶体工程中起着重要的作用。C－H… (N，O)氢键非常广泛的存在于晶体结构中，但与其互补的氢键(N，O)－H…C却非常稀少，这可能是因为碳的电负性远不如氧。这种类型氢键的一个突出例子是π氢键。例如杯芳烃主-客配合物分子中的芳环与客体分子H2O形成O－H…C相互作用。通过剑桥晶体结构数据库检索，已经发现60～75个分子内及分子间存在(N，O)－H…C氢键。这种氢键不仅发生在晶态，而且也发生在液态。
某些异原子间的接触，例如O－H…O，N－H…O，C－H…O，Cl…Cl以及S…卤素间的相互作用，通常也倾向于形成倒反中心，螺旋轴及滑移面。特殊的分子间的相互作用是与某些对称元素相联系的。例如，两个通过氢键联系在一起的羧酸基团包括一个倒反中心。苯酚分子围绕一个螺旋轴21排列。这些异原子间相互作用倾向于某些对称元素，有利于晶体结构的密堆积而且只属于少数几个空间群。
我们必须强调，实际晶体结构是几种不同强度，方向性，距离依赖特征的相互作用的协同结果。研究分子间相互作用的协同作用是十分困难的任务，目前还只是一门艺术，还没有成为一门科学。
由于分子间相互作用在化学及生物体系中普遍存在，因此应该考虑这些相互作用的交互效应。一个强氢键及弱氢键相互作用的交互效应的晶体工程的例子是苯甲酸及4-(N,N-二甲基氨)苯甲酸。它的晶体结构示意图1。在这个结构中形成传统的O－H…O氢键及混合的羧酸二聚体，然而这些二聚体会进一步通过混合的C－H…O两聚体连接。
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图1在4-硝基苯甲酸及4-(N,N-二甲基氨)苯甲酸配合物晶体结构中
O－H…O以及C－H…O二聚连结方式
Fig.1O－H…O and C－H…O dimers in the crystal structure of the 1∶1 complex
4-(N,N-dimethylamino)benzoic acid-4-nitrobenzoic acid
范德华作用与氢键之间的交互作用是包合作用的基础。范德华作用的大小正比于分子的尺度，而氢键的强度正比于给体原子的酸性及受体原子的碱性。环糊精及杯芳烃包合客体分子是同范德华作用与氢键之间的交互作用有关。
分子组装形成稳定的三维结构是自识别及自聚集过程的范例。晶体是一个超分子，它具有聚集作用所赋于的新禀性，与孤立分子的性质是有区别的。了解晶体中分子或离子间的相互作用是认识固体聚集性质的基础。分子内的相互作用是原子间轨道重叠的结果，而分子间相互作用一般是非共价键相互作用，这两种类型的相互作用在晶体形成过程中是同时起作用的。它们间的交互作用也起着重要的作用。
2 晶体工程策略
晶体工程成功与否主要取决于正确的认识分子间相互作用及可行的合成策略。
一种构筑晶体的方法及途径是超分子连接块(Supramolecular Synthons)以及反向合成(Retrosynthesis)。我们可以追踪从开始材料到目标物质的合成思维过程定义一个连接块(Synthon)作为超分子的一个结构单元，通过已知或推测的合成方法把这些连结块组装成目标物质。虽然连接块比目标物质简单的多，但它包含目标结构的连接方法及结构特征。从目标物质通过解离化学连接得到连接块的过程称反向合成。它反映了晶体结构中密堆积，氢键及其他复杂相互作用的分析过程，也是对一个结构的逻辑分析过程。
图2列出了某些有代表性的超分子连接块，它反映了互补的功能团间的相互作用及空间安排，也是超分子反向合成的核心。超分子连接块的一个优点是它代表一种简化的了解晶体结构的方式。对于一个网状晶体结构，格点相应于一个分子，格点间的连接相应于一个超分子连接块。在晶体工程中这种方法的优点在于容易了解一个超分子结构，容易从超分子结构得到分子的连接方式，便于比较不同的结构。
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图2几种典型的超分子连结块
Fig.2 Some representative supramolecular synthons
1,3,5-三苯甲腈∶六甲基苯为1∶1的复合物(1)以及1,3,5-三硝基苯:三聚异氰酸三甲脂为1∶1的复合物(2)的晶体结构体现了上述一些观点。这两种结构都是层状具有交替的给予体分子及接受体分子。在(1)中三苯甲腈及(2)中的三聚氰酸三甲脂都是特别有兴趣的，因为分别通过C－ H…N以及C－H…O氢键可以从三角网(3)中“反向合成”推出它们的结构，如图3所示。在两个复合物中两种不同的层都有三重轴对称性，但在(1)中为满足最佳的π-π重叠1,3,5-三苯甲腈跟六甲基苯层间有平移错位，导致晶体丧失了结构的三重轴对称性，(1)的空间群位C2/c。在(2)中交替层间没有损失三重轴对称性，其空间群位P6，如图4所示。
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图3从网络结构(3)中“反向合成”推导出(1)及(2)
Fig.3 Retrosynthesis of network(3) leads to(1) and(2)
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图4(1)及(2)配合物的晶体结构
Fig.4 Crystal structure of complex(1) and(2)
a crystal of complex(1) losses global threefold symmetry b crystal of complex(2) without loss of threefold symmetry
晶体工程与有机合成的基本差别是有机合成是一步步的顺序合成而晶体工程分子是一步步自组装。在结晶过程中，不同分子的功能团间可以有数目众多的分子间相互作用模式，这些模式间是相互竞争的，实际上只有极少数几种识别模式是可以实际完成的。假设分子M含有F1，F2，F3，…，Fn个功能团。当一个分子接近另一个分子，在理论上有Fi-Fj种可能的组合。当二个甚至更多分子相互接近时，在原则上可以形成S1，S2，S3，…，Sn超分子连接体。其中某些超分子连接块的能量非常接近。某些相互作用的组合寓于S1，S2，S3，…，Sn中并排斥其他的组合，其结果是不需要对所有的识别模式进行采样，复杂的相互作用矩阵及超分子连接块可以迅速收敛到能量极小[8]。
晶体工程不仅要考虑设计特殊的结构，而且要考虑特殊的功能。最近人们设计合成了一种新类型的产生二次谐波(SHG)的活性物质，这种称为八极分子的物质具有显著的非线性光学行为。
对于主-客体系应具有如下的结构特征：
（i）主体分子应具有独立于客体分子性质不变的骨架。
（ii）对于一个给定的主体分子应该能够结合很宽范围的客体分子。
（iii）主体骨架在不改变主体基本结构特征的前提下应能够被裁剪。
一般的主体分子具有刚性的高位阻集团，可构成一定形状的空间。分子构象受到严格限制，可能形成不规则的分子外形，只有识别客体分子时才能完成紧密堆积。主体分子应局部存在强极性，易与客体分子发生以氢键为主的较强相互作用，这些相互作用有很强的方向性，具有专一性识别能力。
有机分子的一般趋势是在晶体中密堆积。对于杂原子有机晶体，不同类型的方向性相互作用是重要的。由于一些力的组合，使有些分子不能密堆积。但当第二个分子(客体分子)与其结合时，提高了堆积效应。由分子的对称性及分子间相互作用力的方向性所引起的对于堆积的不协调或矛盾，其结果是使主体骨架更加开放。
孤立分子的对称性在晶体中通常总是降低的。但对于低对称性分子晶体通常取螺旋轴或滑移面，因此不会降低对称性。而对于高对称性分子，为满足强方向性分子的相互作用力（如氢键）及弱方向性的相互作用通常不采取高对称堆积，宁肯采取较低的对称性。例如苯及六甲基苯分子本身具有六重轴对称性而其晶体堆积分别采取正交及三斜对称性。如果分子形状很独特则可能会引起堆积的困难。
Wether及其合作者报道的化合物(a)及(b)是解决分子堆积问题的有趣例子。分子(a)在晶体中能形成主-客复合物。而化合物(b)虽然分子结构同(a)类似却表现完全不同的堆积性质。它们在晶体中有两种不同的构象，其中一种空穴较窄，另一种空穴较宽，空穴较窄的(a)分子作为“客体”填充到另一个分子中形成单一组分的晶体[9,10]，如图5所示。
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图5 化合物(a)及(b)的分子结构
Fig.5 Molecular structure of compound(a) and compound(b)
在一些情况，能形成氢键的分子能形成高于分子对称性的超分子骨架。如尿素，硫脲等。从晶体工程观点，由于分子结构只能提供有关超分子结构的部分信息，因此这些晶体骨架是很难设计的。
3 金属有机晶体工程[11]
有机及金属有机体系的性质是非常类似的。金属有机体系可能更复杂一些，它还存在有机片段同金属离子间的键合作用，但这种键合作用对金属有机晶体的性质的影响目前很少了解，它涉及晶体中组元的取向，识别及自组装。因此要求发展一些方法及途径控制及预测分子晶体的成核及生长规律并在此基础上制备具有所希望性质的新材料。具有磁行为的不同价态的过渡金属离子与有机片段键合的特征可用于设计具有所要求结构与性质的新材料，如非线性光学、导电及磁性材料，多孔材料，低维固体材料及传感器等。氢键也可用于固定结构单元形成通道或空穴。
金属有机分子形成的固体与有机分子晶体相似，它们都不存在很强的静电相互作用，也不存在扩展的共价排列。
当金属有机分子具有较大柔性时，分子间相互作用及晶体堆积比多数的有机分子复杂。分子间相互作用决定分子势能面的能量极小区域的分布。分子内、外相互作用是同时在晶体中起作用，它们都决定晶体的结构及分子在晶体中的结构。如果分子的形状愈接近球形、盘状或椭圆状则分子片段在晶体中愈容易重新取向。图6 显示固态分子重新取向的势垒（通常是15～20kJ.mol－1）。对于金属有机晶体，因为有离域的配体-金属π键，分子间的势垒的贡献是小的，晶体堆积也同样依赖于重新取向片段的形状。孤立的异构体间的能量差别主要是由于分子内键能的差别引起的，这是结构柔性的另一特征。但是在固体中，这种能量差别可以由分子间的相互作用能所弥补。虽然这些分子内及分子间的相互作用能量的判别对于晶体工程是非常重要的，但实际上区别它们是非常困难的。利用一些理论计算方法如结合EHMO及堆积势能计算可以处理一些体系的内部能及分子间相互作用能[12,13]。
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图6 分子重新取向的势垒是分子形状的函数
Fig.6 Solid state reorientation barrier energy is a function of molecularshapes
在金属有机固体中存在几种不同的形式。如同样的中性分子形成的晶体（A-A体系），由阳离子及阴离子形成的体系（A＋-B－体系）及不同分子形成的共晶体系（A-B体系）。
Ru5C(CO)12(η6-C6H6)，Ru5C(CO)12(μ3-η2∶η2∶η2－C6H6)，Ru6C(CO)11(η6-C6H6)2以及Ru6C(CO)11(η6-C6H6)(μ3-η2∶η2∶η2-C6H6)形成二对异构体，它们在固态中都是稳定的，可以分离鉴定的。
含有同样组成及几何排列的分子形成不同的晶体称同质多晶现象。对于柔性的金属有机分子，配体的键形式的改变可以在熔融状态实现。通过相转变可以实现晶型的改变。等电子及等结构的不同晶体可以形成同样空间群即同晶化合物或者形成不同空间群即假同质多晶态。一个典型的例子是二茂铁。
Ru6C(CO)17的二种已知形式含有三种异构体，这些异构体是三羰基单元在含有桥配体的平面之上或之下的差别以及CO围绕分子赤道面以端尾、桥或半桥的形式。
金属有机阴离子或阳离子常是同大的有机配对离子形成晶体。离子电荷通常是小的(－1或－2，很少更高)，而且分配在大部分原子上。羰基族阴离子，配对离子的大小及形状决定阴离子聚集体。一个简单的规则是小的阳离子倾向于形成一维或二维聚集体。
分子形状的知识使分子自识别及自组装在配体或配体基团间的内交换的研究成为可能。一种称为堆积译码(Packingdecoding)的分析方法是基于分子形成时选择一个周围的邻居作为参考[14]。
晶体结构译码可以通过计算基于经验的原子-原子势的分子间相互作用能以及按分子对晶体总能量的贡献的大小排列顺序。图7示出单体二茂铁及正交十甲基二茂铁的比较。
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图7单体二茂铁a及正交十甲基二茂铁b的结构比较
Fig.7 Crystal structure comparison of monoclinic ferrocene (a) and permethylferrocene(b)
对于金属有机晶体工程，有几种方法使分子内，分子间相互作用达到自由能极小。例如:
（i）软分子可以形成不同的结晶形式。
（ii）通过改变配体形状及大小或金属原子的类型改变分子的电子结构，从而诱导结构变化。
（iii）通过不同分子的共晶可以诱导结构变化。
（iv）离子晶体有较大的“自由度”。同样的阴离子及阳离子在不同晶体环境可以得到不同的晶体。
4 晶体结构的预测[15]
晶体结构能否预测，一直是人们关注并有争议的问题。从理论上讲能量最低的结构应该是稳定的结构，但精确计算堆积能是极其困难的。通常可以考虑优化晶胞中z个独立分子的堆积能或者只考虑1个独立分子其他z-1个分子由假设的对称性联系在一起。前种方法有很多坐标参数，计算工作量极大。后一种方法必须考虑很大数目的空间群。
晶体结构的从头预测是从任意的晶格参数，分子取向及位置的初始模型开始的。使用晶体结构预测程序把这些孤立的分子聚集在一起产生晶胞及分子取向及位置。这个过程是由分子力场所控制，并经过优化至能量极小。通常的方法是放置z个分子在P1晶胞中。此时不对称单位中分子的数目z'=z。Brock及 Dunitz曾从31770个晶体结构中统计，表明平均z=3.85。对于立方晶胞平均z=6.7。因此一般对于P1初始晶胞可取z≤8。
空间群限制方法先假定一个空间群，空间群序号为N，可以考虑z等于N，仅仅一个分子的坐标是可变的。也可考虑z≤N或z≥N。很大数目可能的空间群会给计算带来困难，但可以加以限制。据统计90％的有机晶体只属于17个空间群。
国家自然科学基金重大项目（No.29992590-2）。
第一作者：徐筱杰，男，62岁，教授、博士生导师；研究方向：基于分子间相互作用的药物分子设计，有序高级结构分子聚集体的结构研究。
徐筱杰(北京大学化学与分子工程学院,北京100871)
唐有祺(北京大学化学与分子工程学院,北京100871)
参 考 文 献
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[15]Gao D., Williams D.E. Acta Cryst., 1999,A55,621.
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粉末表面涂层陶瓷的硬质合金刀具材料www.tool-tool.com
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1 引言
陶瓷刀具以其卓越的高温性能、硬度及耐磨性得到了人们的普遍重视。但是，陶瓷材料的强度和韧性低，在许多加工条件下易于因破损而失效，这大大限制了它的应用范围，尤其是在自动加工领域，陶瓷刀具由于可靠性太差，很少在自动化加工设备中使用，尽管陶瓷材料可以通过一些增韧和补强的方法如颗粒增韧、相变增韧和晶须增韧等来提高其强度和断裂韧性，但提高的幅度十分有限。七十年代出现了陶瓷涂层刀具，它结合了陶瓷材料和硬质合金材料的优点，在拥有与硬质合金材料相近的强韧性能的同时，耐磨性大大提高，能达到未加涂层刀具的几倍到十几倍，并且使加工效率显著提高，从而成为刀具材料的一个重要研究方向，在现代制造业尤其是在自动化加工中得到了广泛应用和迅速的发展。目前刀具的涂层方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主，这两种方法在生产实践中己日渐成熟，但仍存在一些问题，比较突出的是目前应用的涂层刀具只是刀片表面涂层，而且涂层与基体间的界面结合强度低，涂层易剥落，这样就使涂层不可能做得太厚，因此在使用中涂层的使用寿命不会太长，一旦涂层被磨掉，刀具就会迅速磨损，这种情况使进一步提高涂层刀具寿命变得十分困难，另外涂层刀片基本上不具备重磨性，这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。
本研究提出了在硬质合金粉末表面涂层Al2O3陶瓷制备刀具材料的新方法，成功地将溶胶—凝胶法引人刀具材料的制备过程。溶胶—凝胶法作为一种湿化学合成方法，具有设备简单、工艺易于控制、制品纯度和均匀度高等优点，近几年被广泛用于制作超导材料、光电材料、铁电材料、光导纤维，光盘介质、纳米级陶瓷粉末及陶瓷薄膜、晶须和各种复合材料。由于溶胶中胶粒尺寸很小(纳米级)，具有很大的比表面能和强烈的吸附趋势，有可能形成结构致密、与基体结合牢固的陶瓷涂层。这种方法变传统的宏观涂层为微观涂层，突破了原有的刀具涂层的局限，是对探索制作涂层刀具新方法的一种有益尝试。
2 实验
选取异丙醇铝[Al(C3H7O)3](北京化学试剂总厂，分析纯)为前驱物。以去离子水(自制)作为溶剂，用硝酸[HNO3](山东省化工研究院)作为胶溶剂，将上述原料按Al(C3H7O)3:H2):HNO3=1:(60～300):(0.07～0.88)的比例混合均匀，水浴恒温85℃，并施以强力搅拌，48h后即获得均一稳定的勃姆石溶胶。
选用含有WC和TiC的硬质合金粉末作为基体材料．首先将基体粉末球磨100h，再将球磨过的粉末在丙酮中进行超声波清洗，然后在稀酸中浸泡处理，处理后的粉末用去离子水清洗干净，加入到乙醇和水的混合溶液中，并施以强力搅拌和超声波振荡，令其分散均匀；此时加入勃姆石溶胶，保持搅拌，使粉末表面均匀地涂覆上一层胶体；然后静置一段时间，待分层后，经抽滤、干燥得到涂层粉末，将涂层粉末在900～1200℃的温度下进行预烧结，以使涂层充分转化为Al2O3陶瓷。
涂层后的粉末再加入微量粘结金属球磨混合均匀，干燥过筛，将混和料装入f42mm的石墨模具，热压烧结，烧结温度范围1450～1850℃，保温10～30min，压力15～40MPa。
将热压制成的圆片切割成截面为3mmx4mm的试样条，经精磨、抛光后用三点弯曲法测量试样的抗弯强度，跨距30mm ，加载速度0.5mm/min；用压痕法测量试样的硬度和断裂韧性，使用维氏压头，载荷200N ；用Hitachi S-570型扫描电子显微镜(SEM )分别观察涂层粉末和试样断口的形貌，用JEM-1000型高压透射电子显微镜(TEM)观察了粉末涂层的形态。
切削实验使用的机床是C620-1普通车床改装的无级变速车床；工件为T10A工具钢(硬度为55～61HRC)；刀具材料分别是FTC1、 FTC2(以上为粉末涂层材料)、LT55(陶瓷刀具，自制)、YT15 硬质合金和YB01氧化铝一碳化钛复合涂层硬质合金刀片(以上为株州硬质合金厂产品)；刀具的儿何角度分别为Kr=7°、g0=-5°、ls=-5°、b0=90°、er=90°。干式切削。
3 结果和讨论
1. 涂层粉末的形貌和结构
湿化学法涂层可以通过不同材料之间的物理吸附或化学键合来实现。就实验中所使用的碳化物粉末而言，其粒度为微米级，颗粒表面缺陷多，比表面积大，活性高．通过扫描电子显微镜观察(图1(a))可以看到，粉末颗粒表面圆滑，无棱角，相互间形成大量团聚结构。粉末经稀酸浸溃处理之后，颗粒表面的氧化物被清除掉，在表层形成了大量的悬空键。为了达到具有较低能量的稳定状态，粉末表面的悬空键会吸附水分而形成W-HO(以WC为例)的结构。
(a)
(b)
图1 WC粉末颗粒的TEM照片
(a)
(b)
图2 涂层TiC粉末的表面形态
在勃姆石溶胶中，胶粒的尺寸为纳米级，具有极大的比表面积，其吸附能力更强，只是由于胶粒吸附了带有同种电荷的离子而相互排斥才形成了均一稳定的悬浮体系。当粉末与溶胶混合时，粉末的介入破坏了胶粒的离子氛，并且粉末与胶粒的尺寸相差很大，所以胶粒很容易吸附在粉末的表面。这时，胶粒中的Al-OR(R为异丙醇基)和Al-OH会与W-OH通过氢键结合在一起，形成强烈的吸附层。随后，涂层中部分水解的醇化物与基体表面的-OH发生缩合反应形成Al-O-W的化学键结构。干燥后的涂层粉末经过长时间球磨后，涂层并未脱落，这说明涂层与基体的结合相当牢固，两者之间主要是以化学键形式，而不是以物理吸附方式结合的。这种键结合形式能使涂层和粉末之间具有较高的结合强度，从而在烧结后仍能基本保持涂层的完整性，并且在涂层和基体颗粒之间形成良好的界面。图1(b) 是经烧结后的涂层粉末。可以看出，与图1(a)相比，由于已经形成了一层陶瓷涂层，粉末的表面形态发生了很大变化，涂层很薄，厚度并不均匀，涂层颗粒比未涂层颗粒表面略显粗糙，但涂层相当完整，没有裂纹或剥落的情况。
图2是TiC粉末涂层在预烧结前后的TEM照片。预烧结前(图2(a)) 涂层为非晶态的勃母石，结构较为散乱松弛，表面起伏不平，尚带有明显的胶粒粘连形态的痕迹，并且涂层相对较厚，涂层颗粒间的粘结十分严重。另外从图2 (a)中也能看到一些散落的涂层物质，是在粉末的分散过程中形成的，但同时涂层仍然保持得较为完整。烧结后(图2(b))的涂层变薄(箭头指处是较为明显的涂层)，表面和界面更为整齐和清晰，结构也显得更为致密，涂层和粉末表面的结合也比较好，界面没有可见的缝隙和孔洞，但是涂层和粉末的粘结强度明显下降，在分散的过程中，部分表面的涂层已经脱落，涂层粉末颗粒之间的粘结也同时减弱了。图中两个颗粒的涂层只有一小部分粘在一起。
2. 材料的力学性能
在实验中：基体材料的选择对涂层粉末材料的性能具有重要的影响．以YT14、 YW1和YG6硬质合金为粉末基体烧制成的材料分别标记为FYT 、FYW和FYG)内部存在许多微裂纹，力学性能比较差，很难磨成抗弯强度试样。在充分考虑材料的物理匹配和化学相容性的基础上，对基体粉末中碳化物的比例进行了调整，得到了两种分别以TiC 和(WC , TiC)为主要成分的粉末基体，由此制成的两种涂层粉末材料FTC1和FTC2则表现出良好的力学性能．几种涂层粉末硬质合金材料的力学性能在表1中分别列出，两种自制的氧化铝基的陶瓷刀具材料的性能也同时列出进行比较。
两种涂层粉末材料的硬度比一般硬质合金要高得多，而强度则略低一些，其中FTC2的抗弯强度最高达1100MPa，已经接近YT15硬质合金的水平．FTC1和FTC2的性能与两种陶瓷刀具材料LT55和SG4相似， PTC1和SG4同样具有较高的硬度，但FTC1的强度要比SG4平均高50MPa，FTC2则与LT55的硬度接近，其平均扰弯强度比LT55高约 80MPa。另外，FTC1和FTC2的断裂韧性都比LT 55和SG4明显要高一些。
表1 几种粉末涂层材料的力学性能 材料 硬度
HV
GPa 屈服强度
sbb
MPa 冲击韧性
KICMPa·m½ 能否
用于
刀具
FYT 140 - 7.5 否
FYW 17.5～18.5 - 6.7～7.2 否
FYG 15.5 - 5.5 否
FTC1 18.5～23.0 800～1000 5.8～7.4 可
FTC2 18.0～20.3 860～1100 5.0～5.9 可
LT55 21.0 900 5.0 可
SG4 21.5 850 4.9 可
在复合材料的烧结过程中，当碳化物粉末中含有杂质时，杂质离子由于尺寸或电价上的差异，更倾向于在晶界富集，对晶界的运动产生一定的牵制作用，即所谓的杂质牵制效应。当碳化物粉末被包覆上一层Al2O3时，Al2O3涂层对碳化物晶界的移动产生阻碍作用，碳化物晶界要向前运动，必须克服Al2O3涂层所造成的阻力，而Al2O3的晶界要向前运动时，碳化物顾粒又起到了钉扎的作用。这种相互牵制的结果，细化了材料的晶粒，由于脆性材料的破坏以沿晶断裂为主。当裂纹沿着晶界扩展时，材料的晶粒越细，裂纹的扩展路径就越曲折，扩展的路程也就越长，因此就能消耗更多的断裂能量。另外，一般材料的初始裂纹尺寸与晶粒尺寸相当，所以晶粒越细，初始裂纹的尺寸也就越小，综合两方面的效果，因为涂层滞缓了晶粒在烧结过程中的长大，所以只要粉末的初始尺寸小，就能得到具有较高强度和断裂韧性的细晶粒材料(图2) ．在这种涂层粉末材料中，理想的状态是Al2O3 将碳化物完全包覆，颗粒间的烧结行为只发生在Al2O3/Al2O3及Al2O3/金属之间，而碳化物颗粒并不相互接触，而是被Al2O3均匀地分隔开，这种近似于单一材料烧结的情况更有助于形成高致密度的结构，当然实际情况要相差很多，仍然是一种复合材料烧结的情况。但是从另一个角度看，即把Al2O3作为一种添加剂，由于它是以液相浸涂的形式引入的，所以其在基体材料中分布更为均匀，而且涂层粉末未经过预烧结，Al2O3和碳化物之间的界面具有更高的强度。界面强度的提高，会大大增加材料破坏时穿晶裂纹的数量。图3中FTC1材料的断口有清晰的解理台阶，部分晶粒断面处有滑移纹，明显具有穿晶断裂的特征。大量穿晶断裂的形成，消耗了裂纹扩展的能量，提高了材料的强度和断裂韧性。
