2007年7月3日 星期二

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Berlian yang dipotong cantik

Berlian yang dipotong cantik

Galian berlian merupakan bentuk berkristal, atau karbon allotrop, (allotrop karbon termasuk grafit dan fullerena). Ia merupakan galian yang paling terkenal dan berguna di antara 3,000 galian yang diketahui. Berlian terkenal kerana kualiti fizikalnya yang hebat, terutamanya kekerasannya—perkataan (diamond) diambil daripada bahasa Greek adamas (αδάμας; "mustahil untuk dijinakkan")—dan keupayaan mereka menyelerakkan cahaya.

Ciri-ciri ini dan yang lain menjadikan berlian digemari sebagai barangan perhiasan dan pelbagai kegunaan pengilangan. Kebanyakan berlian dilombong daripada paip gunung berapi, di mana mereka tertinggal oleh gunung berapi yang berasal dalam di perut bumi, yang berasal dari kedalaman sehingga 90 batu (150 km) ke Bumi, di mana tekanan dan suhu sesuai bagi pembentukan berlian.

Kebanyakan berlian dilombong dari tengah dan selatan Afrika, walaupun sejumlah besar galian turut dijumpai di Kanada, Russia, Brazil, dan Australia. Sekitar 130 juta Karat (26,000 kg) berlian dilombong setiap tahun, dengan jumlah keseluruhan hampir $9 billion. Sebagai tambahan, hampir empat kali ganda daripada jisim itu dihasilkan oleh manusia sebagai berlian sintetik.

Tarikan berlian sebagai batu berharga terletak kepada kekerasannya dan ciri-ciri optik. Berlian yang digunakan sebagai permata dipotong dan digilap menjadi bentuk banyak sudut bagi meningkatkan kualiti yang menarik ini. Kekerasan berlian membenarkan ia digilap dengan baik dan tahan calar (hanya berlian lain mampu mencalarkan berlian), memberikan kilauan yang baik.

Penyelerakkan cahaya putih kepada warna pelangi, dikenali dalam bidang ini sebagai api, merupakan ciri utama lain permata berlian, dan telah dihargai sepanjang sejarah. Permata berlian biasanya dinilai oleh empat ciri iaitu Karat, Jernih, Warna, dan Potongan - empat C: carat, clarity, color, and cut. Berlian telah dihargai sebagai permata semenjak sekurang-kurangnya 2,500 tahun dahulu apabila ia digunakan sebagai ikon keugamaan di India. Kemashyuran berlian sebagai permata mula meningkat pada abad ke 19 apabila reka bentuk potongan yang dimajukan meningkatkan kualiti bentuk berlian sebagai permata.

Berlian dalam kegunaan pengilangan telah dikaitkan dengan kekerasannya; ciri-ciri ini menjadikan berlian sebagai bahan terbaik bagi perkakasan memotong dan pelicin — penggunaan biasa termasuk mata gergaji dan maa penggerudiatau kegunaan serbuk berlian sebagai bahan geseran (abrasive). Penggunaan khas lain juga wujud atau sedang dimajukan, termasuk penggunaan sebagai semikonduktor; sesetengan berlian biru merupakan semikonduktor semulajadi, berbanding berlian lain yang merupakan penebat yang baik. Berlian berkualiti pengilangan biasanya tidak sesuai unuk kegunaan sebagai permata atau dihasilkan secara buatan, yang menjadikan harga mereka murah dan ekonomik unuk dignakan.

Penggunaan pengilangan, terutamanya sebagai mata penggerudi dan perkakasan mengukir, juga sermula semenjak masa silam. Penghasilan dan pengagihan berlian biasanya terletak dalam kawalan beberapa pemain utama, dan tertumpu dipusat perdagangan berlian traditional (yang paling utama adalah di Antwerp). De Beers Group, berasaskan di Johannesburg, Afrika Selatan dan London, England, merupakan pemain terbesar dalam industri berlian selama lebih seratus tahun; syarikat tersebut dan anak syarikatnya memiliki lombong berlian sendiri yang menghasilkan sekitar 40 peratus penghasilan berlian dunia, dan mengawal saluran pengedaran yang mengendalikan hampir dua per tiga daripada semua berlian dunia.