图3 FTC1试样断口形貌
图4 v=75m/min切削淬硬T10工具钢时后刀面的磨损情况
图5 v=75m/min切削淬硬T10工具钢时后刀面的磨损情况
3. 切削效果
为了检验新型刀具材料的效果，分别与普通硬质合金刀具、陶瓷刀具和CVD法Al2O3陶瓷涂层刀具进行了对比实验。图4是刀具FTC1、LT55和YT15在v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.15mm 的切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面磨损情况。由图可以看出，在这样的条件下，由于工件材料较硬，当切削长度为530m时，YT15后刀具磨损已达到0.58mm，不能继续切削，而LT55和FTC1切削长度为2650m后，后刀面磨损才约0.3mm，两者的磨损情况相似，FTC1的磨损比 LT55还要轻微一些。
图5是YB01、FTC1和FTC2在v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.15mm 的切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面磨损情况。可见在切削淬硬材料时，由于FTC1和FTC2涂层较薄，所以在初期磨损阶段磨损量要比YB01 大，但是粉末涂层材料在进入正常磨损阶段后，磨损均匀稳定，而YB01的正常磨损阶段则比较短，在切削长度达到520m后，就进入急剧磨损阶段，这主要是因为刀片的硬质合金涂层此时已基本被磨掉，功效也大大降低。另外，YB01在切削过程中前刀面有贝壳状剥落，可能是由于在切削力较大较大时，涂层被挤裂失败，从而降低了涂层的效能。而FTC1和FTC2在切削速度较低时，一般不发生破损。在YB01后刀面磨损达到0.3mm后，由于切削时涂层不再起作用。刀尖变钝，切削中的振动加剧，加工表面也变得十分粗糙，几乎不能再进行切削。这样看来，新型涂层刀具的使用寿命至少要比YB01提高一倍。
4 结论
利用溶胶—凝胶法在碳化物粉末表面涂覆了一薄层Al2O3，涂层与基体之间主要是以化学键形式结合；使用这种复合粉末烧结成的刀具材料晶粒细小均匀，具有很高的硬度和较高的强度，其断裂形式以沿晶断裂为主，同时存在相当数量的穿晶断裂；这种刀具材料在切削淬硬材料时，切削性能与陶瓷刀具相近，明显优于普通硬质合金刀具和A12O3涂层刀具。表现出良好的综合性能，是一种具有很大发展潜力的新型刀具材料。
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1 引言
陶瓷刀具以其卓越的高温性能、硬度及耐磨性得到了人们的普遍重视。但是，陶瓷材料的强度和韧性低，在许多加工条件下易于因破损而失效，这大大限制了它的应用范围，尤其是在自动加工领域，陶瓷刀具由于可靠性太差，很少在自动化加工设备中使用，尽管陶瓷材料可以通过一些增韧和补强的方法如颗粒增韧、相变增韧和晶须增韧等来提高其强度和断裂韧性，但提高的幅度十分有限。七十年代出现了陶瓷涂层刀具，它结合了陶瓷材料和硬质合金材料的优点，在拥有与硬质合金材料相近的强韧性能的同时，耐磨性大大提高，能达到未加涂层刀具的几倍到十几倍，并且使加工效率显著提高，从而成为刀具材料的一个重要研究方向，在现代制造业尤其是在自动化加工中得到了广泛应用和迅速的发展。目前刀具的涂层方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主，这两种方法在生产实践中己日渐成熟，但仍存在一些问题，比较突出的是目前应用的涂层刀具只是刀片表面涂层，而且涂层与基体间的界面结合强度低，涂层易剥落，这样就使涂层不可能做得太厚，因此在使用中涂层的使用寿命不会太长，一旦涂层被磨掉，刀具就会迅速磨损，这种情况使进一步提高涂层刀具寿命变得十分困难，另外涂层刀片基本上不具备重磨性，这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。
本研究提出了在硬质合金粉末表面涂层Al2O3陶瓷制备刀具材料的新方法，成功地将溶胶—凝胶法引人刀具材料的制备过程。溶胶—凝胶法作为一种湿化学合成方法，具有设备简单、工艺易于控制、制品纯度和均匀度高等优点，近几年被广泛用于制作超导材料、光电材料、铁电材料、光导纤维，光盘介质、纳米级陶瓷粉末及陶瓷薄膜、晶须和各种复合材料。由于溶胶中胶粒尺寸很小(纳米级)，具有很大的比表面能和强烈的吸附趋势，有可能形成结构致密、与基体结合牢固的陶瓷涂层。这种方法变传统的宏观涂层为微观涂层，突破了原有的刀具涂层的局限，是对探索制作涂层刀具新方法的一种有益尝试。
2 实验
选取异丙醇铝[Al(C3H7O)3](北京化学试剂总厂，分析纯)为前驱物。以去离子水(自制)作为溶剂，用硝酸[HNO3](山东省化工研究院)作为胶溶剂，将上述原料按Al(C3H7O)3:H2):HNO3=1:(60～300):(0.07～0.88)的比例混合均匀，水浴恒温85℃，并施以强力搅拌，48h后即获得均一稳定的勃姆石溶胶。
选用含有WC和TiC的硬质合金粉末作为基体材料．首先将基体粉末球磨100h，再将球磨过的粉末在丙酮中进行超声波清洗，然后在稀酸中浸泡处理，处理后的粉末用去离子水清洗干净，加入到乙醇和水的混合溶液中，并施以强力搅拌和超声波振荡，令其分散均匀；此时加入勃姆石溶胶，保持搅拌，使粉末表面均匀地涂覆上一层胶体；然后静置一段时间，待分层后，经抽滤、干燥得到涂层粉末，将涂层粉末在900～1200℃的温度下进行预烧结，以使涂层充分转化为Al2O3陶瓷。
涂层后的粉末再加入微量粘结金属球磨混合均匀，干燥过筛，将混和料装入f42mm的石墨模具，热压烧结，烧结温度范围1450～1850℃，保温10～30min，压力15～40MPa。
将热压制成的圆片切割成截面为3mmx4mm的试样条，经精磨、抛光后用三点弯曲法测量试样的抗弯强度，跨距30mm ，加载速度0.5mm/min；用压痕法测量试样的硬度和断裂韧性，使用维氏压头，载荷200N ；用Hitachi S-570型扫描电子显微镜(SEM )分别观察涂层粉末和试样断口的形貌，用JEM-1000型高压透射电子显微镜(TEM)观察了粉末涂层的形态。
切削实验使用的机床是C620-1普通车床改装的无级变速车床；工件为T10A工具钢(硬度为55～61HRC)；刀具材料分别是FTC1、 FTC2(以上为粉末涂层材料)、LT55(陶瓷刀具，自制)、YT15 硬质合金和YB01氧化铝一碳化钛复合涂层硬质合金刀片(以上为株州硬质合金厂产品)；刀具的儿何角度分别为Kr=7°、g0=-5°、ls=-5°、b0=90°、er=90°。干式切削。
3 结果和讨论
1. 涂层粉末的形貌和结构
湿化学法涂层可以通过不同材料之间的物理吸附或化学键合来实现。就实验中所使用的碳化物粉末而言，其粒度为微米级，颗粒表面缺陷多，比表面积大，活性高．通过扫描电子显微镜观察(图1(a))可以看到，粉末颗粒表面圆滑，无棱角，相互间形成大量团聚结构。粉末经稀酸浸溃处理之后，颗粒表面的氧化物被清除掉，在表层形成了大量的悬空键。为了达到具有较低能量的稳定状态，粉末表面的悬空键会吸附水分而形成W-HO(以WC为例)的结构。
(a)
(b)
图1 WC粉末颗粒的TEM照片
(a)
(b)
图2 涂层TiC粉末的表面形态
在勃姆石溶胶中，胶粒的尺寸为纳米级，具有极大的比表面积，其吸附能力更强，只是由于胶粒吸附了带有同种电荷的离子而相互排斥才形成了均一稳定的悬浮体系。当粉末与溶胶混合时，粉末的介入破坏了胶粒的离子氛，并且粉末与胶粒的尺寸相差很大，所以胶粒很容易吸附在粉末的表面。这时，胶粒中的Al-OR(R为异丙醇基)和Al-OH会与W-OH通过氢键结合在一起，形成强烈的吸附层。随后，涂层中部分水解的醇化物与基体表面的-OH发生缩合反应形成Al-O-W的化学键结构。干燥后的涂层粉末经过长时间球磨后，涂层并未脱落，这说明涂层与基体的结合相当牢固，两者之间主要是以化学键形式，而不是以物理吸附方式结合的。这种键结合形式能使涂层和粉末之间具有较高的结合强度，从而在烧结后仍能基本保持涂层的完整性，并且在涂层和基体颗粒之间形成良好的界面。图1(b) 是经烧结后的涂层粉末。可以看出，与图1(a)相比，由于已经形成了一层陶瓷涂层，粉末的表面形态发生了很大变化，涂层很薄，厚度并不均匀，涂层颗粒比未涂层颗粒表面略显粗糙，但涂层相当完整，没有裂纹或剥落的情况。
图2是TiC粉末涂层在预烧结前后的TEM照片。预烧结前(图2(a)) 涂层为非晶态的勃母石，结构较为散乱松弛，表面起伏不平，尚带有明显的胶粒粘连形态的痕迹，并且涂层相对较厚，涂层颗粒间的粘结十分严重。另外从图2 (a)中也能看到一些散落的涂层物质，是在粉末的分散过程中形成的，但同时涂层仍然保持得较为完整。烧结后(图2(b))的涂层变薄(箭头指处是较为明显的涂层)，表面和界面更为整齐和清晰，结构也显得更为致密，涂层和粉末表面的结合也比较好，界面没有可见的缝隙和孔洞，但是涂层和粉末的粘结强度明显下降，在分散的过程中，部分表面的涂层已经脱落，涂层粉末颗粒之间的粘结也同时减弱了。图中两个颗粒的涂层只有一小部分粘在一起。
2. 材料的力学性能
在实验中：基体材料的选择对涂层粉末材料的性能具有重要的影响．以YT14、 YW1和YG6硬质合金为粉末基体烧制成的材料分别标记为FYT 、FYW和FYG)内部存在许多微裂纹，力学性能比较差，很难磨成抗弯强度试样。在充分考虑材料的物理匹配和化学相容性的基础上，对基体粉末中碳化物的比例进行了调整，得到了两种分别以TiC 和(WC , TiC)为主要成分的粉末基体，由此制成的两种涂层粉末材料FTC1和FTC2则表现出良好的力学性能．几种涂层粉末硬质合金材料的力学性能在表1中分别列出，两种自制的氧化铝基的陶瓷刀具材料的性能也同时列出进行比较。
两种涂层粉末材料的硬度比一般硬质合金要高得多，而强度则略低一些，其中FTC2的抗弯强度最高达1100MPa，已经接近YT15硬质合金的水平．FTC1和FTC2的性能与两种陶瓷刀具材料LT55和SG4相似， PTC1和SG4同样具有较高的硬度，但FTC1的强度要比SG4平均高50MPa，FTC2则与LT55的硬度接近，其平均扰弯强度比LT55高约 80MPa。另外，FTC1和FTC2的断裂韧性都比LT 55和SG4明显要高一些。
表1 几种粉末涂层材料的力学性能 材料 硬度
HV
GPa 屈服强度
sbb
MPa 冲击韧性
KICMPa·m½ 能否
用于
刀具
FYT 140 - 7.5 否
FYW 17.5～18.5 - 6.7～7.2 否
FYG 15.5 - 5.5 否
FTC1 18.5～23.0 800～1000 5.8～7.4 可
FTC2 18.0～20.3 860～1100 5.0～5.9 可
LT55 21.0 900 5.0 可
SG4 21.5 850 4.9 可
在复合材料的烧结过程中，当碳化物粉末中含有杂质时，杂质离子由于尺寸或电价上的差异，更倾向于在晶界富集，对晶界的运动产生一定的牵制作用，即所谓的杂质牵制效应。当碳化物粉末被包覆上一层Al2O3时，Al2O3涂层对碳化物晶界的移动产生阻碍作用，碳化物晶界要向前运动，必须克服Al2O3涂层所造成的阻力，而Al2O3的晶界要向前运动时，碳化物顾粒又起到了钉扎的作用。这种相互牵制的结果，细化了材料的晶粒，由于脆性材料的破坏以沿晶断裂为主。当裂纹沿着晶界扩展时，材料的晶粒越细，裂纹的扩展路径就越曲折，扩展的路程也就越长，因此就能消耗更多的断裂能量。另外，一般材料的初始裂纹尺寸与晶粒尺寸相当，所以晶粒越细，初始裂纹的尺寸也就越小，综合两方面的效果，因为涂层滞缓了晶粒在烧结过程中的长大，所以只要粉末的初始尺寸小，就能得到具有较高强度和断裂韧性的细晶粒材料(图2) ．在这种涂层粉末材料中，理想的状态是Al2O3 将碳化物完全包覆，颗粒间的烧结行为只发生在Al2O3/Al2O3及Al2O3/金属之间，而碳化物颗粒并不相互接触，而是被Al2O3均匀地分隔开，这种近似于单一材料烧结的情况更有助于形成高致密度的结构，当然实际情况要相差很多，仍然是一种复合材料烧结的情况。但是从另一个角度看，即把Al2O3作为一种添加剂，由于它是以液相浸涂的形式引入的，所以其在基体材料中分布更为均匀，而且涂层粉末未经过预烧结，Al2O3和碳化物之间的界面具有更高的强度。界面强度的提高，会大大增加材料破坏时穿晶裂纹的数量。图3中FTC1材料的断口有清晰的解理台阶，部分晶粒断面处有滑移纹，明显具有穿晶断裂的特征。大量穿晶断裂的形成，消耗了裂纹扩展的能量，提高了材料的强度和断裂韧性。
图3 FTC1试样断口形貌
图4 v=75m/min切削淬硬T10工具钢时后刀面的磨损情况
图5 v=75m/min切削淬硬T10工具钢时后刀面的磨损情况
3. 切削效果
为了检验新型刀具材料的效果，分别与普通硬质合金刀具、陶瓷刀具和CVD法Al2O3陶瓷涂层刀具进行了对比实验。图4是刀具FTC1、LT55和YT15在v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.15mm 的切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面磨损情况。由图可以看出，在这样的条件下，由于工件材料较硬，当切削长度为530m时，YT15后刀具磨损已达到0.58mm，不能继续切削，而LT55和FTC1切削长度为2650m后，后刀面磨损才约0.3mm，两者的磨损情况相似，FTC1的磨损比 LT55还要轻微一些。
图5是YB01、FTC1和FTC2在v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.15mm 的切削条件下切削淬硬T10A工具钢时后刀面磨损情况。可见在切削淬硬材料时，由于FTC1和FTC2涂层较薄，所以在初期磨损阶段磨损量要比YB01 大，但是粉末涂层材料在进入正常磨损阶段后，磨损均匀稳定，而YB01的正常磨损阶段则比较短，在切削长度达到520m后，就进入急剧磨损阶段，这主要是因为刀片的硬质合金涂层此时已基本被磨掉，功效也大大降低。另外，YB01在切削过程中前刀面有贝壳状剥落，可能是由于在切削力较大较大时，涂层被挤裂失败，从而降低了涂层的效能。而FTC1和FTC2在切削速度较低时，一般不发生破损。在YB01后刀面磨损达到0.3mm后，由于切削时涂层不再起作用。刀尖变钝，切削中的振动加剧，加工表面也变得十分粗糙，几乎不能再进行切削。这样看来，新型涂层刀具的使用寿命至少要比YB01提高一倍。
4 结论
利用溶胶—凝胶法在碳化物粉末表面涂覆了一薄层Al2O3，涂层与基体之间主要是以化学键形式结合；使用这种复合粉末烧结成的刀具材料晶粒细小均匀，具有很高的硬度和较高的强度，其断裂形式以沿晶断裂为主，同时存在相当数量的穿晶断裂；这种刀具材料在切削淬硬材料时，切削性能与陶瓷刀具相近，明显优于普通硬质合金刀具和A12O3涂层刀具。表现出良好的综合性能，是一种具有很大发展潜力的新型刀具材料。
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日本钢号www.tool-tool.com
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普通及机械结构用钢板中常见的日本牌号
1、日本钢材(JIS系列)的牌号中普通结构钢主要由三部分组成
第一部分表示材质，如：S（Steel）表示钢，F（Ferrum）表示铁；
第二部分表示不同的形状、种类、用途，如P(Plate)表示板，T（Tube）表示管，K(Kogu)表示工具，U—特殊用途，W—线材、丝，C—铸件，F—锻件；
第三部分采用数字，表示钢类或钢材的序号或强度值下限。有的牌号在数字序号后还附加后缀A、B、C等字母，表示不同的质量等级、种类或厚度。如：SS400——第一个S表示钢(Steel)，第二个S表示“结构”（Structure），400为下限抗拉强度400MPa，整体表示抗拉强度为400 MPa的普通结构钢。
在牌号主体结构（第一、二、三部分）之后，根据需要，可附加钢材形状、制造方法及热处理的后缀符号。
2、主要牌号说明：
SPHC——首位S为钢Steel的缩写，P为板Plate的缩写，H为热Heat的缩写，C商业Commercial的缩写，整体表示一般用热轧钢板及钢带。
SPHD——表示冲压用热轧钢板及钢带。
SPHE——表示深冲用热轧钢板及钢带。
SPCC——表示一般用冷轧碳素钢薄板及钢带，相当于中国Q195-215A牌号。其中第三个字母C为冷Cold的缩写。需保证抗拉试验时，在牌号末尾加T为SPCCT。
SPCD——表示冲压用冷轧碳素钢薄板及钢带，相当于中国08AL（13237）优质碳素结构钢。
SPCE——表示深冲用冷轧碳素钢薄板及钢带，相当于中国08AL（5213）深冲钢。需保证非时效性时，在牌号末尾加N为SPCEN。冷轧碳素钢薄板及钢带调质代号：退火状态为A，标准调质为S，1/8硬为8，1/4硬为4，1/2硬为2，硬为1。表面加工代号：无光泽精轧为D，光亮精轧为B。如 SPCC-SD表示标准调质、无光泽精轧的一般用冷轧碳素薄板。再如SPCCT-SB表示标准调质、光亮加工，要求保证机械性能的冷轧碳素薄板。
3、JIS机械结构用钢牌号表示方法为：S+含碳量+字母代号（C、CK），其中含碳量用中间值×100表示，字母C：表示碳 K：表示渗碳用钢。如碳结卷板S20C其含碳量为0.18-0.23%。
4、其他有关钢材牌号说明：
SAPE—汽车结构用热轧钢板及钢带
SBC—链条用圆钢
SGD—银亮钢棒用一般钢材
SB—锅炉及压力容器用碳素钢
SGV—中、常温压力容器用碳素钢板
SLA—低温压力容器用碳素钢板
SPGD—冲压用镀锌薄钢板
SPGDD—深冲压用镀锌薄钢板
SY—热轧钢板
SGP—碳素钢配管
STM—锅炉热交换器用碳素钢管
STC—汽缸用碳素钢管
STKM—机械结构用碳素钢管
STPC—压力配管用碳素钢管
STPT—高温配管用碳素钢管
STPY—配管用电弧焊碳素钢管
STS—高压配管用碳素钢管
SW—冷拉高碳钢丝
SWCH—冷顶锻用碳素钢线材
SWM—低碳钢钢丝
SWRCH—冷锻用碳素钢线材
SWRH—高碳钢盘条
SWRM—低碳钢盘条
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ITIS專欄 -- 漫談精微成形技術系統發展之主要面臨問題www.tool-tool.com
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漫談精微成形技術系統發展之主要面臨問題
經濟部技術處ITIS計畫/
金屬中心 產業分析師 陳仲宜
精微成形是指利用材料的塑性變形來生產至少在二維方向上尺寸處於毫米等級以下零件的技術，工業上普遍應用的則是多為10㎜以下範圍內的成形加工。作為20世紀80年代後期所發展起來的一門新興技術，精微成形已經廣泛參與到手機、MP3、硬碟、數位相機、助聽器等產品的微小化浪潮當中，應用於生產這些產品的微型螺栓、彈簧、連杆、IC 插槽、引線框等微小金屬部件。
一、 精微成形系統的核心技術
精微成形技術具有製造速度快、成本低等優點，適合大量生產，是微細製造相當重要的技術，其技術核心主要包括材料、模具、檢測及環境等，分別說明如下：
1. 精微成形材料
由於尺寸縮小，材料的各種微觀性質發生了變化，不能再用巨觀的理論模型來解釋微成形過程中材料的變化。因此，需要透過實驗來研究微成形過程中材料晶粒、表面晶粒與內部晶粒尺寸，以及材料各異向性等性質的影響，建立精微成形系統的理論模型。
2. 精微模具的製造
雖然目前已經成功研製出了一些微模具，但是微模具的製造仍是制約微成形技術發展的一個重要因素。因為實在難以創建那麼小的加工輪廓線，特別是要求光順飽滿表面品質的擠出模更難製造。另外，這還跟加工機器的微型化有緊密的關聯，如在傳統加工中可以忽略的車床零組件之間的間隙及齒輪之間的間隙，可能會嚴重影響零件生產的精密性。
3. 檢測裝置
微成形技術對檢測技術的發展也是一個極大的挑戰。現代檢測技術都十分複雜，如何高效、準確的檢測精微成形中的變化量，是精微成形系統的另一個研究方向。
4. 工作及儲存環境
如此小的尺寸和微米級的公差，對零件的加工和儲存環境也提出了高度要求，這又是對精微成形系統的一個重大考驗。
二、 精微成形製程的發展所面臨的問題
經過各國數十年的研究及發展，目前精微成形技術已取得了一些令人矚目的成果。但要把該技術應用到實際工業生產中，還有一系列問題和技術需要得到解決。目前精微成形製程的發展可能會面對的問題可分為4部分，詳如【圖1】。當模具與工件尺寸縮小時，相對材料內部的微結構與表面粗糙度、系統震顫和材料尺寸等級相當，因此材料的各種機械性質、成形特性等都會和巨觀下的材料表現不同，在傳統金屬成形製程中容易被忽略的因素，在製造微小元件的時候可能會對材料的成形性造成極大的影響，此通稱為尺寸效應(Size Effect)，基本特性的研究對於未來精微成形實際製程中成品成形性與參數的控制甚為重要。另一方面，高精密度的模具加工技術以及高精度定位或搬運裝置的開發，亦是相當重要的研究發展方向。
圖 1 發展精微成形技術將會遇到的問題
資料來源：金屬中心ITIS計畫整理
三、 結語
人類正處在一個微小化革命的時代。儘管微成形技術的發展僅僅經歷了十幾年， 但卻已顯示出其巨大的生命力。在2000年，日本的一個研究小組提出了一個桌面加工微型工廠，它代表了精微成形技術發展過程中的一個里程碑。而隨著MEMS、MST技術迅猛發展和產業化的進程，以及微型零件在醫療、航太、電子領域的廣泛應用，相信在不久的將來，生產速度和材料利用率高的特點必將使精微成形技術在工業生產中佔據更加重要的地位。
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通用設計 游向創意藍海www.tool-tool.com
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家電、生活雜貨、玩具都是被視為高度成熟的商品，「通用設計」（Universal design）卻能使這類商品擺脫價格紅海，另闢創意藍海。
在日本，血壓計新興品牌META-PHYS推出的產品，在面板操作上捨棄文字說明，改以圖形顯示，讓使用者一目了然，一舉打敗領先品牌；在台灣，製作幼教玩具的童心園，將容易使用、容易學、容易陳列設計概念融入產品開發，連連拿下德國iF設計大獎。
七大設計核心價值
「通用設計」是近年來廣受討論的設計方式，隨著老年化社會來臨逐漸受到重視。《維基百科》的資料顯示，通用設計衍生自無障礙空間設計(barrier design)及廣泛設計(accessible design)等概念。但是有愈來愈多人認為，並非只有身心障礙人士需要比較好的設計，而慢慢擴大成對居住空間、環境以及各類用品的普遍性設計需求，也就是「一體適用的設計」(Design for all)的概念。符合此一理念的產品，已漸漸受到各年齡層消費者的喜愛。
美國北卡羅來納州立大學通用設計中心主任麥斯（Ronald L.Mace），將通用設計定義為「在最大可能下，盡量符合最多數人可用的設計。」
通用設計包括七大原則：
1.不論個人能力如何，都能公平地使用。
2.容許個人依喜好和能力彈性使用。
3.使用方法簡單而直覺。
4.可讓使用者透過多種感官，理解產品所提供的訊息。
5.將操作錯誤所帶來的負面或危險，減到最低。
6.盡量減輕使用者身體上的負擔。
7.確保使用者便於使用的理想尺寸及空間。
日本早已進入高齡化社會，早就導入通用設計概念。在政府與民間大力推動之下，此理念儼然已成為所有產品設計的基本條件。例如：日本Tri- pod Design對於通用設計推廣不遺餘力，社長中川聰所著的《通用設計的教科書》，更補充了三項附則：可長久使用具經濟性，品質優良且美麗，對人體及環境無害，以此建立一套完整的產品評價方法，作為產品開發期間的檢驗工具。
從中不難發現，通用設計其實是建立在以人為本的關懷角度，思考「什麼是最好」的一套設計概念。
從體貼汲取設計創意
在全球化市場挑戰下，國內企業開始邁向品牌之路，當中也遇到了究竟市場在哪裡？品牌定位在哪個區塊？以及如何開發區隔性大而能獲利的商品等問題。
過去，我們從成本與利潤的角度出發，容易以產品開發者的立場，單向地決定產品最後的功能、外觀與銷售方式，未能在產品開發上，全面性地檢驗市場需求或取得消費者意見的回饋。但是通用設計所帶來的好處是，透過各項原則的提問，企業可以從消費者需求層面，反過來定義思考企業與消費者之間的關係，從而定義事業策略，開發出完整產品系列，以及多數人都喜歡且好用的產品。
當然，就像看到半瓶水，樂觀與悲觀的人會呈現兩極化反應。在講求產品個性化的商業環境中，通用設計的實用設計概念也許引發爭議。但其體貼消費者的設計理念與創意，提供企業思考品牌經營與創新產品研發的另一種方式。
（作者是中國生產力中心顧問師）
BW碧威股份有限公司針對客戶端改善切削方式、提供專業切削CNC數控刀具專業能力、製造客戶需求如：Cutting tool、切削刀具、HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、鎢鋼銑刀、航太刀具、鎢鋼鑽頭、高速剛、鉸刀、中心鑽頭、Taperd end mills、斜度銑刀、Metric end mills、公制銑刀、Miniature end mills、微小徑銑刀、鎢鋼切削刀具、Pilot reamer、領先鉸刀、Electronics cutter、電子用切削刀具、Step drill、階梯鑽頭、Metal cutting saw、金屬圓鋸片、Double margin drill、領先階梯鑽頭、Gun barrel、Angle milling cutter、角度銑刀、Carbide burrs、滾磨刀、Carbide tipped cutter、銲刃刀具、Chamfering tool、倒角銑刀、IC card engraving cutter、IC晶片卡刀、Side cutter、側銑刀、NAS tool、DIN tool、德國規範切削刀具、Special tool、特殊刀具、Metal slitting saws、Shell end mills、滾筒銑刀、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、交叉齒側銑刀、Long end mills、長刃銑刀、Stub roughing end mills、粗齒銑刀、Dovetail milling cutters、鳩尾刀具、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、鎢鋼圓鼻銑刀、Angeled carbide end mills、角度鎢鋼銑刀、Carbide torus cutters、短刃平銑刀、Carbide ball-noseed slot drills、鎢鋼球頭銑刀、Mould cutter、模具用刀具、BW微型渦流管槍、Tool manufacturer、刀具製造商等相關切削刀具、以服務客戶改善工廠加工條件、爭加競爭力。歡迎尋購～～～碧威股份有限公司www.tool-tool.com
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家電、生活雜貨、玩具都是被視為高度成熟的商品，「通用設計」（Universal design）卻能使這類商品擺脫價格紅海，另闢創意藍海。
在日本，血壓計新興品牌META-PHYS推出的產品，在面板操作上捨棄文字說明，改以圖形顯示，讓使用者一目了然，一舉打敗領先品牌；在台灣，製作幼教玩具的童心園，將容易使用、容易學、容易陳列設計概念融入產品開發，連連拿下德國iF設計大獎。
七大設計核心價值
「通用設計」是近年來廣受討論的設計方式，隨著老年化社會來臨逐漸受到重視。《維基百科》的資料顯示，通用設計衍生自無障礙空間設計(barrier design)及廣泛設計(accessible design)等概念。但是有愈來愈多人認為，並非只有身心障礙人士需要比較好的設計，而慢慢擴大成對居住空間、環境以及各類用品的普遍性設計需求，也就是「一體適用的設計」(Design for all)的概念。符合此一理念的產品，已漸漸受到各年齡層消費者的喜愛。
美國北卡羅來納州立大學通用設計中心主任麥斯（Ronald L.Mace），將通用設計定義為「在最大可能下，盡量符合最多數人可用的設計。」
通用設計包括七大原則：
1.不論個人能力如何，都能公平地使用。
2.容許個人依喜好和能力彈性使用。
3.使用方法簡單而直覺。
4.可讓使用者透過多種感官，理解產品所提供的訊息。
5.將操作錯誤所帶來的負面或危險，減到最低。
6.盡量減輕使用者身體上的負擔。
7.確保使用者便於使用的理想尺寸及空間。
日本早已進入高齡化社會，早就導入通用設計概念。在政府與民間大力推動之下，此理念儼然已成為所有產品設計的基本條件。例如：日本Tri- pod Design對於通用設計推廣不遺餘力，社長中川聰所著的《通用設計的教科書》，更補充了三項附則：可長久使用具經濟性，品質優良且美麗，對人體及環境無害，以此建立一套完整的產品評價方法，作為產品開發期間的檢驗工具。
從中不難發現，通用設計其實是建立在以人為本的關懷角度，思考「什麼是最好」的一套設計概念。
從體貼汲取設計創意
在全球化市場挑戰下，國內企業開始邁向品牌之路，當中也遇到了究竟市場在哪裡？品牌定位在哪個區塊？以及如何開發區隔性大而能獲利的商品等問題。
過去，我們從成本與利潤的角度出發，容易以產品開發者的立場，單向地決定產品最後的功能、外觀與銷售方式，未能在產品開發上，全面性地檢驗市場需求或取得消費者意見的回饋。但是通用設計所帶來的好處是，透過各項原則的提問，企業可以從消費者需求層面，反過來定義思考企業與消費者之間的關係，從而定義事業策略，開發出完整產品系列，以及多數人都喜歡且好用的產品。
當然，就像看到半瓶水，樂觀與悲觀的人會呈現兩極化反應。在講求產品個性化的商業環境中，通用設計的實用設計概念也許引發爭議。但其體貼消費者的設計理念與創意，提供企業思考品牌經營與創新產品研發的另一種方式。
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Google手機 大家等著瞧 www.tool-tool.com
Bewise Inc. www.tool-tool.com
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【經濟日報／編譯劉煥彥／綜合十七日電】
2007.03.18 01:04 am
蘋果的iPhone手機千呼萬喚始出來後，科技界焦點現在轉向網路搜尋龍頭Google可能打造的行動電話。儘管Google總公司向來不透露任何口風，Google西班牙分公司主管證實確有此事。
華爾街日報17日報導，消息人士透露Google正開發專供行動電話使用的新軟體，而且超越該公司已針對手機推出的應用軟體範疇，例如網路搜尋與地圖功能。Google新軟體較可能是這類裝置的軟體平台，內含可存取Google網路服務的整合應用程式。
儘管如此，Google將委託哪家硬體製造商生產手機，與這類裝置的技術規格，目前仍然是個謎。
Google總公司一向拒絕就這類傳言發表評論，但上周一篇報導使外界對Google手機的揣測更加沸揚。西班牙新聞網站 Noticias.com15日引述Google西班牙兼葡萄牙負責人艾奇瑞拉的話說，「Google工程師正投入一部分時間開發行動電話」，等於證實 Google正發展手機。
此外美國麻州創投業者Polaris創業公司科技業合夥人席密諾夫，本月稍早在部落格中引述內部人士的消息寫道，名為Google Phone的Google手機外型將類似橫掃全球市場的黑莓機（Blackberry），核心軟體以C++程式語言撰寫，搭配以Java語言撰寫的應用程式及網路語音（VoIP）功能。
席密諾夫還指出，業界傳言Google與南韓三星電子正進行名為「Switch」的手機合作計畫。這種說法或許並非牽強附會，因為這兩家公司1月曾宣布合作，將把手機版本的Google搜尋、地圖與電子郵件功能三合一，與某些款式的三星手機一起搭售。去年年底業界也傳言，法國電信旗下的行動通信事業Orange 正與Google洽談合作方案。
對接連不斷的傳言，Google總公司只發表了簡短聲明說：「行動產品是Google重要的發展領域。本公司仍專注於開發應用程式、與業界領導廠商建立合作關係並擴大來往，為全球用戶開發創新服務，其他的就無可奉告了。」
【2007/03/18 經濟日報】@ http://udn.com/
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2007.03.18 01:04 am
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華爾街日報17日報導，消息人士透露Google正開發專供行動電話使用的新軟體，而且超越該公司已針對手機推出的應用軟體範疇，例如網路搜尋與地圖功能。Google新軟體較可能是這類裝置的軟體平台，內含可存取Google網路服務的整合應用程式。
儘管如此，Google將委託哪家硬體製造商生產手機，與這類裝置的技術規格，目前仍然是個謎。
Google總公司一向拒絕就這類傳言發表評論，但上周一篇報導使外界對Google手機的揣測更加沸揚。西班牙新聞網站 Noticias.com15日引述Google西班牙兼葡萄牙負責人艾奇瑞拉的話說，「Google工程師正投入一部分時間開發行動電話」，等於證實 Google正發展手機。
此外美國麻州創投業者Polaris創業公司科技業合夥人席密諾夫，本月稍早在部落格中引述內部人士的消息寫道，名為Google Phone的Google手機外型將類似橫掃全球市場的黑莓機（Blackberry），核心軟體以C++程式語言撰寫，搭配以Java語言撰寫的應用程式及網路語音（VoIP）功能。
席密諾夫還指出，業界傳言Google與南韓三星電子正進行名為「Switch」的手機合作計畫。這種說法或許並非牽強附會，因為這兩家公司1月曾宣布合作，將把手機版本的Google搜尋、地圖與電子郵件功能三合一，與某些款式的三星手機一起搭售。去年年底業界也傳言，法國電信旗下的行動通信事業Orange 正與Google洽談合作方案。
對接連不斷的傳言，Google總公司只發表了簡短聲明說：「行動產品是Google重要的發展領域。本公司仍專注於開發應用程式、與業界領導廠商建立合作關係並擴大來往，為全球用戶開發創新服務，其他的就無可奉告了。」
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造型更薄、畫面更銳利的SED平面電視www.tool-tool.com
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根據資策會資訊市場情報中心的《數位新世界》產業報告中指出：20 ~ 40吋的LCD電視是一般家庭接受度最高的尺寸，也是成長最為快速的機種，預估到2008年可望大幅成長、超過4,000萬台。
【文／PChome電腦家庭雜誌】
SED
根據資策會資訊市場情報中心的《數位新世界》產業報告中指出：20 ~ 40吋的LCD電視是一般家庭接受度最高的尺寸，也是成長最為快速的機種，預估到2008年可望大幅成長、超過4,000萬台，至於鎖定在40吋以上的 PDP電視，則因為受限於市場需求，預估到2008年市場規模約為1,370萬台。
從這份產業報告中的資料看來，LCD電視在薄型電視的市場中，大有完全取代PDP電視的趨勢，不過事實上，PDP電視仍有LCD電視目前無法相比的色彩層次豐富、畫質細膩…等優勢，所以，儘管Sharp、Toshiba、Sony陸續棄守PDP電視的市場，卻還有LG、Samsung分別推出72、 102吋的PDP電視，並不斷開發尺寸更大的機種，再加上生產製程上的成本考量，廠商也在尋找比LCD電視更好的顯示技術。
新一代的SED平面顯示技術
退出PDP電視市場的Toshiba，除了把核心轉進到LCD電視生產上，也和Canon聯手研發新一代的「SED(Surface-conduction Electron-emitter Display；表面傳導電子發射顯示器)」平面顯示技術。
SED的顯示原理其實和傳統的「CRT(Crystal Ray Tube；陰極射線管)」電視非常類似，不過，兩者的顯示器結構卻大不相同。簡單的說，SED顯示技術就是把CRT的電子槍(Electron Gun)微型化，以便在顯示器上排列更多的CRT，因此，SED顯示器不但跟CRT顯示器一樣，能夠確保畫面中央和四周邊角具有相同銳利、清晰的視角外，還因為它不需要背光燈元件，所以，能夠達到比目前LCD電視更薄、耗電量更低的境界。
SED電視的普及，仍有一段艱辛路
由於看好SED顯示技術的未來潛力，Toshiba和Canon共同投入18.2億美元成立SED股份有限公司，來生產、推出SED電視，而Canon也打算藉此機會打入電視機市場。
不過，對SED顯示技術充滿合作意願的其它廠商，在面臨Toshiba和Canon不願授權SED顯示技術，來加速SED電視商品化和降低生產成本，再加上生產SED面板需要更精良的技術製程的情形下，這些廠商只有轉投入LCD或PDP電視的生產，如此一來，正好有助於LCD或PDP電視不斷擴大在市場上的規模，而這些種種因素，也使得SED股份有限公司預計在2008 ~ 2010年具有每年180 ~ 300萬片SED面板的市場產能，冀望在薄型電視市場上衝出一定的市佔率計畫，蒙上一片不確定的陰影。
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硬度www.tool-tool.com
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材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦,由其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。这种方法称为锉试法这种方法不太科学。用硬度试验机来试验比较准确,是现代试验硬度常用的方法。常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等测试方法
硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。
布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示（HBS\HBW）（参照GB/T231－1984），生产中常用布氏硬度法测定经退货、正火和调质得刚健，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。
洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄得材料和硬得材料和成品件得硬度。
维氏硬度以HV表示（参照GB/T4340-1999），测量极薄试样。
1、钢材的硬度 ：金属硬度(Hardness)的代号为H。按硬度试验方法的不同，
常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。
HB应用范围较广，HRC适用于表面高硬度材料，如热处理硬度等。两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计之测头为钢球，而洛氏硬度计之测头为金刚石。
HV-适用于显微镜分析。维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)。
HL手提式硬度计，测量方便，利用冲击球头冲击硬度表面后，产生弹跳；利用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度，公式：里氏硬度HL=1000×VB（回弹速度）/ VA（冲击速度）。
便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。或用里氏原理直接用布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值。
2、HB - 布氏硬度；
布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料，如热处理后的硬度等等。
布式硬度(HB)是以一定大小的试验载荷，将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持规定时间，然后卸荷，测量被测表面压痕直径。布式硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。一般为：以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。
3、洛式硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：
HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。
另外：
1.HRC含意是洛式硬度C标尺，
2.HRC和HB在生产中的应用都很广泛
3.HRC适用范围HRC 20－－67，相当于HB225－－650
若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。
若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。
布式硬度上限值HB650,不能高于此值。
4.洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥，试验载荷为一确定值，中国标准是150公斤力。
布氏硬度计之压头为淬硬钢球（HBS)或硬质合金球（HBW），试验载荷随球直径不同而不同，从3000到31.25公斤力。
5.洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。
布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。
6.洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。）
布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。
7.洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。
布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。
8.在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC≈1/10HB。
硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。
实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。
BW碧威股份有限公司针对客户端改善切削方式、提供专业切削CNC数控刀具专业能力、制造客户需求如：Cutting tool、切削刀具、HSS Cutting tool manufacturer、Carbide end mills manufacturer、Carbide cutting tool manufacturer、NAS Cutting tool manufacturer、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill manufacturer、钨钢铣刀、航太刀具、钨钢钻头、高速刚、铰刀、中心钻头、Taperd end mills、斜度铣.Metric end mills manufacturer、公制铣刀、Miniature end mills manufacturer、微小径铣刀、钨钢切削刀具、Pilot reamer、领先铰刀、Electronics cutter、电子用切削刀具、Step drill、阶梯钻头、Metal cutting saw、金属圆锯片、Double margin drill、领先阶梯钻头、Gun barrel、Angle milling cutter、角度铣刀、Carbide burrs、滚磨刀、Carbide tipped cutter、焊刃刀具、Chamfering tool、倒角铣刀、IC card engraving cutter、IC芯片卡刀、Side cutter、侧铣刀、NAS tool、DIN tool、德国规范切削刀具、Special tool、特殊刀具、Metal slitting saws、Shell end mills、滚筒铣刀、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、交叉齿侧铣刀、Long end mills、长刃铣刀、Stub roughing end mills、粗齿铣刀、Dovetail milling cutters、鸠尾刀具、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、钨钢圆鼻铣刀、Angeled carbide end mills、角度钨钢铣刀、Carbide torus cutters、短刃平铣刀、Carbide ball-noseed slot drills、钨钢球头铣刀、Mould cutter、模具用刀具、BW微型涡流管枪、Tool manufacturer、刀具制造商等相关切削刀具、以服务客户改善工厂加工条件、增加竞争力。欢迎寻购～～～碧威股份有限公司www.tool-tool.com
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材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦,由其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。这种方法称为锉试法这种方法不太科学。用硬度试验机来试验比较准确,是现代试验硬度常用的方法。常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等测试方法
硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。
布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示（HBS\HBW）（参照GB/T231－1984），生产中常用布氏硬度法测定经退货、正火和调质得刚健，以及铸铁、有色金属、低合金结构钢等毛胚或半成品的硬度。
洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄得材料和硬得材料和成品件得硬度。
维氏硬度以HV表示（参照GB/T4340-1999），测量极薄试样。
1、钢材的硬度 ：金属硬度(Hardness)的代号为H。按硬度试验方法的不同，
常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。
HB应用范围较广，HRC适用于表面高硬度材料，如热处理硬度等。两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计之测头为钢球，而洛氏硬度计之测头为金刚石。
HV-适用于显微镜分析。维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值(HV)。
HL手提式硬度计，测量方便，利用冲击球头冲击硬度表面后，产生弹跳；利用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算硬度，公式：里氏硬度HL=1000×VB（回弹速度）/ VA（冲击速度）。
便携式里氏硬度计用里氏（HL）测量后可以转化为：布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、肖氏（HS）硬度。或用里氏原理直接用布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）测量硬度值。
2、HB - 布氏硬度；
布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料，如热处理后的硬度等等。
布式硬度(HB)是以一定大小的试验载荷，将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持规定时间，然后卸荷，测量被测表面压痕直径。布式硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。一般为：以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。
3、洛式硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：
HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。
另外：
1.HRC含意是洛式硬度C标尺，
2.HRC和HB在生产中的应用都很广泛
3.HRC适用范围HRC 20－－67，相当于HB225－－650
若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。
若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。
布式硬度上限值HB650,不能高于此值。
4.洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥，试验载荷为一确定值，中国标准是150公斤力。
布氏硬度计之压头为淬硬钢球（HBS)或硬质合金球（HBW），试验载荷随球直径不同而不同，从3000到31.25公斤力。
5.洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。
布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。
6.洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。（因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的。）
布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。
7.洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。
布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。
8.在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC≈1/10HB。
硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验，生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。
实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。
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热塑性弹性体生产现状与发展趋势www.tool-tool.com
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热塑性弹性体（TPE）是一种介于橡胶和热塑性塑料特性的高分子材料，具有橡胶和塑料的双重性和宽广特性，广泛应用于汽车、电子电气、建筑、医疗等领域。随着新技术的发展，促进了TPE性能的不断优化和提升，应用领域不断拓展，尤其是汽车和医疗领域需求强劲；此外由于人们环境意识的提高，材料回收性成为选材的一个重要因素，全球废弃的PVC成为环境污染的重要问题，国外限制使用PVC呼声日趋高涨，也促进了TPE消费快速增长。目前工业化生产TPE主要分为以下几类：苯乙烯类（TPS）、烯烃类（TPO）、氯乙烯类（TPVC）、氨酯类（TPU）、聚酯类（TPEE）、酰胺类（TPAE）、有机氟类（TPF）、双烯类（TPB、TPI）等。
2003年全球TPE消费量约为1 850 kt，过去10年全球保持年均6%左右增长速度，2003年比2002年增长了6.4%。目前TPE消费结构中TPS约占44%、TPO占31%、TPU占9.5%、TPEE占6.5%、其他TPE占9%。运输工业及有关行业已成为TPE头号下游消费市场，2003年用量约为1 050 kt。随着美国和欧洲汽车产量的增加，以及中国及环太平洋地区一些国家工业的迅速发展，TPE应用日益扩大，近年来增长强劲的是动态硫化热塑性弹性体（TPV）。其在以汽车为中心的应用市场连续保持年均增长15%以上，作为替代软PVC和橡胶的新型高性能材料，具有成本和性能上的优势。国外报道预测，未来几年苯乙烯类热塑弹性体（TPS）仍居用量之首，但是所占份额呈下滑趋势；随着TPO进入汽车和医疗市场，替代传统的热固性橡胶和聚氯乙烯材料等，TPO市场份额将不断扩大，消费量快速增长。未来几年全球TPE消费将提速，预计年均需求增长率将达到7%左右，2006年全球TPE需求量将达到2 200 kt左右。
我国是TPE重要的消费市场，2003年消费量约为300 kt，其中主要是苯乙烯和丁二烯嵌段共聚物（SBS）。随着我国近年来汽车工业高速发展，TPO类热塑弹性体的应用将迅猛增加，预计未来几年我国TPE的消费年均增长率将超过12%，2006年消费量将达到420 kt左右。我国已成为全球TPE需求增长最快的国家之一，而且尤其是以汽车为中心应用市场将保持年均15%～20%的高速增长。
2 热塑性弹性体现状与进展
2.1苯乙烯类TPE[1,4-8]
苯乙烯类TPE为丁二烯或异戊二烯与苯乙烯嵌段型共聚物，主要品种为SBS，目前全球TPS生产能力约为1100 kt/a，年产量在800 kt以上。我国SBS生产能力约为200 kt/a，主要生产企业为巴陵石化、燕山石化和茂名石化，年产量约为170 kt。SBS具有良好拉伸强度和弹性，耐摩擦和疲劳性能优异，且价廉物美，主要用于胶鞋、改性沥青、合成树脂改性剂和粘合剂等，其中80%左右消费量用于制鞋业。目前我国已经成为全球鞋类主要生产国与出口国，2003年鞋类产量约为65亿双，其中胶鞋产量为45亿双，出口约30亿双。由于胶鞋制造是典型的劳动密集型加工产业，在我国未来发展前景十分看好，目前国内SBS尚无法满足市场需求，每年需要从中国台湾、韩国、日本和俄罗斯进口大量的SBS产品，2003年进口量约为100 kt。
发达国家和地区的异戊二烯取代丁二烯的嵌段苯乙烯聚合物（SIS）发展很快，其产量已占TPS产量的30%左右，约90%用于粘合剂领域，采用SIS制备的热熔胶不仅粘接性能优越，而且耐热性好，已成为欧美日各国热熔胶的主要材料。我国自20世纪90年代中期开始SIS研究开发，燕山石化开发了3个牌号SIS产品，吉化开发了JHY201和301两个牌号的SIS，但是至今还没有实现工业化，仅有巴陵石化建有1套SIS生产装置，2003年产量为5 kt左右，用于生产热熔压敏胶带。近年来我国热熔胶市场一直保持快速增长势头，2003年热熔胶消费量达到102 kt，其中热熔压敏胶带达到48 kt/a，消耗SIS 15 kt左右，从国外进口10 kt SIS以满足国内市场需求。随着我国大型乙烯装置的建设速度加快，C5资源综合利用将加快实施，为我国加快发展SIS 提供了原料保障。
由于SBS存在的最大问题是不耐热，为此欧美等国对其进行了一系列性能改进，其中利用SBS经饱和加氢得到SEBS，可使抗冲强度大幅度提高，耐候性和耐热老化性明显提高。SEBS不仅可以替代SBS应用，还是工程塑料类如聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）合金的增容剂。SBS或SEBS与聚丙烯（PP）熔融共聚形成互穿网络化合物（IPN），SBS或SEBS为基材与其他工程塑料形成IPN-TPS，大大提高了工程塑料的耐寒和耐热性能。国内2002年巴陵石化的SEBS中试装置通过鉴定，计划未来两年内建设30 kt/a的SEBS/SIS装置。
近几年来，国外发达国家和地区苯乙烯类TPE产品市场成熟，需求增长稳定，国内外新品种开发主要集中在茂金属合金、医疗用无毒透明产品等方面。
如国外最新开发的新型茂金属聚合物聚苯弹性体（PSE），其中苯乙烯含量达到80%，PSE与聚乙烯（PE）形成了两相连续分布的共混合金，这种合金既具有强度又具有韧性，成为力学性能优异的韧性材料。
美国Teknor Apex公司开发用于医疗管用的MP1508L1和MP1871-R配混料，属于结合氢化异戊二烯橡胶的TPS产品，替代传统胶乳和塑料填充管，具有更好的透明度和加工性能。
2.2烯烃类TPE[9-23]
聚烯烃类热塑性弹性体（TPO）由橡胶和聚烯烃构成，通常橡胶组分为三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）和丁基橡胶；聚烯烃组分主要为聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。TPO目前已成为汽车和家电领域的主要橡塑材料，其中汽车上用量占总产量的75%以上，是热塑性弹性体（TPE）中增长最快的一个品种，TPO产品中用量最大的是EPDM/PP。
TPO生产工艺开发最早的技术是机械掺混法。随着美国高级弹性体系统（AES）公司成功开发完全动态硫化工艺制备的聚烯烃热塑性弹性体（TPV），使其性能大为改观，耐压缩变形性、耐热老化性、耐油性等有明显改善，成为目前TPO市场上的主流产品。动态硫化工艺成为TPO合成工艺技术主要发展方向。目前全球TPO消费量约为580 kt，未来几年增长速度将高于TPE平均增长速度达到7.5%左右，2006年全球TPO需求约为730 kt。
我国TPO开发较晚，随着我国汽车工业快速发展，加之轿车的塑化与轻型化发展趋势，近年来国内对TPO需求量迅猛增加，应用研究进展迅速，部分国产TPO专用料已开始替代进口汽车专用料，但是TPV生产较少，尚处于起步阶段。
大连理工大学开发的系列EPDM/PP产品用于生产汽车保险杠、内饰件、仪表板、风机罩、轮罩和箱包等，产品已经通过认证，目前在夏利、奥迪、捷达和奥拓等轿车中应用，品种达30余种。北京化工研究院承担国家“八五”攻关项目，进行研究EPDM/PP，产品主要是汽车保险杠和仪表板，用于上海桑塔纳、一汽解放轻型卡车和二汽重型卡车，替代进口材料，累计装车150万辆以上。中国科学院长春应用化学研究所以PP为基础树脂，EPDM为增韧剂，二异丙基苯类过氧化物为交联剂，加入刚性填料、滑石粉、碳酸钙，研制开发出汽车保险杠专用料。福州塑料研究所开发的新型改性塑料EPDM/PP，具有良好的机械强度和刚性，较高的热变形温度和适宜的熔体流动速率，可以用作汽车保险杠和仪表板。中石油吉化公司研究院建有1 kt/a的EPDM/PP生产装置，产品为JHH-221、JHH-222、2E1等三个品种，主要为一汽生产线所配套，可以用于30余种汽车配件的生产。北京燕山石化公司树脂所将PP、EPDM和云母共混制得既有耐冲击性又具有较高弯曲模量的复合材料，可以用于注塑汽车仪表板和汽车塑料件等。金陵石化研究院以高熔体指数的本体聚合物PP为基础树脂，采用非过氧化物交联体系，研制出PP/EPDM/PE汽车保险杠，该法与传统的有机过氧化物交联体相比，工艺简单、产品质量好。辽阳石油化纤公司用均聚物PP、EPDM、相溶剂、滑石粉共混，研制出高冲击性PP汽车保险杠。洛阳石油化工总厂以PP和EPDM为主要成分研制出新的汽车方向盘专用料，综合性能优良。目前EPDM/PP用作汽车保险杠已成为汽车工业发展趋势，如日本汽车保险杠80%采用EPDM/PP制造，西欧也有60%左右。近年来我国汽车工业呈现超高速增长势头，2003年汽车生产量为444.37万辆，成为世界汽车第四大生产国。业内专家预计未来我国汽车工业仍将保持快速增长势头，2010年将达到800万辆，其中主要增加轿车产量，同时轿车的国产化率也在不断提高。2003年我国汽车仅保险杠和仪表板消耗EPDM/PP就达17.1 kt，预计2006年我国汽车工业对EPDM/PP需求量将达到30 kt左右。
目前TPV作为汽车密封条的优越性已被国内行业人士认识，高分子量的TPV由于耐磨性好、摩擦系数小，作为汽车玻璃导槽密封条的挤出用料，更可作为汽车橡胶密封条的接角材料。水发泡海绵状TPV在国外已研制成功，成为今后取代海绵橡胶制作汽车密封条的新趋向；且TPV着色工艺简便，常作为汽车密封条外装饰层材料。目前国内数家密封条企业引进彩色TPV和彩色橡胶共挤包覆橡胶密封条生产线，另外橡胶密封条在集装箱、建筑等领域也有应用。然而国内TPV生产量少、品种少、质量差，需求主要依赖进口，2003年密封条消耗TPO、TPV量约为15 kt，其中TPV约为2.5 kt，由于TPV价格昂贵，因此在某种程度上限制了在国内使用。假设我国密封条生产达到国外应用材料同类水平，按2003年密封条产量算，起码需求TPE约22 kt，其中TPV应达到6 kt。
除汽车工业外，电线电缆业是TPO消费又一重要领域。随着我国通讯事业迅速发展，对电线电缆质量和数量提出更高要求，原有的电线电缆生产工艺逐步淘汰。目前国内电线电缆企业众多，假设电缆采用TPO，用挤塑工艺生产，不但生产效率提高，而且产品质量也随着提高，同时可以简化生产工序，废旧制品及边角余料也可以回收利用，产品成本可以降低20%～50%。在家用电器领域中TPO的应用市场潜力较大，国外众多洗衣机配件采用EPDM/PP，但是在我国由于价格较高，目前只有海尔和小天鹅电器公司进行应用，预计2006年汽车以外工业将消费TPO约为18 kt。
基于上述，2006年国内市场对TPO的总需求约为54 kt，业内专家预计未来几年我国TPO需求增长率将保持10%～15%的高速度增长，2010年国内TPO需求量将达到80～100 kt。
由于TPO在汽车和电子电气中应用的重要性和良好的前景，使其成为TPE中增长最快的一种，因此新工艺和新产品开发与生产方兴未艾，特别值得关注的技术有：
（1）动态硫化TPO合成。动态硫化烯烃热塑性弹性开发生产是TPO发展中的里程碑，TPV成为TPE世界中增长最快的品种，近年来年均增长率约为15%。主要是在低比例的热塑性塑料基体中混入高比例橡胶，再与硫化剂一起混炼的同时使弹性体发生化学交联，形成的大量橡胶微粒分散到少量塑料基体中，所以TPV的强度、弹性、耐热性、抗压缩永久性显著提高，热塑性、耐化学性及加工稳定性也明显改善。由于其加工方法和性能最贴近硫化橡胶，因此大量替代汽车用橡胶制品，目前全球消费量约为100 kt。代表性产品为AES公司生产的系列品种Santoprene(EPDM/PP-TPV)和Geolast（NBR/PP-TPV），如AES公司开发TPV新系列B100，是第一个能直接连接ABS、PC、ABS/PC共混物、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等塑料的TPV，能形成牢固连接键，不需要粘接剂。目前Satoprene系列产品日新月异，国外著名高档轿车多选用其制备车用橡胶件。另外国外知名的EDPM公司都先后推出有自己特点的TPV产品，如日本三井化学公司的Milastomer等。
（2）反应器直接制备TPO。国外近年来反应器直接制备热塑性聚烯烃发展迅速，市场需求量快速增长，预计欧美地区未来年均需求增长率将达到15%左右，亚洲国家需求增长率要略低一些。由于反应器直接制备TPO是在聚合反应过程中得到，省去合成橡胶粉碎和共混挤出过程，采用乙烯替代EPDM，故生产成本低。如Basell公司采用特种催化剂在聚合阶段制备软聚合物反应器直接制备TPO，大大降低产品成本；Exxon Mobil公司开发新型反应器制得TPOs（柔性聚烯烃）结合茂金属技术，具有硬度和抗冲击的平衡。目前欧美国家已经开始使用反应器直接制备热塑性聚烯烃逐渐替代混合型热塑聚烯烃。
（3）茂金属催化剂合成TPO。20世纪90年代茂金属催化体系用于橡胶工业化生产，成为合成橡胶最突出的进展之一。茂金属催化乙丙橡胶与传统乙丙橡胶相比具有产物的相对分子量分布窄；产品纯净颜色透亮、聚合结构均匀；尤其是通过改变茂金属结构可以准确地调节乙烯、丙烯和二烯烃的组成，在很大范围内调控聚合物的微观结构，从而合成具有新型链结构的、不同用途的产品。自1997年开始工业化生产至今，全球茂金属催化乙丙橡胶产能已达200 kt/a以上；我国也开始茂金属乙丙橡胶研究和中试生产。茂金属催化合成的氢化丁腈橡胶价格比传统方法合成要低很多；这些茂金属合成橡胶性能特殊，以此为基础合成TPO具有更好性能。近年来国外许多新型高性能TPO结合茂金属技术，如杜邦公司、DOW化学等合作开发TPO复合物和合金新技术，以茂金属聚烯烃弹性体为基础，并在全球范围内推广新一代复配技术。应用该技术的热塑性弹性体可以承受较高温度，并具有较高熔体强度、良好加工性能及较佳的终端产品使用性能。Exxon Mobil公司利用茂金属催化剂和新型溶液聚合工艺生产出丙烯-乙烯专用Vistamaxx系列TPO，有希望在非常柔软织物和薄膜到非常高硬度TPO中得到广泛应用。
（4）其他方面，提高TPO的力学性能、热特性，或者使之具有导电性和阻燃性等新功能的方法，通常是在TPO中添加无机或有机填充剂。近年来填充剂达到纳米级，粉末分散的纳米复合TPO材料引人注目，因为纳米填充剂可以大幅度增加表面积和减少粒子间的距离，可以产生许多意想不到的新功能。对纳米复合TPO的主要影响因素有：填充剂的粒径和形状、聚合物与填充剂的界面粘合强度、填充剂的分散状态等。业内专家一致认为通过纳米复合材料和动态硫化技术相结合，可以开发出更高更新性能的TPO。随着近年来人们对电子射线的认识越来越深入，电子束辐射技术已经成为高分子材料改性的强有力技术手段，利用电子射线生产TPO正变为热点。通过电子射线、辐射线交联等后硫化手段提高TPO性能应值得国内业界高度重视。TPO除汽车、电子电气和建筑工业应用外，在医疗领域替代热固性橡胶加工制品，更清洁卫生，将成为未来发展趋势。
2.3聚氨酯类弹性体[4,7,24-28]
热塑性聚氨酯弹性体具有高强度、韧性好、耐磨、耐油等优异性能。20世纪90年代末期至21世纪初国内引进多条TPU生产线，主要用于密封垫、密封橡胶和制鞋业等生产。2003年我国TPU生产能力约为13 kt/a，随着我国汽车工业的快速发展，国外引进的多条TPU生产线正在建设或计划建设之中。根据我国汽车工业协会公布的数据显示，2003年我国汽车工业对TPU的需求为8 000 t左右，2005年和2010年将需求TPU约10.5 kt和16 kt。随着BASF公司、亨兹曼公司在上海漕泾化学工业区，烟台万华集团在宁波大榭岛开发区，拜耳公司在上海三套世界级规模聚氨酯装置陆续建设，将极大促进了我国TPU产量、品种的快速发展。
国内外近年来对聚氨酯弹性体研究比较活跃，有许多新品种值得关注，如：
采用纳米金属氧化物和无机盐作为抗静电材料制备的抗静电聚氨酯弹性体，或者采用在聚氨酯材料中加入本征导电高分子，经过分散复合、层积复合等方式得到共混物，今后研究重点是解决本征导电高分子与聚氨酯弹性体的相溶和成型问题。
耐高温聚氨酯弹性体，选择异氰酸酯和扩链剂等原料加以改善，如脂肪族的CHDI（1,4-环己烷二异氰酸酯）和HDI（六亚甲基二异氰酸酯）比常用的芳香族MDI和TDI耐热性好，尤其是以CHDI制备的聚氨酯弹性体具有较好加工性和优异耐高温和耐水解性能
液晶聚氨酯弹性体，近年来液晶聚氨酯弹性体研究比较活跃，该类弹性体材料是含有刚性棒状等形状的介晶基元及活性端基的聚合物，主要的封端基团有马来酰亚胺基、异氰酸酯基、环氧基等基团。液晶聚氨酯弹性体具有良好的机械、热稳定性能，作为改性剂可以提高材料的韧性和强度。国内湘潭大学合成的含有端酚羟基及柔性（CH2）6链段的液晶聚酯，再与2,4-甲苯二异氰酸酯及甲苯二异氰酸酯-乙二醇加成物进行封端反应，成功制备了液晶聚氨酯弹性体，引起国内业界的关注。
高阻尼聚氨酯弹性体，目前全球高阻尼材料品种很多，其中研究最多的就是高阻尼聚氨酯弹性体。美国科研人员开发的聚氨酯-聚苯乙烯-二乙烯苯同时互穿的聚合物网络高阻尼材料在高温下阻尼性能优异。在汽车、国防、军工等领域对高阻尼材料性能要求和数量需求越来越高，性能优良的高阻尼聚氨酯弹性体成为今后聚氨酯弹性体材料开发的热点和重点。
此外还有一些如生物降解弹性体、聚烯烃改性的聚氨酯弹性体、形状记忆聚氨酯弹性体等。
目前TPU领域最值得关注和加快产业化的技术进展有：上海塑料研究所成功开发的TPU挤出管材及由PET丝编织的增强复合软管，特别适合高压输气和输油管；BASF公司新推出的3种TPU具有优异的耐磨性和滑爽感，可以与ABS、PC、ABS/PC合金、PET、PA及多种其他热塑性塑料共混，产品成功应用于微机机壳、手提电话、电动工具夹头等；青岛科技大学开发的微孔聚氨酯弹性体是介于弹性体和泡沫材料之间的一种新材料，适用于减震材料、制鞋、实芯轮胎等方面；美国Crompton公司最近开发的由聚醚三元醇和聚酯三元醇类物质等为原料制备的聚氨酯弹性体，耐磨性能比普通TPU高5～10倍，主要用于刹车片、驱动轮胎、轧辊等方面。
2.4其他热塑性弹性体[1,4,7,19,29]
聚酯类热塑弹性体是以聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为硬段，聚醚或聚酯为软段的嵌段共聚物。TPEE最大特点是在低应力下其拉伸应力比相同硬度的其他聚合物制品大，因此其制件壁厚可以做得更薄，而且低温韧性、耐化学品性、耐油性优良，且具有良好电绝缘性能。目前在汽车、家电、电动工具、体育用品等领域，TEPP主要应用于安全气囊张开门、重型卡车和越野车设备部件、密封圈、软管和导管等。
二烯类TPE主要为天然橡胶的同分异构体，被称之为反式天然橡胶（T-NR）。主要品种有T-NR-反式聚异戊二烯橡胶（TPI）和间同1，2-聚丁二烯（TPB），TPB和TPI的最大特点在于可以进行硫化，解决一般TPE不能采用硫磺、过氧化物硫化的缺点。TPB制备薄膜，具有良好的透气性、防水性和透明度，易光分解，适合食品保鲜使用。
氯乙烯类TPE，主要分为热塑性PVC（TPVC）和热塑性氯化聚乙烯（TCPE）两类。目前国内关于聚氯乙烯（PVC）的热塑性弹性体开发报道较多，如兰化公司开发并生产出的PVC/丁腈橡胶（NBR）共混料，部分替代氯丁橡胶（CR）、天然橡胶和NBR；南京工业大学开发出了PVC/NBR/胶粉共混热塑性弹性体。美国杜邦公司开发出的CPE与乙烯互聚物合金，具有近乎硫化CR和NBR的性能，用于制造密封条、胶布和汽车配件。我国目前是全球主要的CPE生产国，因此关于TCPE研究开发生产进展迅速。
另外TPAE、TPF、硅橡胶热塑弹性体、丙烯酸酯橡胶热塑弹性体等也陆续开发并产业化，其中TPAE向工程化方向发展；而TPF用于高性能超低渗透性汽车燃油胶管等；硅橡胶热塑性弹性体主要用于医疗制品行业；丙烯酸酯橡胶热塑弹性体则主要在汽车零部件中应用。
3 结束语
TPE现已成为广泛替代传统橡胶和部分塑料的极具发展前景的新型材料。尤其我国汽车工业快速发展，需要大量进口TPE满足国内市场需求，因此今后国内要加大TPE的开发力度与产业化速度，关注国际发展潮流，未来我国TPE行业的重点应在以下几点：（1）开发茂金属催化剂合成的新型TPE；（2）加快动态硫化技术和纳米复合材料技术产业化和推广应用；（3）从再利用、轻量化和高性能的角度考虑，未来TPE最大市场是汽车材料，因此要推进汽车工业需要的TPE国产化进程；（4）加大TPE改性和与其他树脂并用技术开发，提升TPE材料性能；（5）研究新型TPE配方、加工助剂的使用、加工设备和加工工艺。
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热塑性弹性体（TPE）是一种介于橡胶和热塑性塑料特性的高分子材料，具有橡胶和塑料的双重性和宽广特性，广泛应用于汽车、电子电气、建筑、医疗等领域。随着新技术的发展，促进了TPE性能的不断优化和提升，应用领域不断拓展，尤其是汽车和医疗领域需求强劲；此外由于人们环境意识的提高，材料回收性成为选材的一个重要因素，全球废弃的PVC成为环境污染的重要问题，国外限制使用PVC呼声日趋高涨，也促进了TPE消费快速增长。目前工业化生产TPE主要分为以下几类：苯乙烯类（TPS）、烯烃类（TPO）、氯乙烯类（TPVC）、氨酯类（TPU）、聚酯类（TPEE）、酰胺类（TPAE）、有机氟类（TPF）、双烯类（TPB、TPI）等。
2003年全球TPE消费量约为1 850 kt，过去10年全球保持年均6%左右增长速度，2003年比2002年增长了6.4%。目前TPE消费结构中TPS约占44%、TPO占31%、TPU占9.5%、TPEE占6.5%、其他TPE占9%。运输工业及有关行业已成为TPE头号下游消费市场，2003年用量约为1 050 kt。随着美国和欧洲汽车产量的增加，以及中国及环太平洋地区一些国家工业的迅速发展，TPE应用日益扩大，近年来增长强劲的是动态硫化热塑性弹性体（TPV）。其在以汽车为中心的应用市场连续保持年均增长15%以上，作为替代软PVC和橡胶的新型高性能材料，具有成本和性能上的优势。国外报道预测，未来几年苯乙烯类热塑弹性体（TPS）仍居用量之首，但是所占份额呈下滑趋势；随着TPO进入汽车和医疗市场，替代传统的热固性橡胶和聚氯乙烯材料等，TPO市场份额将不断扩大，消费量快速增长。未来几年全球TPE消费将提速，预计年均需求增长率将达到7%左右，2006年全球TPE需求量将达到2 200 kt左右。
我国是TPE重要的消费市场，2003年消费量约为300 kt，其中主要是苯乙烯和丁二烯嵌段共聚物（SBS）。随着我国近年来汽车工业高速发展，TPO类热塑弹性体的应用将迅猛增加，预计未来几年我国TPE的消费年均增长率将超过12%，2006年消费量将达到420 kt左右。我国已成为全球TPE需求增长最快的国家之一，而且尤其是以汽车为中心应用市场将保持年均15%～20%的高速增长。
2 热塑性弹性体现状与进展
2.1苯乙烯类TPE[1,4-8]
苯乙烯类TPE为丁二烯或异戊二烯与苯乙烯嵌段型共聚物，主要品种为SBS，目前全球TPS生产能力约为1100 kt/a，年产量在800 kt以上。我国SBS生产能力约为200 kt/a，主要生产企业为巴陵石化、燕山石化和茂名石化，年产量约为170 kt。SBS具有良好拉伸强度和弹性，耐摩擦和疲劳性能优异，且价廉物美，主要用于胶鞋、改性沥青、合成树脂改性剂和粘合剂等，其中80%左右消费量用于制鞋业。目前我国已经成为全球鞋类主要生产国与出口国，2003年鞋类产量约为65亿双，其中胶鞋产量为45亿双，出口约30亿双。由于胶鞋制造是典型的劳动密集型加工产业，在我国未来发展前景十分看好，目前国内SBS尚无法满足市场需求，每年需要从中国台湾、韩国、日本和俄罗斯进口大量的SBS产品，2003年进口量约为100 kt。
发达国家和地区的异戊二烯取代丁二烯的嵌段苯乙烯聚合物（SIS）发展很快，其产量已占TPS产量的30%左右，约90%用于粘合剂领域，采用SIS制备的热熔胶不仅粘接性能优越，而且耐热性好，已成为欧美日各国热熔胶的主要材料。我国自20世纪90年代中期开始SIS研究开发，燕山石化开发了3个牌号SIS产品，吉化开发了JHY201和301两个牌号的SIS，但是至今还没有实现工业化，仅有巴陵石化建有1套SIS生产装置，2003年产量为5 kt左右，用于生产热熔压敏胶带。近年来我国热熔胶市场一直保持快速增长势头，2003年热熔胶消费量达到102 kt，其中热熔压敏胶带达到48 kt/a，消耗SIS 15 kt左右，从国外进口10 kt SIS以满足国内市场需求。随着我国大型乙烯装置的建设速度加快，C5资源综合利用将加快实施，为我国加快发展SIS 提供了原料保障。
由于SBS存在的最大问题是不耐热，为此欧美等国对其进行了一系列性能改进，其中利用SBS经饱和加氢得到SEBS，可使抗冲强度大幅度提高，耐候性和耐热老化性明显提高。SEBS不仅可以替代SBS应用，还是工程塑料类如聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）合金的增容剂。SBS或SEBS与聚丙烯（PP）熔融共聚形成互穿网络化合物（IPN），SBS或SEBS为基材与其他工程塑料形成IPN-TPS，大大提高了工程塑料的耐寒和耐热性能。国内2002年巴陵石化的SEBS中试装置通过鉴定，计划未来两年内建设30 kt/a的SEBS/SIS装置。
近几年来，国外发达国家和地区苯乙烯类TPE产品市场成熟，需求增长稳定，国内外新品种开发主要集中在茂金属合金、医疗用无毒透明产品等方面。
如国外最新开发的新型茂金属聚合物聚苯弹性体（PSE），其中苯乙烯含量达到80%，PSE与聚乙烯（PE）形成了两相连续分布的共混合金，这种合金既具有强度又具有韧性，成为力学性能优异的韧性材料。
美国Teknor Apex公司开发用于医疗管用的MP1508L1和MP1871-R配混料，属于结合氢化异戊二烯橡胶的TPS产品，替代传统胶乳和塑料填充管，具有更好的透明度和加工性能。
2.2烯烃类TPE[9-23]
聚烯烃类热塑性弹性体（TPO）由橡胶和聚烯烃构成，通常橡胶组分为三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）和丁基橡胶；聚烯烃组分主要为聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。TPO目前已成为汽车和家电领域的主要橡塑材料，其中汽车上用量占总产量的75%以上，是热塑性弹性体（TPE）中增长最快的一个品种，TPO产品中用量最大的是EPDM/PP。
TPO生产工艺开发最早的技术是机械掺混法。随着美国高级弹性体系统（AES）公司成功开发完全动态硫化工艺制备的聚烯烃热塑性弹性体（TPV），使其性能大为改观，耐压缩变形性、耐热老化性、耐油性等有明显改善，成为目前TPO市场上的主流产品。动态硫化工艺成为TPO合成工艺技术主要发展方向。目前全球TPO消费量约为580 kt，未来几年增长速度将高于TPE平均增长速度达到7.5%左右，2006年全球TPO需求约为730 kt。
我国TPO开发较晚，随着我国汽车工业快速发展，加之轿车的塑化与轻型化发展趋势，近年来国内对TPO需求量迅猛增加，应用研究进展迅速，部分国产TPO专用料已开始替代进口汽车专用料，但是TPV生产较少，尚处于起步阶段。
大连理工大学开发的系列EPDM/PP产品用于生产汽车保险杠、内饰件、仪表板、风机罩、轮罩和箱包等，产品已经通过认证，目前在夏利、奥迪、捷达和奥拓等轿车中应用，品种达30余种。北京化工研究院承担国家“八五”攻关项目，进行研究EPDM/PP，产品主要是汽车保险杠和仪表板，用于上海桑塔纳、一汽解放轻型卡车和二汽重型卡车，替代进口材料，累计装车150万辆以上。中国科学院长春应用化学研究所以PP为基础树脂，EPDM为增韧剂，二异丙基苯类过氧化物为交联剂，加入刚性填料、滑石粉、碳酸钙，研制开发出汽车保险杠专用料。福州塑料研究所开发的新型改性塑料EPDM/PP，具有良好的机械强度和刚性，较高的热变形温度和适宜的熔体流动速率，可以用作汽车保险杠和仪表板。中石油吉化公司研究院建有1 kt/a的EPDM/PP生产装置，产品为JHH-221、JHH-222、2E1等三个品种，主要为一汽生产线所配套，可以用于30余种汽车配件的生产。北京燕山石化公司树脂所将PP、EPDM和云母共混制得既有耐冲击性又具有较高弯曲模量的复合材料，可以用于注塑汽车仪表板和汽车塑料件等。金陵石化研究院以高熔体指数的本体聚合物PP为基础树脂，采用非过氧化物交联体系，研制出PP/EPDM/PE汽车保险杠，该法与传统的有机过氧化物交联体相比，工艺简单、产品质量好。辽阳石油化纤公司用均聚物PP、EPDM、相溶剂、滑石粉共混，研制出高冲击性PP汽车保险杠。洛阳石油化工总厂以PP和EPDM为主要成分研制出新的汽车方向盘专用料，综合性能优良。目前EPDM/PP用作汽车保险杠已成为汽车工业发展趋势，如日本汽车保险杠80%采用EPDM/PP制造，西欧也有60%左右。近年来我国汽车工业呈现超高速增长势头，2003年汽车生产量为444.37万辆，成为世界汽车第四大生产国。业内专家预计未来我国汽车工业仍将保持快速增长势头，2010年将达到800万辆，其中主要增加轿车产量，同时轿车的国产化率也在不断提高。2003年我国汽车仅保险杠和仪表板消耗EPDM/PP就达17.1 kt，预计2006年我国汽车工业对EPDM/PP需求量将达到30 kt左右。
目前TPV作为汽车密封条的优越性已被国内行业人士认识，高分子量的TPV由于耐磨性好、摩擦系数小，作为汽车玻璃导槽密封条的挤出用料，更可作为汽车橡胶密封条的接角材料。水发泡海绵状TPV在国外已研制成功，成为今后取代海绵橡胶制作汽车密封条的新趋向；且TPV着色工艺简便，常作为汽车密封条外装饰层材料。目前国内数家密封条企业引进彩色TPV和彩色橡胶共挤包覆橡胶密封条生产线，另外橡胶密封条在集装箱、建筑等领域也有应用。然而国内TPV生产量少、品种少、质量差，需求主要依赖进口，2003年密封条消耗TPO、TPV量约为15 kt，其中TPV约为2.5 kt，由于TPV价格昂贵，因此在某种程度上限制了在国内使用。假设我国密封条生产达到国外应用材料同类水平，按2003年密封条产量算，起码需求TPE约22 kt，其中TPV应达到6 kt。
除汽车工业外，电线电缆业是TPO消费又一重要领域。随着我国通讯事业迅速发展，对电线电缆质量和数量提出更高要求，原有的电线电缆生产工艺逐步淘汰。目前国内电线电缆企业众多，假设电缆采用TPO，用挤塑工艺生产，不但生产效率提高，而且产品质量也随着提高，同时可以简化生产工序，废旧制品及边角余料也可以回收利用，产品成本可以降低20%～50%。在家用电器领域中TPO的应用市场潜力较大，国外众多洗衣机配件采用EPDM/PP，但是在我国由于价格较高，目前只有海尔和小天鹅电器公司进行应用，预计2006年汽车以外工业将消费TPO约为18 kt。
基于上述，2006年国内市场对TPO的总需求约为54 kt，业内专家预计未来几年我国TPO需求增长率将保持10%～15%的高速度增长，2010年国内TPO需求量将达到80～100 kt。
由于TPO在汽车和电子电气中应用的重要性和良好的前景，使其成为TPE中增长最快的一种，因此新工艺和新产品开发与生产方兴未艾，特别值得关注的技术有：
（1）动态硫化TPO合成。动态硫化烯烃热塑性弹性开发生产是TPO发展中的里程碑，TPV成为TPE世界中增长最快的品种，近年来年均增长率约为15%。主要是在低比例的热塑性塑料基体中混入高比例橡胶，再与硫化剂一起混炼的同时使弹性体发生化学交联，形成的大量橡胶微粒分散到少量塑料基体中，所以TPV的强度、弹性、耐热性、抗压缩永久性显著提高，热塑性、耐化学性及加工稳定性也明显改善。由于其加工方法和性能最贴近硫化橡胶，因此大量替代汽车用橡胶制品，目前全球消费量约为100 kt。代表性产品为AES公司生产的系列品种Santoprene(EPDM/PP-TPV)和Geolast（NBR/PP-TPV），如AES公司开发TPV新系列B100，是第一个能直接连接ABS、PC、ABS/PC共混物、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等塑料的TPV，能形成牢固连接键，不需要粘接剂。目前Satoprene系列产品日新月异，国外著名高档轿车多选用其制备车用橡胶件。另外国外知名的EDPM公司都先后推出有自己特点的TPV产品，如日本三井化学公司的Milastomer等。
（2）反应器直接制备TPO。国外近年来反应器直接制备热塑性聚烯烃发展迅速，市场需求量快速增长，预计欧美地区未来年均需求增长率将达到15%左右，亚洲国家需求增长率要略低一些。由于反应器直接制备TPO是在聚合反应过程中得到，省去合成橡胶粉碎和共混挤出过程，采用乙烯替代EPDM，故生产成本低。如Basell公司采用特种催化剂在聚合阶段制备软聚合物反应器直接制备TPO，大大降低产品成本；Exxon Mobil公司开发新型反应器制得TPOs（柔性聚烯烃）结合茂金属技术，具有硬度和抗冲击的平衡。目前欧美国家已经开始使用反应器直接制备热塑性聚烯烃逐渐替代混合型热塑聚烯烃。
（3）茂金属催化剂合成TPO。20世纪90年代茂金属催化体系用于橡胶工业化生产，成为合成橡胶最突出的进展之一。茂金属催化乙丙橡胶与传统乙丙橡胶相比具有产物的相对分子量分布窄；产品纯净颜色透亮、聚合结构均匀；尤其是通过改变茂金属结构可以准确地调节乙烯、丙烯和二烯烃的组成，在很大范围内调控聚合物的微观结构，从而合成具有新型链结构的、不同用途的产品。自1997年开始工业化生产至今，全球茂金属催化乙丙橡胶产能已达200 kt/a以上；我国也开始茂金属乙丙橡胶研究和中试生产。茂金属催化合成的氢化丁腈橡胶价格比传统方法合成要低很多；这些茂金属合成橡胶性能特殊，以此为基础合成TPO具有更好性能。近年来国外许多新型高性能TPO结合茂金属技术，如杜邦公司、DOW化学等合作开发TPO复合物和合金新技术，以茂金属聚烯烃弹性体为基础，并在全球范围内推广新一代复配技术。应用该技术的热塑性弹性体可以承受较高温度，并具有较高熔体强度、良好加工性能及较佳的终端产品使用性能。Exxon Mobil公司利用茂金属催化剂和新型溶液聚合工艺生产出丙烯-乙烯专用Vistamaxx系列TPO，有希望在非常柔软织物和薄膜到非常高硬度TPO中得到广泛应用。
（4）其他方面，提高TPO的力学性能、热特性，或者使之具有导电性和阻燃性等新功能的方法，通常是在TPO中添加无机或有机填充剂。近年来填充剂达到纳米级，粉末分散的纳米复合TPO材料引人注目，因为纳米填充剂可以大幅度增加表面积和减少粒子间的距离，可以产生许多意想不到的新功能。对纳米复合TPO的主要影响因素有：填充剂的粒径和形状、聚合物与填充剂的界面粘合强度、填充剂的分散状态等。业内专家一致认为通过纳米复合材料和动态硫化技术相结合，可以开发出更高更新性能的TPO。随着近年来人们对电子射线的认识越来越深入，电子束辐射技术已经成为高分子材料改性的强有力技术手段，利用电子射线生产TPO正变为热点。通过电子射线、辐射线交联等后硫化手段提高TPO性能应值得国内业界高度重视。TPO除汽车、电子电气和建筑工业应用外，在医疗领域替代热固性橡胶加工制品，更清洁卫生，将成为未来发展趋势。
2.3聚氨酯类弹性体[4,7,24-28]
热塑性聚氨酯弹性体具有高强度、韧性好、耐磨、耐油等优异性能。20世纪90年代末期至21世纪初国内引进多条TPU生产线，主要用于密封垫、密封橡胶和制鞋业等生产。2003年我国TPU生产能力约为13 kt/a，随着我国汽车工业的快速发展，国外引进的多条TPU生产线正在建设或计划建设之中。根据我国汽车工业协会公布的数据显示，2003年我国汽车工业对TPU的需求为8 000 t左右，2005年和2010年将需求TPU约10.5 kt和16 kt。随着BASF公司、亨兹曼公司在上海漕泾化学工业区，烟台万华集团在宁波大榭岛开发区，拜耳公司在上海三套世界级规模聚氨酯装置陆续建设，将极大促进了我国TPU产量、品种的快速发展。
国内外近年来对聚氨酯弹性体研究比较活跃，有许多新品种值得关注，如：
采用纳米金属氧化物和无机盐作为抗静电材料制备的抗静电聚氨酯弹性体，或者采用在聚氨酯材料中加入本征导电高分子，经过分散复合、层积复合等方式得到共混物，今后研究重点是解决本征导电高分子与聚氨酯弹性体的相溶和成型问题。
耐高温聚氨酯弹性体，选择异氰酸酯和扩链剂等原料加以改善，如脂肪族的CHDI（1,4-环己烷二异氰酸酯）和HDI（六亚甲基二异氰酸酯）比常用的芳香族MDI和TDI耐热性好，尤其是以CHDI制备的聚氨酯弹性体具有较好加工性和优异耐高温和耐水解性能
液晶聚氨酯弹性体，近年来液晶聚氨酯弹性体研究比较活跃，该类弹性体材料是含有刚性棒状等形状的介晶基元及活性端基的聚合物，主要的封端基团有马来酰亚胺基、异氰酸酯基、环氧基等基团。液晶聚氨酯弹性体具有良好的机械、热稳定性能，作为改性剂可以提高材料的韧性和强度。国内湘潭大学合成的含有端酚羟基及柔性（CH2）6链段的液晶聚酯，再与2,4-甲苯二异氰酸酯及甲苯二异氰酸酯-乙二醇加成物进行封端反应，成功制备了液晶聚氨酯弹性体，引起国内业界的关注。
高阻尼聚氨酯弹性体，目前全球高阻尼材料品种很多，其中研究最多的就是高阻尼聚氨酯弹性体。美国科研人员开发的聚氨酯-聚苯乙烯-二乙烯苯同时互穿的聚合物网络高阻尼材料在高温下阻尼性能优异。在汽车、国防、军工等领域对高阻尼材料性能要求和数量需求越来越高，性能优良的高阻尼聚氨酯弹性体成为今后聚氨酯弹性体材料开发的热点和重点。
此外还有一些如生物降解弹性体、聚烯烃改性的聚氨酯弹性体、形状记忆聚氨酯弹性体等。
目前TPU领域最值得关注和加快产业化的技术进展有：上海塑料研究所成功开发的TPU挤出管材及由PET丝编织的增强复合软管，特别适合高压输气和输油管；BASF公司新推出的3种TPU具有优异的耐磨性和滑爽感，可以与ABS、PC、ABS/PC合金、PET、PA及多种其他热塑性塑料共混，产品成功应用于微机机壳、手提电话、电动工具夹头等；青岛科技大学开发的微孔聚氨酯弹性体是介于弹性体和泡沫材料之间的一种新材料，适用于减震材料、制鞋、实芯轮胎等方面；美国Crompton公司最近开发的由聚醚三元醇和聚酯三元醇类物质等为原料制备的聚氨酯弹性体，耐磨性能比普通TPU高5～10倍，主要用于刹车片、驱动轮胎、轧辊等方面。
2.4其他热塑性弹性体[1,4,7,19,29]
聚酯类热塑弹性体是以聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为硬段，聚醚或聚酯为软段的嵌段共聚物。TPEE最大特点是在低应力下其拉伸应力比相同硬度的其他聚合物制品大，因此其制件壁厚可以做得更薄，而且低温韧性、耐化学品性、耐油性优良，且具有良好电绝缘性能。目前在汽车、家电、电动工具、体育用品等领域，TEPP主要应用于安全气囊张开门、重型卡车和越野车设备部件、密封圈、软管和导管等。
二烯类TPE主要为天然橡胶的同分异构体，被称之为反式天然橡胶（T-NR）。主要品种有T-NR-反式聚异戊二烯橡胶（TPI）和间同1，2-聚丁二烯（TPB），TPB和TPI的最大特点在于可以进行硫化，解决一般TPE不能采用硫磺、过氧化物硫化的缺点。TPB制备薄膜，具有良好的透气性、防水性和透明度，易光分解，适合食品保鲜使用。
氯乙烯类TPE，主要分为热塑性PVC（TPVC）和热塑性氯化聚乙烯（TCPE）两类。目前国内关于聚氯乙烯（PVC）的热塑性弹性体开发报道较多，如兰化公司开发并生产出的PVC/丁腈橡胶（NBR）共混料，部分替代氯丁橡胶（CR）、天然橡胶和NBR；南京工业大学开发出了PVC/NBR/胶粉共混热塑性弹性体。美国杜邦公司开发出的CPE与乙烯互聚物合金，具有近乎硫化CR和NBR的性能，用于制造密封条、胶布和汽车配件。我国目前是全球主要的CPE生产国，因此关于TCPE研究开发生产进展迅速。
另外TPAE、TPF、硅橡胶热塑弹性体、丙烯酸酯橡胶热塑弹性体等也陆续开发并产业化，其中TPAE向工程化方向发展；而TPF用于高性能超低渗透性汽车燃油胶管等；硅橡胶热塑性弹性体主要用于医疗制品行业；丙烯酸酯橡胶热塑弹性体则主要在汽车零部件中应用。
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国外螺纹刀具现状及发展初探www.tool-tool.com
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螺纹刀具是用于加工各种内外螺纹的专用工具，在机械加工领域使用广泛，需求量大。螺纹刀具在国际刀具市场占有重要地位，美国、德国、日本等发达国家的螺纹刀具销售量约占刀具总销售额的25%，仅次于麻花钻(约30%)。近年来，随着切削加工条件的变化以及对高生产率的重视，对螺纹刀具的材料、表面处理、结构参数等提出了更高要求。了解国外螺纹刀具的现状及发展趋势，对于我国螺纹刀具生产企业调整产品结构、提高产品水平、积极参与市场竞争具有积极意义。本文对螺纹刀具的刀具材料、表面涂层、品种规格、加工设备、产品质量、营销技术等六个方面对国外螺纹刀具的现状及发展趋势进行初步探讨，希望对国内同行有所裨益。
1 刀具材料
国外绝大部分工业用螺纹刀具均采用高速钢制造，用合金工具钢制造的螺纹刀具通常只限于家庭使用。如德国GUHRING精密工具公司生产的丝锥82%以上采用高性能高速钢材料制造，约6%采用硬质合金制造，约8%采用粉末冶金高速钢制造；仅占丝锥总产量约4%的手用丝锥也大量采用普通高速钢制造，合金工具钢已很少使用。该公司90%以上的圆板牙采用普通高速钢制造，其余采用高性能高速钢制造。日本OSG公司、德国EMUGE公司等著名的螺纹刀具制造商约有50%的螺纹刀具采用高速钢制造，其余50%则采用粉末冶金钴高速钢、硬质合金、高性能高速钢等高性能优质材料制造。在难加工材料、硬材料工件的螺纹加工中，粉末冶金钴高速钢刀具材料日益受到重视，其抗弯强度、耐磨性、热硬度等性能指标可比普通含钴高速钢提高2～3倍。但由于粉末冶金高速钢加工成本较高，目前在螺纹刀具选材时尚不能普遍使用。
2 表面涂层
高速钢螺纹刀具进行表面涂层后，可有效降低切削摩擦力，减少刀具磨损，大大提高刀具切削性能和使用寿命(一般可提高刀具使用寿命2～3 倍)。目前TiN涂层及复合涂层工艺在国外螺纹刀具生产中已得到广泛采用，如德国GUHRINR、EMUGE等公司的各种涂层产品已占其螺纹刀具产量的 40%左右。
硬度是高速钢螺纹刀具切削性能的重要参数之一。在加工螺纹过程中，会产生较高切削热并传递给刀具，从而使刀具硬度降低。据有关资料介绍，当切削区温度超过550℃后，刀具的金相组织将发生变化，导致刀具硬度快速下降；温度每升高100℃，硬度下降幅度可达300～400HV；若刀具硬度降至59～60HRC，将基本丧失切削能力。螺纹刀具经涂层后其表面硬度可明显增高：TiN涂层硬度可达2300HV以上；TiCN涂层硬度可达 3000HV以上。螺纹刀具的表面涂层各具特色，并有不同的适用范围：经TiCN涂层的高速钢螺纹刀具硬度较高，可达到与未涂层硬质合金刀具相当的切削性能；此外，在某些切削场合，TiCN涂层高速钢丝锥与未涂层硬质合金刀具相比具有费用较低的优势。用TiCN涂层丝锥攻削黄铜板或铸铝工件时，刀具使用寿命可提高10倍以上；用TiAlN涂层丝锥攻削灰铸铁或过共析铝合金工件时，刀具使用寿命可提高4倍以上。与TiN涂层相比，TiAIN涂层可使刀具具有更高硬度和更好的抗氧化性能，因此TiAIN涂层刀具更适合用于高速切削加工。
3 品种规格
为适应不同材料、不同型式、不同精度的螺纹加工需要，国外螺纹刀具制造商不断改进刀具结构和几何参数，开发出大量新产品。以丝锥为例，就有可改变切屑排出方向的带刃倾角丝锥、螺旋槽丝锥、不产生切屑的挤压丝锥、可喷屑或带内冷却功能的中心带孔丝锥、具有容屑功能的内容屑丝锥、具有防折断功能的带六角颈丝锥、高精度拉削丝锥、带导柱丝锥、前端带钻铰刃的组合丝锥等，品种繁多，功能各异。其中仅带冷却液输入孔的丝锥就有20多个品种，最小规格仅为φ3mm。
此类丝锥使用时，冷却润滑剂通过冷却孔直接喷向切削区，通过降低切削区温度，可有效防止刀瘤的形成，同时便于切屑随冷却液从容屑槽中排出；由于切屑被冷却，可降低对工件的温度影响，改善被加工表面质量。用此类丝锥加工难切削材料，丝锥使用寿命可提高一倍以上。据1998 年EMUGE 公司产品样本统计，EMUGE公司的螺纹刀具品种规格总数近10万个，仅M6丝锥的品种(不同材料、不同型式)和规格(不同螺距、外形尺寸)就有200多个，M6板牙的品种规格有50多个。国外制造的不同结构丝锥的数量构成比大约为：直槽30%，螺旋槽40%，螺尖20%，挤压10%。
发达国家不仅重视开发螺纹刀具新产品，同时大力研究开发螺纹加工新工艺，如：①利用双辊子法滚压加工锥形、梯形(包括多头)螺纹和特殊螺纹；②采用轴向滚丝头和自动滚丝机在壁厚0.8～3mm 的空心毛坯上自动滚压M5～M60外螺纹；③高效率、高精度、多功能MC行星丝锥，可由加工中心三轴同时控制加工，同一螺距的丝锥可加工不同直径的螺纹，切屑细小，易于排除，加工尺寸的调整可由NC程序自动进行。
4 加工设备
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展与广泛应用，近十年来国外螺纹刀具制造技术与装备水平发生了巨大变革和提高。如丝锥制造已广泛采用整体磨削工艺，利用高速磨削、高压冷却、自动操作及自动上下料等先进工艺手段使丝锥外形一次成型，生产效率大幅度提高。德国JUNKER公司生产的快速点磨削式外圆磨床采用立方氮化硼(CBN)砂轮，仅需6秒钟即可完成包括丝锥顶尖、刃部、颈部、柄部的一次磨削成型(如需磨方头，只需增加0.5秒即可完成)。该公司还生产可磨沟、磨刃倾角、磨螺纹的高速、高效NC、CNC磨床，其中 520CNC磨床加工一个M10丝锥的螺纹仅需20秒钟。瑞士REISHAVER生产的RGB25 CNC螺纹磨床既可在机床上直接编程加工各种丝锥，也可与设计中心的计算机联接，根据设计中心的指令加工各种丝锥，大大提高了“小批量、多品种、短周期” 的柔性生产能力，供货周期一般仅为一个星期，特殊刀具最快可在2～3天内交货。日本OSG公司拥有数十台德国JUNKER公司制造的丝锥螺纹磨床；德国 EMUGE公司拥有瑞士REISHAVER公司制造的14台GBA机床和多台RGB2510机床。国外螺纹刀具制造商一方面十分重视在关键工序上重点引进加工效率高、自动化程度高及本国缺少的高精尖设备(一般占全部设备的3%～5%)；另一方面强调立足自身，依靠技术进步，开发具有独自特色的工艺装备。通过研制开发高效专用设备，将计算机技术应用于专用设备，提高专用设备的自动化程度，满足操作简单、调整方便、产品质量稳定的要求，同时最大限度地发挥引进设备的效能，使国外不少螺纹刀具制造商的工艺水平和装备水平达到世界一流。如日本OSG公司的自制专用设备占全部设备的约60%，可很好满足开发新产品的特殊需要。
5 产品质量
国外螺纹刀具制造商非常重视产品质量，将不断提高产品质量作为企业发展战略的重要内容。为保证产品质量的可靠性，大量采用先进的加工设备和加工工艺。如对丝锥毛坯先热处理后成型，以消除冷热加工产生的变形，保证产品的内在质量；采用先进的检测手段，辅以计算机数据处理，使产品检测准确、方便、直观；不断进行产品性能试验，建立切削数据库，及时向用户提供准确、完整的切削数据，保证用户获得最佳效益。此外，国外螺纹刀具制造商的产品样本，对于如何根据不同的被加工材料确定丝锥结构型式、切削参数、冷却液的选用等都有详尽介绍，以帮助用户进行选择和使用；产品标记一般采用激光刻印，美观、清晰；产品包装也各具特色，让用户一目了然。保证产品从里到外全方位的高质量是国外螺纹刀具制造商赢得市场的重要法宝之一。
6 营销技术
在市场竞争不断加剧的今天，国外螺纹刀具制造商将产品营销方式作为重要的技术诀窍，营销工作受到高度重视。国外厂商把为用户提供最佳服务、最大限度地满足用户需要视为企业生存发展的首要条件，将建设强有力的售后服务系统作为占领市场的重要法宝，因此非常重视建立技术水平高、服务力量雄厚的营销队伍，其数量一般占企业人数的10%左右，其中销售工程师占60%以上。销售服务人员面向市场，直接与用户见面，根据用户的不同需要提供不同材质的螺纹刀具和各种切削刃几何参数，尽量满足用户切削高质量螺纹、获得最佳经济效益的需求。国外制造商还十分重视价格竞争以及客户购买心理研究，将制定动态的价格政策作为营销的有效手段。德国、日本的螺纹刀具制造商的产品价目本印刷得与产品样本一样精美而详细，根据用户希望购买价廉物美产品的心理，价目本上的产品报价通常较高且每年按3%～5%的比例增加，但实际成交时给予客户的折扣总是让客户觉得物超所值。
进入21世纪后，高速切削技术及工厂自动化、智能化加工技术的发展对螺纹刀具提出了更高要求。国外目前已批量生产主轴转速达2000～3500r/min的加工中心，但配套刀具的切削能力尚不能满足这些先进设备的要求。因此，必须加快对螺纹刀具(包括刀具材料、结构型式、几何参数等)的研制和开发，使“每一把刀具都调整到适用于每一个具体加工对象”。应特别重视对超硬刀具材料及刀具表面涂层技术的开发，改善螺纹刀具的切削性能，提高其使用寿命，以满足高速切削的需要。工厂自动化和无人化加工要求刀具产品除具有较高的可靠性、较长的刀具寿命和良好的排屑结构外，还必须具有较高的质量稳定性和切削刃重复精度。此外，为适应机械制造业未来发展的需要，还必须开发螺纹刀具识别系统、在线监控系统及刀具运输、刃磨、调整等全方位管理系统。
BW碧威股份有限公司针对客户端改善切削方式、提供专业切削CNC数控刀具专业能力、制造客户需求如：Cutting tool、切削刀具、HSS Cutting tool manufacturer、Carbide end mills manufacturer、Carbide cutting tool manufacturer、NAS Cutting tool manufacturer、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill manufacturer、钨钢铣刀、航太刀具、钨钢钻头、高速刚、铰刀、中心钻头、Taperd end mills、斜度铣.Metric end mills manufacturer、公制铣刀、Miniature end mills manufacturer、微小径铣刀、钨钢切削刀具、Pilot reamer、领先铰刀、Electronics cutter、电子用切削刀具、Step drill、阶梯钻头、Metal cutting saw、金属圆锯片、Double margin drill、领先阶梯钻头、Gun barrel、Angle milling cutter、角度铣刀、Carbide burrs、滚磨刀、Carbide tipped cutter、焊刃刀具、Chamfering tool、倒角铣刀、IC card engraving cutter、IC芯片卡刀、Side cutter、侧铣刀、NAS tool、DIN tool、德国规范切削刀具、Special tool、特殊刀具、Metal slitting saws、Shell end mills、滚筒铣刀、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、交叉齿侧铣刀、Long end mills、长刃铣刀、Stub roughing end mills、粗齿铣刀、Dovetail milling cutters、鸠尾刀具、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、钨钢圆鼻铣刀、Angeled carbide end mills、角度钨钢铣刀、Carbide torus cutters、短刃平铣刀、Carbide ball-noseed slot drills、钨钢球头铣刀、Mould cutter、模具用刀具、BW微型涡流管枪、Tool manufacturer、刀具制造商等相关切削刀具、以服务客户改善工厂加工条件、增加竞争力。欢迎寻购～～～碧威股份有限公司www.tool-tool.com
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螺纹刀具是用于加工各种内外螺纹的专用工具，在机械加工领域使用广泛，需求量大。螺纹刀具在国际刀具市场占有重要地位，美国、德国、日本等发达国家的螺纹刀具销售量约占刀具总销售额的25%，仅次于麻花钻(约30%)。近年来，随着切削加工条件的变化以及对高生产率的重视，对螺纹刀具的材料、表面处理、结构参数等提出了更高要求。了解国外螺纹刀具的现状及发展趋势，对于我国螺纹刀具生产企业调整产品结构、提高产品水平、积极参与市场竞争具有积极意义。本文对螺纹刀具的刀具材料、表面涂层、品种规格、加工设备、产品质量、营销技术等六个方面对国外螺纹刀具的现状及发展趋势进行初步探讨，希望对国内同行有所裨益。
1 刀具材料
国外绝大部分工业用螺纹刀具均采用高速钢制造，用合金工具钢制造的螺纹刀具通常只限于家庭使用。如德国GUHRING精密工具公司生产的丝锥82%以上采用高性能高速钢材料制造，约6%采用硬质合金制造，约8%采用粉末冶金高速钢制造；仅占丝锥总产量约4%的手用丝锥也大量采用普通高速钢制造，合金工具钢已很少使用。该公司90%以上的圆板牙采用普通高速钢制造，其余采用高性能高速钢制造。日本OSG公司、德国EMUGE公司等著名的螺纹刀具制造商约有50%的螺纹刀具采用高速钢制造，其余50%则采用粉末冶金钴高速钢、硬质合金、高性能高速钢等高性能优质材料制造。在难加工材料、硬材料工件的螺纹加工中，粉末冶金钴高速钢刀具材料日益受到重视，其抗弯强度、耐磨性、热硬度等性能指标可比普通含钴高速钢提高2～3倍。但由于粉末冶金高速钢加工成本较高，目前在螺纹刀具选材时尚不能普遍使用。
2 表面涂层
高速钢螺纹刀具进行表面涂层后，可有效降低切削摩擦力，减少刀具磨损，大大提高刀具切削性能和使用寿命(一般可提高刀具使用寿命2～3 倍)。目前TiN涂层及复合涂层工艺在国外螺纹刀具生产中已得到广泛采用，如德国GUHRINR、EMUGE等公司的各种涂层产品已占其螺纹刀具产量的 40%左右。
硬度是高速钢螺纹刀具切削性能的重要参数之一。在加工螺纹过程中，会产生较高切削热并传递给刀具，从而使刀具硬度降低。据有关资料介绍，当切削区温度超过550℃后，刀具的金相组织将发生变化，导致刀具硬度快速下降；温度每升高100℃，硬度下降幅度可达300～400HV；若刀具硬度降至59～60HRC，将基本丧失切削能力。螺纹刀具经涂层后其表面硬度可明显增高：TiN涂层硬度可达2300HV以上；TiCN涂层硬度可达 3000HV以上。螺纹刀具的表面涂层各具特色，并有不同的适用范围：经TiCN涂层的高速钢螺纹刀具硬度较高，可达到与未涂层硬质合金刀具相当的切削性能；此外，在某些切削场合，TiCN涂层高速钢丝锥与未涂层硬质合金刀具相比具有费用较低的优势。用TiCN涂层丝锥攻削黄铜板或铸铝工件时，刀具使用寿命可提高10倍以上；用TiAlN涂层丝锥攻削灰铸铁或过共析铝合金工件时，刀具使用寿命可提高4倍以上。与TiN涂层相比，TiAIN涂层可使刀具具有更高硬度和更好的抗氧化性能，因此TiAIN涂层刀具更适合用于高速切削加工。
3 品种规格
为适应不同材料、不同型式、不同精度的螺纹加工需要，国外螺纹刀具制造商不断改进刀具结构和几何参数，开发出大量新产品。以丝锥为例，就有可改变切屑排出方向的带刃倾角丝锥、螺旋槽丝锥、不产生切屑的挤压丝锥、可喷屑或带内冷却功能的中心带孔丝锥、具有容屑功能的内容屑丝锥、具有防折断功能的带六角颈丝锥、高精度拉削丝锥、带导柱丝锥、前端带钻铰刃的组合丝锥等，品种繁多，功能各异。其中仅带冷却液输入孔的丝锥就有20多个品种，最小规格仅为φ3mm。
此类丝锥使用时，冷却润滑剂通过冷却孔直接喷向切削区，通过降低切削区温度，可有效防止刀瘤的形成，同时便于切屑随冷却液从容屑槽中排出；由于切屑被冷却，可降低对工件的温度影响，改善被加工表面质量。用此类丝锥加工难切削材料，丝锥使用寿命可提高一倍以上。据1998 年EMUGE 公司产品样本统计，EMUGE公司的螺纹刀具品种规格总数近10万个，仅M6丝锥的品种(不同材料、不同型式)和规格(不同螺距、外形尺寸)就有200多个，M6板牙的品种规格有50多个。国外制造的不同结构丝锥的数量构成比大约为：直槽30%，螺旋槽40%，螺尖20%，挤压10%。
发达国家不仅重视开发螺纹刀具新产品，同时大力研究开发螺纹加工新工艺，如：①利用双辊子法滚压加工锥形、梯形(包括多头)螺纹和特殊螺纹；②采用轴向滚丝头和自动滚丝机在壁厚0.8～3mm 的空心毛坯上自动滚压M5～M60外螺纹；③高效率、高精度、多功能MC行星丝锥，可由加工中心三轴同时控制加工，同一螺距的丝锥可加工不同直径的螺纹，切屑细小，易于排除，加工尺寸的调整可由NC程序自动进行。
4 加工设备
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展与广泛应用，近十年来国外螺纹刀具制造技术与装备水平发生了巨大变革和提高。如丝锥制造已广泛采用整体磨削工艺，利用高速磨削、高压冷却、自动操作及自动上下料等先进工艺手段使丝锥外形一次成型，生产效率大幅度提高。德国JUNKER公司生产的快速点磨削式外圆磨床采用立方氮化硼(CBN)砂轮，仅需6秒钟即可完成包括丝锥顶尖、刃部、颈部、柄部的一次磨削成型(如需磨方头，只需增加0.5秒即可完成)。该公司还生产可磨沟、磨刃倾角、磨螺纹的高速、高效NC、CNC磨床，其中 520CNC磨床加工一个M10丝锥的螺纹仅需20秒钟。瑞士REISHAVER生产的RGB25 CNC螺纹磨床既可在机床上直接编程加工各种丝锥，也可与设计中心的计算机联接，根据设计中心的指令加工各种丝锥，大大提高了“小批量、多品种、短周期” 的柔性生产能力，供货周期一般仅为一个星期，特殊刀具最快可在2～3天内交货。日本OSG公司拥有数十台德国JUNKER公司制造的丝锥螺纹磨床；德国 EMUGE公司拥有瑞士REISHAVER公司制造的14台GBA机床和多台RGB2510机床。国外螺纹刀具制造商一方面十分重视在关键工序上重点引进加工效率高、自动化程度高及本国缺少的高精尖设备(一般占全部设备的3%～5%)；另一方面强调立足自身，依靠技术进步，开发具有独自特色的工艺装备。通过研制开发高效专用设备，将计算机技术应用于专用设备，提高专用设备的自动化程度，满足操作简单、调整方便、产品质量稳定的要求，同时最大限度地发挥引进设备的效能，使国外不少螺纹刀具制造商的工艺水平和装备水平达到世界一流。如日本OSG公司的自制专用设备占全部设备的约60%，可很好满足开发新产品的特殊需要。
5 产品质量
国外螺纹刀具制造商非常重视产品质量，将不断提高产品质量作为企业发展战略的重要内容。为保证产品质量的可靠性，大量采用先进的加工设备和加工工艺。如对丝锥毛坯先热处理后成型，以消除冷热加工产生的变形，保证产品的内在质量；采用先进的检测手段，辅以计算机数据处理，使产品检测准确、方便、直观；不断进行产品性能试验，建立切削数据库，及时向用户提供准确、完整的切削数据，保证用户获得最佳效益。此外，国外螺纹刀具制造商的产品样本，对于如何根据不同的被加工材料确定丝锥结构型式、切削参数、冷却液的选用等都有详尽介绍，以帮助用户进行选择和使用；产品标记一般采用激光刻印，美观、清晰；产品包装也各具特色，让用户一目了然。保证产品从里到外全方位的高质量是国外螺纹刀具制造商赢得市场的重要法宝之一。
6 营销技术
在市场竞争不断加剧的今天，国外螺纹刀具制造商将产品营销方式作为重要的技术诀窍，营销工作受到高度重视。国外厂商把为用户提供最佳服务、最大限度地满足用户需要视为企业生存发展的首要条件，将建设强有力的售后服务系统作为占领市场的重要法宝，因此非常重视建立技术水平高、服务力量雄厚的营销队伍，其数量一般占企业人数的10%左右，其中销售工程师占60%以上。销售服务人员面向市场，直接与用户见面，根据用户的不同需要提供不同材质的螺纹刀具和各种切削刃几何参数，尽量满足用户切削高质量螺纹、获得最佳经济效益的需求。国外制造商还十分重视价格竞争以及客户购买心理研究，将制定动态的价格政策作为营销的有效手段。德国、日本的螺纹刀具制造商的产品价目本印刷得与产品样本一样精美而详细，根据用户希望购买价廉物美产品的心理，价目本上的产品报价通常较高且每年按3%～5%的比例增加，但实际成交时给予客户的折扣总是让客户觉得物超所值。
进入21世纪后，高速切削技术及工厂自动化、智能化加工技术的发展对螺纹刀具提出了更高要求。国外目前已批量生产主轴转速达2000～3500r/min的加工中心，但配套刀具的切削能力尚不能满足这些先进设备的要求。因此，必须加快对螺纹刀具(包括刀具材料、结构型式、几何参数等)的研制和开发，使“每一把刀具都调整到适用于每一个具体加工对象”。应特别重视对超硬刀具材料及刀具表面涂层技术的开发，改善螺纹刀具的切削性能，提高其使用寿命，以满足高速切削的需要。工厂自动化和无人化加工要求刀具产品除具有较高的可靠性、较长的刀具寿命和良好的排屑结构外，还必须具有较高的质量稳定性和切削刃重复精度。此外，为适应机械制造业未来发展的需要，还必须开发螺纹刀具识别系统、在线监控系统及刀具运输、刃磨、调整等全方位管理系统。
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CH360车削中心的开发www.tool-tool.com
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摘要：介绍了浙江省重点科技攻关项目CH360车削中心的结构、性能、特点及主要参数，说明该产品的研制成功为我国的机械加工业提供了一种精密、高效、实用、经济的技术装备。
车削中心是一种具有复合加工能力的数控车床，它兼有数控车床和加工中心的加工性能，是目前工业发达国家竞相发展的数控机床品种。其优点是一机多用，占地面积小，节约投资，保证加工精度，减少工件在制品，提高加工效率等。
CH360车削中心是浙江省“九五”重点科技攻关项目，其最大特点是精密、高效、实用、经济，容易为市场经济条件下的广大用户所接受，符合我国的国情。
1 设计方案的确定
根据当前国际和国内经济技术发展的水平以及由市场经济体制所确定的供求关系，当前宜研制功能不是很多和结构简单的车削中心，因此应首先研制可控轴数为3(即C轴、X轴和Z轴)的车削中心，以后在此基础上开发可控轴数和功能更多的车削中心。
主电机采用兼有C轴功能的伺服电机，用同一条传动链通过内装的PLC进行模拟信号切换和互锁，分别实现主轴的主运动和C轴运动。这种方案与常用的两条传动链方案不同，机械结构大大简化，更加容易制造，成本相对较低。
主轴承采用油脂润滑，依靠接触式的迷宫套密封，润滑脂的封入量对主轴轴承寿命和运转时的温升有很大影响，一般每一轴承的封入量控制在10～14g范围内。主轴部分的结构,如图1示。
图1 主轴结构
图2 进给传动结构
机床采用平床身斜滑板的结构，这样不仅便于排屑，而且具有占地面积小、便于操作、宜人化和制造工艺性好的优点。
采用德国SAUTER公司的12工位回转式动力刀架。数控转塔刀架是实现车、钻、镗、铣等多工序加工的关键部件，为了保证本机床的工作精度并缩短制造周期，采用德国SAUTER公司的动力刀架。
2 技术参数的确定
根据目前国内用户的实际需要及国外同类产品的发展趋势，确定该机床的主要参数为：
床身上最大回转直径：360mm；
最大加工长度：750mm；
主轴通孔直径：80mm；
主轴转速（无级）：0－3500r/min；
刀架装刀数：12把；
Z轴进给速度（无级）：0-20m/min；
X轴进给速度（无级）：0-10m/min；
动力刀具主轴转速：0－2500r/min；
主电机功率：12kW；
X、Z轴最小设定单位：0.001mm；
C轴最小输出增量：0.001°
Z向重复定位精度：0.007mm；
X向重复定位精度：0.002mm；
刀架重复定位精度：0.002mm；
加工圆度：0.002mm；
外形尺寸(长×宽×高)：2000mm×800mm×1600mm；
机床净重：4800kg．
3 提高性能的主要措施
提高精度的措施
床头箱部件采用日本优质高精度NSK轴承支承主轴，前轴承用双列短圆柱滚子轴承和两个球轴承，后轴承也采用双列短圆柱滚子轴承，使前后轴承发热均匀，减小主轴角位移，减小机床的热变形。主传动采用高速润滑脂润滑，以减小主轴承和其它轴承的发热量，延长轴承寿命。主轴系统经过精密动平衡，确保主轴箱部件振动小、刚性好、精度高。
床身采用炮筒式筋板结构而且与床座做成一体，从而增强了刚性。床身导轨面采用超音频淬火和周边磨削工艺，淬火层深度保持在2.5mm以上，有效地提高了机床的精度和精度保持性。
机床的纵横向进给伺服电机输出端后分别设置弹性联轴器和同步齿形带联接，使传动更加平稳。纵横向进给均采用内循环滚珠丝杠传动，使机床的X和Z向重复定位精度分别达到0.002mm和0.007mm。
X轴和Z轴的最小设定单位为0.001mm，C轴的最小输出增量为0.001°，转塔刀架的重复定位精度为0.002mm，且数控系统具有刀具补偿、间隙补偿、螺距补偿等功能，全面保证了加工零件的加工精度。
提高效率的措施
在车削中心上能对回转体进行复合加工，将车、钻、铣和攻螺纹等工序集于一台机床，而且零件一次装夹误差小，提高了加工质量和效率，节省设备费用，简化了生产管理。
主轴最高转速达3500r/min，动力刀具主轴最高转速达2500r/min，X轴和Z轴快速进给分别达到10m/min和20m/min，且Z 向从0～20m/min转换时间仅0.06s，主轴从0～3500r/min的转换时间仅2.5s，转塔刀架的相邻换刀时间仅0.3s，这些都保证了加工效率的提高。
提高机床的实用性
数控系统有较完备的循环功能，如直线插补、圆弧插补、锥度切削循环及螺纹切削循环，使机床编程简单。同时还可以进行人机对话编程，进行运动轨迹和动态模拟，并存有丰富的车削工艺数据库。
机床对刀简便，有多种方法，可用刀具直接加工零件，把实测值输入系统，使刀具偏置值自动生成。刀具的安装调整简便迅速。
操作面板上的功能键为本厂自己定义，比较简洁直观，用PLC控制三爪夹紧、放松，尾架套筒伸出、退回，刀架选刀、定位，动力刀具是否生效，主轴和C轴生效等，以最简单的操作实现机电联调达所需功能。
一台车削中心可以替代多台和多种机床，它具有普通车床的切削加工功能外，利用C轴及回转刀具可进行纵向钻孔、钻偏心孔、攻螺纹、纵向铣槽、铣端面、铣圆周槽、车端面螺纹、铣多边形、铣圆周、铣纵向螺旋槽、铣轮廓及刻字等，在一台机床上可达到成品化加工的目的。
降低机床成本的措施
由于我们在总体方案和结构性能设计上，都尽量用简单化代替复杂化，如控制轴数选为3，采用兼有C轴功能的伺服电机作主电机，纵横向进给分别采用联轴器和同步齿形带传动，使机床在结构方案上显得简捷合理，同时降低了成本。该机床的成本约为40万元，售价在55万元左右，而国内其它同类车削中心的售价均在70万元以上。
4 结束语
CH360车削中心的研制成功，为我国的机械加工业提供了一种精密、高效、实用、经济的技术装备，该产品经江苏溧阳内燃机配件厂等用户使用，通过实际考验证明，机床的自动化程度高，工作可靠，整机性能已接近国外同类产品水平，可以替代进口。
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摘要：介绍了浙江省重点科技攻关项目CH360车削中心的结构、性能、特点及主要参数，说明该产品的研制成功为我国的机械加工业提供了一种精密、高效、实用、经济的技术装备。
车削中心是一种具有复合加工能力的数控车床，它兼有数控车床和加工中心的加工性能，是目前工业发达国家竞相发展的数控机床品种。其优点是一机多用，占地面积小，节约投资，保证加工精度，减少工件在制品，提高加工效率等。
CH360车削中心是浙江省“九五”重点科技攻关项目，其最大特点是精密、高效、实用、经济，容易为市场经济条件下的广大用户所接受，符合我国的国情。
1 设计方案的确定
根据当前国际和国内经济技术发展的水平以及由市场经济体制所确定的供求关系，当前宜研制功能不是很多和结构简单的车削中心，因此应首先研制可控轴数为3(即C轴、X轴和Z轴)的车削中心，以后在此基础上开发可控轴数和功能更多的车削中心。
主电机采用兼有C轴功能的伺服电机，用同一条传动链通过内装的PLC进行模拟信号切换和互锁，分别实现主轴的主运动和C轴运动。这种方案与常用的两条传动链方案不同，机械结构大大简化，更加容易制造，成本相对较低。
主轴承采用油脂润滑，依靠接触式的迷宫套密封，润滑脂的封入量对主轴轴承寿命和运转时的温升有很大影响，一般每一轴承的封入量控制在10～14g范围内。主轴部分的结构,如图1示。
图1 主轴结构
图2 进给传动结构
机床采用平床身斜滑板的结构，这样不仅便于排屑，而且具有占地面积小、便于操作、宜人化和制造工艺性好的优点。
采用德国SAUTER公司的12工位回转式动力刀架。数控转塔刀架是实现车、钻、镗、铣等多工序加工的关键部件，为了保证本机床的工作精度并缩短制造周期，采用德国SAUTER公司的动力刀架。
2 技术参数的确定
根据目前国内用户的实际需要及国外同类产品的发展趋势，确定该机床的主要参数为：
床身上最大回转直径：360mm；
最大加工长度：750mm；
主轴通孔直径：80mm；
主轴转速（无级）：0－3500r/min；
刀架装刀数：12把；
Z轴进给速度（无级）：0-20m/min；
X轴进给速度（无级）：0-10m/min；
动力刀具主轴转速：0－2500r/min；
主电机功率：12kW；
X、Z轴最小设定单位：0.001mm；
C轴最小输出增量：0.001°
Z向重复定位精度：0.007mm；
X向重复定位精度：0.002mm；
刀架重复定位精度：0.002mm；
加工圆度：0.002mm；
外形尺寸(长×宽×高)：2000mm×800mm×1600mm；
机床净重：4800kg．
3 提高性能的主要措施
提高精度的措施
床头箱部件采用日本优质高精度NSK轴承支承主轴，前轴承用双列短圆柱滚子轴承和两个球轴承，后轴承也采用双列短圆柱滚子轴承，使前后轴承发热均匀，减小主轴角位移，减小机床的热变形。主传动采用高速润滑脂润滑，以减小主轴承和其它轴承的发热量，延长轴承寿命。主轴系统经过精密动平衡，确保主轴箱部件振动小、刚性好、精度高。
床身采用炮筒式筋板结构而且与床座做成一体，从而增强了刚性。床身导轨面采用超音频淬火和周边磨削工艺，淬火层深度保持在2.5mm以上，有效地提高了机床的精度和精度保持性。
机床的纵横向进给伺服电机输出端后分别设置弹性联轴器和同步齿形带联接，使传动更加平稳。纵横向进给均采用内循环滚珠丝杠传动，使机床的X和Z向重复定位精度分别达到0.002mm和0.007mm。
X轴和Z轴的最小设定单位为0.001mm，C轴的最小输出增量为0.001°，转塔刀架的重复定位精度为0.002mm，且数控系统具有刀具补偿、间隙补偿、螺距补偿等功能，全面保证了加工零件的加工精度。
提高效率的措施
在车削中心上能对回转体进行复合加工，将车、钻、铣和攻螺纹等工序集于一台机床，而且零件一次装夹误差小，提高了加工质量和效率，节省设备费用，简化了生产管理。
主轴最高转速达3500r/min，动力刀具主轴最高转速达2500r/min，X轴和Z轴快速进给分别达到10m/min和20m/min，且Z 向从0～20m/min转换时间仅0.06s，主轴从0～3500r/min的转换时间仅2.5s，转塔刀架的相邻换刀时间仅0.3s，这些都保证了加工效率的提高。
提高机床的实用性
数控系统有较完备的循环功能，如直线插补、圆弧插补、锥度切削循环及螺纹切削循环，使机床编程简单。同时还可以进行人机对话编程，进行运动轨迹和动态模拟，并存有丰富的车削工艺数据库。
机床对刀简便，有多种方法，可用刀具直接加工零件，把实测值输入系统，使刀具偏置值自动生成。刀具的安装调整简便迅速。
操作面板上的功能键为本厂自己定义，比较简洁直观，用PLC控制三爪夹紧、放松，尾架套筒伸出、退回，刀架选刀、定位，动力刀具是否生效，主轴和C轴生效等，以最简单的操作实现机电联调达所需功能。
一台车削中心可以替代多台和多种机床，它具有普通车床的切削加工功能外，利用C轴及回转刀具可进行纵向钻孔、钻偏心孔、攻螺纹、纵向铣槽、铣端面、铣圆周槽、车端面螺纹、铣多边形、铣圆周、铣纵向螺旋槽、铣轮廓及刻字等，在一台机床上可达到成品化加工的目的。
降低机床成本的措施
由于我们在总体方案和结构性能设计上，都尽量用简单化代替复杂化，如控制轴数选为3，采用兼有C轴功能的伺服电机作主电机，纵横向进给分别采用联轴器和同步齿形带传动，使机床在结构方案上显得简捷合理，同时降低了成本。该机床的成本约为40万元，售价在55万元左右，而国内其它同类车削中心的售价均在70万元以上。
4 结束语
CH360车削中心的研制成功，为我国的机械加工业提供了一种精密、高效、实用、经济的技术装备，该产品经江苏溧阳内燃机配件厂等用户使用，通过实际考验证明，机床的自动化程度高，工作可靠，整机性能已接近国外同类产品水平，可以替代进口。
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概述
1. 加工精度与加工误差
加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。
2.加工经济精度
由于在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法，只要精心操作，细心调整，并选用合适的切削参数进行加工，都能使加工精度得到较大的提高，但这样会降低生产率，增加加工成本。加工误差δ与加工成本C成反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，在这个范围内都可以说是经济的。
3. 原始误差
由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。
工艺系统的原始误差主要有工艺系统的几何误差、定位误差、工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差、工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差、测量误差等。
4.研究机械加工精度的方法
a) 研究机械加工精度的方法分析计算法和统计分析法。
b) 采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动
二、工艺系统集合误差
1.机床的几何误差
加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的磨损将使机床工作精度下降。
主轴回转误差
机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。
主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。
产生主轴径向回转误差的主要原因有：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。
譬如，在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的，见右图，在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大；在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。图中的δd表示径向跳动量。
产生轴向窜动的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。
不同的加工方法，主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。在车床上加工外圆和内孔时，主轴径向回转误差可以引起工件的圆度和圆柱度误差，但对加工工件端面则无直接影响。主轴轴向回转误差对加工外圆和内孔的影响不大，但对所加工端面的垂直度及平面度则有较大的影响。在车螺纹时，主轴向回转误差可使被加工螺纹的导程产生周期性误差。
适当提高主轴及箱体的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对高速主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。
导轨误差
导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下三个方面：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度(扭曲)。
卧式车床导轨在水平面内的直线度误差△1将直接反映在被加工工件表面的法线方向（加工误差的敏感方向）上，对加工精度的影响最大。卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差△2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但△2对加工精度的影响要比△1小得多。由右图2可知，若因△2而使刀尖由a下降至b，不难推得工件半径R的变化量。
当前后导轨存在平行度误差(扭曲)时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。由右图可见，当前后导轨有了扭曲误差 △3之后，由几何关系可求得△y≈(H/B)△3。一般车床的H/B≈2/3，车床前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大。
卧式车床导轨直线度误差
卧式车床导轨垂直面内直线度误差对加工精度的影响
卧式车床导轨扭曲对加工精度的影响
除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也使造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。
传动链误差
传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。
工件在夹具中装夹示意图
2.刀具的几何误差
刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具成形刀具展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具(如车刀等)，其制造误差对工件加工精度无直接影响。
任何刀具在切削过程中，都不可避免地要产生磨损，并由此引起工件尺寸和形状地改变。正确地选用刀具材料和选用新型耐磨地刀具材料，合理地选用刀具几何参数和切削用量，正确地刃磨刀具，正确地采用冷却液等，均可有效地减少刀具地尺寸磨损。必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。
3.夹具的几何误差
夹具的作用时使工件相当于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别使位置精度)有很大影响。如右图钻床夹具中，钻套轴心线f 至夹具定位平面c间的距离误差跋旃ぜ譨至底面B尺寸L的精度；钻套轴心线f至夹具定位平面c间的平行度误差，影响工件孔轴心线a至底面B的平行度；夹具定位平面c与夹具体底面d底的垂直度误差，影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度；钻套孔的直径误差亦将影响工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度。
三、定位误差
定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动量。定位误差由基准不重合误差和定位副制造不准确误差造成。
a) 零件图
b) 加工f面
c) 加工g面方案Ⅰ
d) 加工g面方案Ⅱ
基准不重合误差分析示例
1.基准不重合误差
在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下，工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时，须选择工件上若干几何要素作为加工时的定位基准(或测量基准)，如果所选用的定位基准(或测量基准)与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差。基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。
图示零件，设e面已加工好，今在铣床上用调整法加工f面和g面。在加工f面时若选e面为定位基准，则f面的设计基准和定位基准都是e面，基准重合，没有基准不重合误差，尺寸A的制造公差为TA。加工g面时，定位基准有两种不同的选择方案，一种方案(方案Ⅰ)加工时选用f面作为定位基准，定位基准与设计基准重合，没有基准不重合误差，尺寸B的制造公差为TB；但这种定位方式的夹具结构复杂，夹紧力的作用方向与铣削力方向相反，不够合理，操作也不方便。另一种方案(方案Ⅱ)是选用e面作为定位基准来加工g面，此时，工序尺寸C是直接得到的，尺寸B是间接得到的，由于定位基准e与设计基准f不重合而给g面加工带来的基准不重合误差等于设计基准f面相对于定位基准e面在尺寸B方向上的最大变动量TA。
定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。
a) 孔和定位心轴不存在间隙时
b) 孔和定位心轴存在间隙时
由定位副制造不准确引起的误差
2.定位副制造不准确误差
工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，它们得实际尺寸(或位置)都允许在分别规定得公差范围内变动。同时，工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位副制造不准确误差。
右图所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削平面，要求保证尺寸h，由于定位基准与设计基准重合，故无基准不重合误差；但由于工件的定位基面(内孔D)和夹具定位元件(心轴d1)皆有制造误差，如果心轴制造得刚好为d1min，而工件得内孔刚好为Dmax(如图示)，当工件在水平放置得心轴上定位时，工件内孔与心轴在P点接触，工件实际内孔中心得最大下移量△ab＝(Dmax－d1min)/2，△ab就是定位副制造不准确而引起的误差。
基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。
四、工艺系统受力变形引起的误差
a) 车细长轴
b) 磨内圆
受力变形对工件精度的影响
1.基本概念
机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。如右图a示，车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；又如在内圆磨床上进行切入式磨孔时，右图b，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。
垂直作用于工件加工表面(加工误差敏感方向)的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值，称为工艺系统刚度k系, k系=Fy/y
式中的变形y不只是由径向切削分力Fy所引起，垂直切削分力Fz与走刀方向切削分力Fx也会使工艺系统在y方向产生变形，故
y=yFx+yFy+yFz
2.工件刚度
工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。
3.刀具刚度
外圆车刀在加工表面法线(y)方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算。
4.机床部件刚度
机床部件刚度
机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。分析实验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点：
变形与载荷不成线性关系；
加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线线间所包容的面积就是载加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功；
第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零；
机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。
影响机床部件刚度的因素
结合面接触变形的影响
摩擦力的影响
低刚度零件的影响
间隙的影响
5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响
在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件在切削力作用下，都将分别产生变形y机、y夹、y刀、y工，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和。
工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况：
由于工艺系统刚度变化引起的误差
由于切削力变化引起的误差
毛坯形状误差的复映
加工过程中，由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。
若毛坯A有椭圆形状误差(如右图)。让刀具调整到图上双点划线位置，由图可知，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1，短轴方向沙国内的背吃刀量为 ap2。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀为y1，对应于ap2产生的让刀为y2,故加工出来的工件 B仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差△毛＝ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差△工＝y1-y2，且△毛愈大，△工愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。△工与△毛之比值ε称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。
尺寸误差(包括尺寸分散)和形状误差都存在复映现象。如果我们知道了某加工工序的复映系数，就可以通过测量毛坯的误差值来估算加工后工件的误差值。
由于夹紧变形引起的误差
工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。
其它作用力的影响
6.减小工艺系统受力变形的途径
由前面对工艺系统刚度的论述可知，若要减少工艺系统变形，就应提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。
提高工艺系统刚度
提高工件和刀具的刚度
提高机床刚度
采用合理的装夹方式和加工方式
减小切削力及其变化
合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。
五、工艺系统受热变形引起的误差
工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%～70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。
1.工艺系统的热源——内部热源和外部热源
2.减小工艺系统热变形的途径
减少发热和隔热
改善散热条件
均衡温度场
改进机床结构
加快温度场的平衡
控制环境温度
六、内应力重新分布引起的误差
1.基本概念
没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为内应力。
工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。
2.内应力的产生
热加工中内应力的产生
铸件因内应力而引起的变形
在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。图示一个内外壁厚相差较大的铸件。浇铸后，铸件将逐渐冷却至室温。由于壁1和壁2比较薄，散热较易，所以冷却比较快。壁3比较厚，所以冷却比较慢。当壁1和壁2从塑性状态冷到弹性状态时，壁3的温度还比较高，尚处于塑性状态。所以壁1和壁2收缩时壁3不起阻挡变形的作用，铸件内部不产生内应力。但当壁3也冷却到弹性状态时，壁1和壁2的温度已经降低很多，收缩速度变得很慢。但这时壁3收缩较快，就受到了壁1和壁2的阻碍。因此，壁3受拉应力的作用，壁1和2受压应力作用，形成了相互平衡的状态。如果在这个铸件的壁1 上开一个口，则壁1的压应力消失，铸件在壁3和2的内应力作用下，壁3收缩，壁2伸长，铸件就发生弯曲变形，直至内应力重新分布达到新的平衡为止。推广到一般情况，各种铸件都难免产生冷却不均匀而形成的内应力，铸件的外表面总比中心部分冷却得快。特别是有些铸件(如机床床身)，为了提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使它冷却更快一些，以获得较高的硬度，这样在铸件内部形成的内应力也就更大些。若导轨表面经过粗加工剥去一些金属，这就象在图中的铸件壁 1上开口一样，必将引起内应力的重新分布并朝着建立新的应力平衡的方向产生弯曲变形。为了克服这种内应力重新分布而引起的变形，特别是对大型和精度要求高的零件，一般在铸件粗加工后安排进行时效处理，然后再作精加工。
冷校直产生的内应力
校直引起的内应力
丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，产生弯曲，如右图示。冷校直就是在原有变形的相反方向加力F，使工件向反方向弯曲，产生塑性变形，以达到校直的目的。在F力作用下，工件内部的应力分布如图b所示。当外力F去除以后，弹性变形部分本来可以完成恢复而消失，但因素心变形部分恢复不了，内外层金属就起了互相牵制的作用，产生了新的内应力平衡状态，如图c所示，所以说，冷校直后的工件虽然减少了弯曲，但是依然处于不稳定状态，还会产生新的弯曲变形。
3.减小内应力变形误差的途径
改进零件结构——设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。
增设消除内应力的热处理工序
合理安排工艺过程——粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。
七、提高加工精度的途径
减小原始误差
转移原始误差
均分原始误差
均化原始误差
误差补偿
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概述
1. 加工精度与加工误差
加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。
2.加工经济精度
由于在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。任何一种加工方法，只要精心操作，细心调整，并选用合适的切削参数进行加工，都能使加工精度得到较大的提高，但这样会降低生产率，增加加工成本。加工误差δ与加工成本C成反比关系。某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，在这个范围内都可以说是经济的。
3. 原始误差
由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。
工艺系统的原始误差主要有工艺系统的几何误差、定位误差、工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差、工件内应力重新分布引起的变形以及原理误差、调整误差、测量误差等。
4.研究机械加工精度的方法
a) 研究机械加工精度的方法分析计算法和统计分析法。
b) 采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动
二、工艺系统集合误差
1.机床的几何误差
加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的磨损将使机床工作精度下降。
主轴回转误差
机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。
主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。
产生主轴径向回转误差的主要原因有：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响大小随加工方式的不同而不同。
譬如，在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的，见右图，在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大；在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。图中的δd表示径向跳动量。
产生轴向窜动的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。
不同的加工方法，主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。在车床上加工外圆和内孔时，主轴径向回转误差可以引起工件的圆度和圆柱度误差，但对加工工件端面则无直接影响。主轴轴向回转误差对加工外圆和内孔的影响不大，但对所加工端面的垂直度及平面度则有较大的影响。在车螺纹时，主轴向回转误差可使被加工螺纹的导程产生周期性误差。
适当提高主轴及箱体的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对高速主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。
导轨误差
导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准，也是机床运动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下三个方面：在水平面内的直线度；在垂直面内的直线度；前后导轨的平行度(扭曲)。
卧式车床导轨在水平面内的直线度误差△1将直接反映在被加工工件表面的法线方向（加工误差的敏感方向）上，对加工精度的影响最大。卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差△2可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但△2对加工精度的影响要比△1小得多。由右图2可知，若因△2而使刀尖由a下降至b，不难推得工件半径R的变化量。
当前后导轨存在平行度误差(扭曲)时，刀架运动时会产生摆动，刀尖的运动轨迹是一条空间曲线，使工件产生形状误差。由右图可见，当前后导轨有了扭曲误差 △3之后，由几何关系可求得△y≈(H/B)△3。一般车床的H/B≈2/3，车床前后导轨的平行度误差对加工精度的影响很大。
卧式车床导轨直线度误差
卧式车床导轨垂直面内直线度误差对加工精度的影响
卧式车床导轨扭曲对加工精度的影响
除了导轨本身的制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也使造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降的主要原因之一。
传动链误差
传动链误差是指传动链始末两端传动元件间相对运动的误差。一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。
工件在夹具中装夹示意图
2.刀具的几何误差
刀具误差对加工精度的影响随刀具种类的不同而不同。采用定尺寸刀具成形刀具展成刀具加工时，刀具的制造误差会直接影响工件的加工精度；而对一般刀具(如车刀等)，其制造误差对工件加工精度无直接影响。
任何刀具在切削过程中，都不可避免地要产生磨损，并由此引起工件尺寸和形状地改变。正确地选用刀具材料和选用新型耐磨地刀具材料，合理地选用刀具几何参数和切削用量，正确地刃磨刀具，正确地采用冷却液等，均可有效地减少刀具地尺寸磨损。必要时还可采用补偿装置对刀具尺寸磨损进行自动补偿。
3.夹具的几何误差
夹具的作用时使工件相当于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对工件的加工精度(特别使位置精度)有很大影响。如右图钻床夹具中，钻套轴心线f 至夹具定位平面c间的距离误差跋旃ぜ譨至底面B尺寸L的精度；钻套轴心线f至夹具定位平面c间的平行度误差，影响工件孔轴心线a至底面B的平行度；夹具定位平面c与夹具体底面d底的垂直度误差，影响工件孔轴心线a与底面B间的尺寸精度和平行度；钻套孔的直径误差亦将影响工件孔a至底面B的尺寸精度和平行度。
三、定位误差
定位误差是指一批工件采用调整法加工时因定位不正确而引起的尺寸或位置的最大变动量。定位误差由基准不重合误差和定位副制造不准确误差造成。
a) 零件图
b) 加工f面
c) 加工g面方案Ⅰ
d) 加工g面方案Ⅱ
基准不重合误差分析示例
1.基准不重合误差
在零件图上用来确定某一表面尺寸、位置所依据的基准称为设计基准。在工序图上用来确定本工序被加工表面加工后的尺寸、位置所依据的基准称为工序基准。一般情况下，工序基准应与设计基准重合。在机床上对工件进行加工时，须选择工件上若干几何要素作为加工时的定位基准(或测量基准)，如果所选用的定位基准(或测量基准)与设计基准不重合，就会产生基准不重合误差。基准不重合误差等于定位基准相对于设计基准在工序尺寸方向上的最大变动量。
图示零件，设e面已加工好，今在铣床上用调整法加工f面和g面。在加工f面时若选e面为定位基准，则f面的设计基准和定位基准都是e面，基准重合，没有基准不重合误差，尺寸A的制造公差为TA。加工g面时，定位基准有两种不同的选择方案，一种方案(方案Ⅰ)加工时选用f面作为定位基准，定位基准与设计基准重合，没有基准不重合误差，尺寸B的制造公差为TB；但这种定位方式的夹具结构复杂，夹紧力的作用方向与铣削力方向相反，不够合理，操作也不方便。另一种方案(方案Ⅱ)是选用e面作为定位基准来加工g面，此时，工序尺寸C是直接得到的，尺寸B是间接得到的，由于定位基准e与设计基准f不重合而给g面加工带来的基准不重合误差等于设计基准f面相对于定位基准e面在尺寸B方向上的最大变动量TA。
定位基准与设计基准不重合时所产生的基准不重合误差，只有在采用调整法加工时才会产生，在试切法加工中不会产生。
a) 孔和定位心轴不存在间隙时
b) 孔和定位心轴存在间隙时
由定位副制造不准确引起的误差
2.定位副制造不准确误差
工件在夹具中的正确位置是由夹具上的定位元件来确定的。夹具上的定位元件不可能按基本尺寸制造得绝对准确，它们得实际尺寸(或位置)都允许在分别规定得公差范围内变动。同时，工件上的定位基准面也会有制造误差。工件定位面与夹具定位元件共同构成定位副，由于定位副制造得不准确和定位副间的配合间隙引起的工件最大位置变动量，称为定位副制造不准确误差。
右图所示工件的孔装夹在水平放置的心轴上铣削平面，要求保证尺寸h，由于定位基准与设计基准重合，故无基准不重合误差；但由于工件的定位基面(内孔D)和夹具定位元件(心轴d1)皆有制造误差，如果心轴制造得刚好为d1min，而工件得内孔刚好为Dmax(如图示)，当工件在水平放置得心轴上定位时，工件内孔与心轴在P点接触，工件实际内孔中心得最大下移量△ab＝(Dmax－d1min)/2，△ab就是定位副制造不准确而引起的误差。
基准不重合误差的方向和定位副制造不准确误差的方向可能不相同，定位误差取为基准不重合误差和定位副制造不准确误差的矢量和。
四、工艺系统受力变形引起的误差
a) 车细长轴
b) 磨内圆
受力变形对工件精度的影响
1.基本概念
机械加工工艺系统在切削力、夹紧力、惯性力、重力、传动力等的作用下，会产生相应的变形，从而破坏了刀具和工件之间的正确的相对位置，使工件的加工精度下降。如右图a示，车细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，使加工出的轴出现中间粗两头细的情况；又如在内圆磨床上进行切入式磨孔时，右图b，由于内圆磨头轴比较细，磨削时因磨头轴受力变形，而使工件孔呈锥形。
垂直作用于工件加工表面(加工误差敏感方向)的径向切削分力Fy与工艺系统在该方向上的变形y之间的比值，称为工艺系统刚度k系, k系=Fy/y
式中的变形y不只是由径向切削分力Fy所引起，垂直切削分力Fz与走刀方向切削分力Fx也会使工艺系统在y方向产生变形，故
y=yFx+yFy+yFz
2.工件刚度
工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关公式估算。
3.刀具刚度
外圆车刀在加工表面法线(y)方向上的刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料力学有关公式估算。
4.机床部件刚度
机床部件刚度
机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用实验方法来测定机床部件刚度。分析实验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点：
变形与载荷不成线性关系；
加载曲线和卸载曲线不重合，卸载曲线滞后于加载曲线。两曲线线间所包容的面积就是载加载和卸载循环中所损耗的能量，它消耗于摩擦力所作的功和接触变形功；
第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点，这说明有残余变形存在，经多次加载卸载后，加载曲线起点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零；
机床部件的实际刚度远比我们按实体估算的要小。
影响机床部件刚度的因素
结合面接触变形的影响
摩擦力的影响
低刚度零件的影响
间隙的影响
5.工艺系统刚度及其对加工精度的影响
在机械加工过程中，机床、夹具、刀具和工件在切削力作用下，都将分别产生变形y机、y夹、y刀、y工，致使刀具和被加工表面的相对位置发生变化，使工件产生加工误差。工艺系统刚度的倒数等于其各组成部分刚度的倒数和。
工艺系统刚度对加工精度的影响主要有以下几种情况：
由于工艺系统刚度变化引起的误差
由于切削力变化引起的误差
毛坯形状误差的复映
加工过程中，由于工件的加工余量发生变化工件材质不均等因素引起的切削力变化，使工艺系统变形发生变化，从而产生加工误差。
若毛坯A有椭圆形状误差(如右图)。让刀具调整到图上双点划线位置，由图可知，在毛坯椭圆长轴方向上的背吃刀量为ap1，短轴方向沙国内的背吃刀量为 ap2。由于背吃刀量不同，切削力不同，工艺系统产生的让刀变形也不同，对应于ap1产生的让刀为y1，对应于ap2产生的让刀为y2,故加工出来的工件 B仍然存在椭圆形状误差。由于毛坯存在圆度误差△毛＝ap1-ap2，因而引起了工件的圆度误差△工＝y1-y2，且△毛愈大，△工愈大，这种现象称为加工过程中的毛坯误差复映现象。△工与△毛之比值ε称为误差复映系数，它是误差复映程度的度量。
尺寸误差(包括尺寸分散)和形状误差都存在复映现象。如果我们知道了某加工工序的复映系数，就可以通过测量毛坯的误差值来估算加工后工件的误差值。
由于夹紧变形引起的误差
工件在装夹过程中，如果工件刚度较低或夹紧力的方向和施力点选择不当，将引起工件变形，造成相应的加工误差。
其它作用力的影响
6.减小工艺系统受力变形的途径
由前面对工艺系统刚度的论述可知，若要减少工艺系统变形，就应提高工艺系统刚度，减少切削力并压缩它们的变动幅值。
提高工艺系统刚度
提高工件和刀具的刚度
提高机床刚度
采用合理的装夹方式和加工方式
减小切削力及其变化
合理地选择刀具材料，增大前角和主偏角，对工件材料进行合理的热处理以改善材料地加工性能等，都可使切削力减小。
五、工艺系统受热变形引起的误差
工艺系统热变形对加工精度的影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，由热变形所引起的加工误差有时可占工件总误差的40%～70%。机床、刀具和工件受到各种热源的作用，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的物质和空间散发热量。当单位时间传入的热量与其散出的热量相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。
1.工艺系统的热源——内部热源和外部热源
2.减小工艺系统热变形的途径
减少发热和隔热
改善散热条件
均衡温度场
改进机床结构
加快温度场的平衡
控制环境温度
六、内应力重新分布引起的误差
1.基本概念
没有外力作用而存在于零件内部的应力，称为内应力。
工件上一旦产生内应力之后，就会使工件金属处于一种高能位的不稳定状态，它本能地要向低能位的稳定状态转化，并伴随有变形发生，从而使工件丧失原有的加工精度。
2.内应力的产生
热加工中内应力的产生
铸件因内应力而引起的变形
在热处理工序中由于工件壁厚不均匀、冷却不均、金相组织的转变等原因，使工件产生内应力。图示一个内外壁厚相差较大的铸件。浇铸后，铸件将逐渐冷却至室温。由于壁1和壁2比较薄，散热较易，所以冷却比较快。壁3比较厚，所以冷却比较慢。当壁1和壁2从塑性状态冷到弹性状态时，壁3的温度还比较高，尚处于塑性状态。所以壁1和壁2收缩时壁3不起阻挡变形的作用，铸件内部不产生内应力。但当壁3也冷却到弹性状态时，壁1和壁2的温度已经降低很多，收缩速度变得很慢。但这时壁3收缩较快，就受到了壁1和壁2的阻碍。因此，壁3受拉应力的作用，壁1和2受压应力作用，形成了相互平衡的状态。如果在这个铸件的壁1 上开一个口，则壁1的压应力消失，铸件在壁3和2的内应力作用下，壁3收缩，壁2伸长，铸件就发生弯曲变形，直至内应力重新分布达到新的平衡为止。推广到一般情况，各种铸件都难免产生冷却不均匀而形成的内应力，铸件的外表面总比中心部分冷却得快。特别是有些铸件(如机床床身)，为了提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使它冷却更快一些，以获得较高的硬度，这样在铸件内部形成的内应力也就更大些。若导轨表面经过粗加工剥去一些金属，这就象在图中的铸件壁 1上开口一样，必将引起内应力的重新分布并朝着建立新的应力平衡的方向产生弯曲变形。为了克服这种内应力重新分布而引起的变形，特别是对大型和精度要求高的零件，一般在铸件粗加工后安排进行时效处理，然后再作精加工。
冷校直产生的内应力
校直引起的内应力
丝杠一类的细长轴经过车削以后，棒料在轧制中产生的内应力要重新分布，产生弯曲，如右图示。冷校直就是在原有变形的相反方向加力F，使工件向反方向弯曲，产生塑性变形，以达到校直的目的。在F力作用下，工件内部的应力分布如图b所示。当外力F去除以后，弹性变形部分本来可以完成恢复而消失，但因素心变形部分恢复不了，内外层金属就起了互相牵制的作用，产生了新的内应力平衡状态，如图c所示，所以说，冷校直后的工件虽然减少了弯曲，但是依然处于不稳定状态，还会产生新的弯曲变形。
3.减小内应力变形误差的途径
改进零件结构——设计零件时，尽量做到壁厚均匀，结构对称，以减少内应力的产生。
增设消除内应力的热处理工序
合理安排工艺过程——粗加工和精加工宜分阶段进行，使工件在粗加工后有一定的时间来松弛内应力。
七、提高加工精度的途径
减小原始误差
转移原始误差
均分原始误差
均化原始误差
误差补偿
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1 前言
数控机床最主要的优点是高效与柔性的高度结合，其主要表现在数控机床能完成对不同零件的加工仅需改变的是机床的控制介质——数控代码，这正是数控加工区别于其它传统加工之处。目前国内企业的数控机床利用率普遍较低，造成这一情况的原因是数控编程技术跟不上，很多企业还停留在手工编程阶段，因此迫切需要改变数控编程的现状。
经历了手工编程和计算机辅助编程之后，数控加工自动编程技术进入了图形编程时代。图形数控编程已成为CAD/CAM必不可少的一部分，是数控编程的最佳途径。目前国内该方面的软件还很少，而国外的软件多处于工作站方面，微机运用上也不多，并且软件系统费用很高，不适合国内企业的实际情况，操作界面为外文，不便于工程人员操作，需花费大量的人力和物力来培训。因而迫切地需要一套适合国内运用的数控编程软件。
本系统是基于微机、面向国内企业而开发的图形数控编程软件，用户输入零件的几何信息(或打开相关的数据文件)后，系统自动生成零件图形，结合输入的加工信息(毛坯尺寸、切削参数等)，系统能进行动态模拟加工，并自动生成数控车床的G/M代码。本系统是利用VB5.0开发出来的，采用纯中文操作，界面通俗易懂、形象直观，适合于普通工程技术人员使用。系统采用了下拉式菜单、弹出式菜单和工具条相结合的方式进行操作，极大地方便了用户的使用。
2 GNC系统的硬件组成
一个完整的GNC系统包括完成从信息的获取到加工指令的全过程。手工输入(MDI)NC代码程序单内容，既麻烦，又枯燥，出错率高。将计算机系统与机床数控装置联机，可以省去人工操作这一环节，还可以同时对多台机床进行实时或分时控制，所以可以配上用于通讯的串行口和DNC接口。
3 零件几何信息的输入和图形生成
零件几何信息的输入包括确定零件的线条总数、各段的参数及相互间的连接特性。零件几何图形的生成是指系统根据用户输入的相关信息自动在屏幕上生成零件的几何图形。
零件几何信息的输入
用户自左至右依次输入零件各段的参数并确定其连接特性后，系统能准确地求出相互间的交点坐标，并“记住”相关几何信息(如各段的线型特征、圆弧的顺逆、各段间是否相切等)。在零件中若有非圆曲线(抛物线、椭圆)，系统则采用“变间距直线逼近法”求出其节点坐标值，并将该值放入一数组中储存起来。几何信息输入完毕后，系统会将所得的数据放在一用户指定的文件中，以便后置处理时使用。
非圆曲线的处理方法(以椭圆为例)：
本系统采用“变间距直线逼近法”，该方法与传统的“等间距法”相比具有明显的优越性。传统的“等间距法”是将非圆曲线所在的区间平均细分为n份，即将曲率半径较大的地方也依曲率半径较小的地方分成同样大小的子区间。这样反应到数控机床上就是不必要的多走刀，效率很低。而变间距法则能较好地处理这一问题。具体方法如图3所示。
根据已知的参数方程求出Y＝F(X)的表达式：(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1，将指定区间se分成n份，根据求得的间距DX 求出Xi，将所得的Xi代入Y＝F(X)即可求出一系列的(Xi，Yi)，即为每个线段终点坐标，并以该坐标值或对应的刀心坐标值编制直线程序段。算至p 点，若发现不满足精度要求，则将pe区间分得更细，依次进行，直到全部满足精度要求为止。
MN为试算后的某一段逼近线段，M'N'平行于MN且到MN的距离为D(用户给定)，可得MN及M'N'的方程：
M N：AX+BY+C＝0
M'N'：AX+BY=C±d[(A2+B2)]½
求解联立方程，当M'N'和(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1两者有交点时，说明需再次细分区间，以减小DX的值(即增加所分的区间数n)，直到两者无交点为止。
D的允许值，一般取零件公差的1/5或1/10，本系统推荐D的允许值在0.001mm以内。
零件几何图形的生成
VB(Visual Basic)提供了较为丰富的画图指令，因而在知道相关参数的情况下，能较为轻松地生成零件的图形。直线和圆弧直接利用“Line”和“Circle”命令。遇到非圆曲线时，将采用变间距直线逼近法求出非圆曲线的节点，依次用直线连接起来，即可近似地得到非圆曲线。
4 数控加工模拟
模拟加工时，用户需按系统提示依次输入毛坯尺寸、机床起刀点、刀补值及丝杠间隙补偿值、切削参数(切削深度、切削速度、进给量)、数控代码在机床存储单元的位置等信息。
考虑到车床的加工工艺较复杂，且车削的零件千变万化，很难以每一固定方式编程，而尽可能多地包括各种情况。系统将车床零件分成两类：阶梯轴和典型零件(基本上能解决常见形状零件的加工)。
阶梯轴是指严格意义上的从左至右依次递减的类型，系统根据输入的加工信息，结合零件的几何信息，自动制定加工路线进行模拟加工，并自动生成相应的G/M代码。
典型零件是指需去除的金属形状的5种类型。若是典型零件，则加工路线需要自定义，选择粗加工的特性类型，按要求输入相应点的坐标值。坐标值的输入应综合考虑毛坯尺寸、零件尺寸、精加工余量，系统会提供零件中交点坐标的信息。系统依据用户的选择顺序进行模拟加工，并生成相应的G/M代码。
为了便于观察，动态模拟过程中用一与刀具外形相类似的二维图形来代替刀具，毛坯轮廓与已切削的部分被赋予不同的颜色，这样就好象真的用刀子在切削一样，形象逼真。
5 数控代码的生成
将模拟加工过程中数控轨迹生成的直线或圆弧数据，按照加工路线和所用机床控制输入格式要求，生成加工圆弧或直线程序段。具体步骤如下：首先判断是加工直线段还是圆弧段，此信息在零件几何信息输入时已获得，当加工直线段或者非圆曲线段(用直线逼近)时，输出G01代码；若加工圆弧，则需判断圆弧是顺时针还是逆时针，分别输出G02、G03代码。然后结合刀位点的信息(X，Z的坐标值)和切削参数，将这些信息结合起来依次放入一用户指定的文件中，则得到数控代码。
6 结论
本系统符合数控自动编程的发展趋势，能在微机上处理数控车床的编程问题，自动生成G/M代码，且操作简单，界面形象直观，适合普通工程技术人员使用。目前该系统已在数控车床上使用，具有良好的经济效益和实际推广应用前景。
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1 前言
数控机床最主要的优点是高效与柔性的高度结合，其主要表现在数控机床能完成对不同零件的加工仅需改变的是机床的控制介质——数控代码，这正是数控加工区别于其它传统加工之处。目前国内企业的数控机床利用率普遍较低，造成这一情况的原因是数控编程技术跟不上，很多企业还停留在手工编程阶段，因此迫切需要改变数控编程的现状。
经历了手工编程和计算机辅助编程之后，数控加工自动编程技术进入了图形编程时代。图形数控编程已成为CAD/CAM必不可少的一部分，是数控编程的最佳途径。目前国内该方面的软件还很少，而国外的软件多处于工作站方面，微机运用上也不多，并且软件系统费用很高，不适合国内企业的实际情况，操作界面为外文，不便于工程人员操作，需花费大量的人力和物力来培训。因而迫切地需要一套适合国内运用的数控编程软件。
本系统是基于微机、面向国内企业而开发的图形数控编程软件，用户输入零件的几何信息(或打开相关的数据文件)后，系统自动生成零件图形，结合输入的加工信息(毛坯尺寸、切削参数等)，系统能进行动态模拟加工，并自动生成数控车床的G/M代码。本系统是利用VB5.0开发出来的，采用纯中文操作，界面通俗易懂、形象直观，适合于普通工程技术人员使用。系统采用了下拉式菜单、弹出式菜单和工具条相结合的方式进行操作，极大地方便了用户的使用。
2 GNC系统的硬件组成
一个完整的GNC系统包括完成从信息的获取到加工指令的全过程。手工输入(MDI)NC代码程序单内容，既麻烦，又枯燥，出错率高。将计算机系统与机床数控装置联机，可以省去人工操作这一环节，还可以同时对多台机床进行实时或分时控制，所以可以配上用于通讯的串行口和DNC接口。
3 零件几何信息的输入和图形生成
零件几何信息的输入包括确定零件的线条总数、各段的参数及相互间的连接特性。零件几何图形的生成是指系统根据用户输入的相关信息自动在屏幕上生成零件的几何图形。
零件几何信息的输入
用户自左至右依次输入零件各段的参数并确定其连接特性后，系统能准确地求出相互间的交点坐标，并“记住”相关几何信息(如各段的线型特征、圆弧的顺逆、各段间是否相切等)。在零件中若有非圆曲线(抛物线、椭圆)，系统则采用“变间距直线逼近法”求出其节点坐标值，并将该值放入一数组中储存起来。几何信息输入完毕后，系统会将所得的数据放在一用户指定的文件中，以便后置处理时使用。
非圆曲线的处理方法(以椭圆为例)：
本系统采用“变间距直线逼近法”，该方法与传统的“等间距法”相比具有明显的优越性。传统的“等间距法”是将非圆曲线所在的区间平均细分为n份，即将曲率半径较大的地方也依曲率半径较小的地方分成同样大小的子区间。这样反应到数控机床上就是不必要的多走刀，效率很低。而变间距法则能较好地处理这一问题。具体方法如图3所示。
根据已知的参数方程求出Y＝F(X)的表达式：(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1，将指定区间se分成n份，根据求得的间距DX 求出Xi，将所得的Xi代入Y＝F(X)即可求出一系列的(Xi，Yi)，即为每个线段终点坐标，并以该坐标值或对应的刀心坐标值编制直线程序段。算至p 点，若发现不满足精度要求，则将pe区间分得更细，依次进行，直到全部满足精度要求为止。
MN为试算后的某一段逼近线段，M'N'平行于MN且到MN的距离为D(用户给定)，可得MN及M'N'的方程：
M N：AX+BY+C＝0
M'N'：AX+BY=C±d[(A2+B2)]½
求解联立方程，当M'N'和(X-Xc)2/R12+(Y-Yc)2/R22=1两者有交点时，说明需再次细分区间，以减小DX的值(即增加所分的区间数n)，直到两者无交点为止。
D的允许值，一般取零件公差的1/5或1/10，本系统推荐D的允许值在0.001mm以内。
零件几何图形的生成
VB(Visual Basic)提供了较为丰富的画图指令，因而在知道相关参数的情况下，能较为轻松地生成零件的图形。直线和圆弧直接利用“Line”和“Circle”命令。遇到非圆曲线时，将采用变间距直线逼近法求出非圆曲线的节点，依次用直线连接起来，即可近似地得到非圆曲线。
4 数控加工模拟
模拟加工时，用户需按系统提示依次输入毛坯尺寸、机床起刀点、刀补值及丝杠间隙补偿值、切削参数(切削深度、切削速度、进给量)、数控代码在机床存储单元的位置等信息。
考虑到车床的加工工艺较复杂，且车削的零件千变万化，很难以每一固定方式编程，而尽可能多地包括各种情况。系统将车床零件分成两类：阶梯轴和典型零件(基本上能解决常见形状零件的加工)。
阶梯轴是指严格意义上的从左至右依次递减的类型，系统根据输入的加工信息，结合零件的几何信息，自动制定加工路线进行模拟加工，并自动生成相应的G/M代码。
典型零件是指需去除的金属形状的5种类型。若是典型零件，则加工路线需要自定义，选择粗加工的特性类型，按要求输入相应点的坐标值。坐标值的输入应综合考虑毛坯尺寸、零件尺寸、精加工余量，系统会提供零件中交点坐标的信息。系统依据用户的选择顺序进行模拟加工，并生成相应的G/M代码。
为了便于观察，动态模拟过程中用一与刀具外形相类似的二维图形来代替刀具，毛坯轮廓与已切削的部分被赋予不同的颜色，这样就好象真的用刀子在切削一样，形象逼真。
5 数控代码的生成
将模拟加工过程中数控轨迹生成的直线或圆弧数据，按照加工路线和所用机床控制输入格式要求，生成加工圆弧或直线程序段。具体步骤如下：首先判断是加工直线段还是圆弧段，此信息在零件几何信息输入时已获得，当加工直线段或者非圆曲线段(用直线逼近)时，输出G01代码；若加工圆弧，则需判断圆弧是顺时针还是逆时针，分别输出G02、G03代码。然后结合刀位点的信息(X，Z的坐标值)和切削参数，将这些信息结合起来依次放入一用户指定的文件中，则得到数控代码。
6 结论
本系统符合数控自动编程的发展趋势，能在微机上处理数控车床的编程问题，自动生成G/M代码，且操作简单，界面形象直观，适合普通工程技术人员使用。目前该系统已在数控车床上使用，具有良好的经济效益和实际推广应用前景。
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