Sebahagian pertikaian mengenai berlian disebabkan amalan monopoli yang digunakan oleh De Beers termasuk kawalan ketat bagi bekalan dan manipulasi harga, termasuk juga amalan sebahagian kumpulan revolusi Afrika yang menjual berlian pertikaian untuk membiayai akiviti mereka yang sering ganas.

[Sunting] Ciri-ciri bahan

Sel unit kristal berlian

Sel unit kristal berlian

Berlian adalah kristal lutsinar karbon tulen terdiri daripada atom karbon ikatan tetrahedron. Manusia berupaya menggunakan berlian dalam pelbagai kegunaan kerana ciri-ciri fizikal luar biasa. Yang paling jelas adalah kekerasan melampau berlian dan index penyelerakan optiknya. Kedua ciri-ciri ini membentuk asas bagi kebanyakan kegunaan berlian moden.

[Sunting] Ciri-ciri mekanikal

Sruktur kristal: Berlian biasanya berkristal dalam bentuk sistem kristal dan terdiri daripada atom karbon ikatan tetrahedron. Bentuk kedua dikenali sebagai lonsdaleite dengan simetri hexagonal amat jarang dijumpai secara semulajadi, tetapi merupakan ciri-ciri berlian buatan. Bagaimanapun bentuk lain berlian dikenali sebagai karbonado; ini adalah kriptokristal. Berlian jernih, kelabu, atau hitam dengan struktur berputar (radial) seni adalah sferulit.

Susunan atom tetrahedral dalam kristal berlian adalah sumber kebanyakan ciri-ciri berlian; grafit, allotrop bentuk karbon lain, mempunyai struktur kristal rhombohedral dan hasilnya menunjukkan ciri-ciri fizikal dramatik — berlainan dengan berlian, grafit merupakan galian amat lembut, kelabu gelap lut-cahaya.

Struktur ikatan kristal berlian memberikan permata ini kekerasannya dan membezakannya daripada grafit
Struktur ikatan kristal berlian memberikan permata ini kekerasannya dan membezakannya daripada grafit

Ketahanan: Berlian adalah bahan paling keras yang wujud secara semulajadi, dengan 10 pada perbandingan skala Moh kekerasan galian dan mempunyai nilai kekerasan mutlak (absolute hardness) antara 167 dan 231 gigapaskal dalam pelbagai ujian. Kekerasan berlan telah diketahui semenjak masa silam lagi, yang merupakan punca namanya.

Kegunaan pengilangan umum berlian berasaskan pada kekerasan berlian yang luar biasa. Sebagai bahan paling keras yang diketahui wujud secara semulajadi, berlian boleh digunakan untuk mengilap, memotong, atau menghakis sebarang bahan, termasuk berlian lain. Penggunaan pengilangan biasa bagi keupayaan ini termasuk gerudi bermata berlian, dan gergaji.

Kekerasan berlian juga menyumbang kepada kesesuaiannya sebagai batu permata. Kerana ia hanya boleh dicalar oleh berlian lain, ia mengekalkan kilauannya dengan baik, kekal bersinar untuk tempoh yang lama. Tidak seperti permata lain, ia sesuai digunakan setiap hari kerana ia tahan calar — kemungkinannya sebab ia popular sebagai cincin kahwin atau cincin pertunangan, yang sering dikenakan setiap hari.

Kekerasan, tidak sama seperti ketahanan yang hanya menunjukkan ketahanan kepada calar, kekerasan berlian hanyalah pada serdahana baik. Kekerasan berkait dengan keupayaan sesuatu bahan daripada pecah akibat hentaman. Sebagaimana bahan lain, geometri makroskopik berlian menyumbang kepada ketahanannya daripada pecah. Berlian yang dipotong dalam bentuk tertentu lebih mudah pecah berbanding potongan cara lain.

Warna: Berlian terbentuk secara semulajadi mempunyai pelbagai kilauan warna — jernih, puih, biru, kuning, merah, hijau, merah jambu, perang, — atau warna hitam. Berlian dengan warna kelihatan dikenali sebagai "berlian bewarna". Berlian bewarna mengandungi bendasing atau kecacatan struktur yang menyebabkan pewarnaan, sementara berlian tulen atau hampir tulen adalah jernih dan tanpa warna. Kebanyakan bendasing berlian menggantikan atom karbon dalam jaringan kristal. Bendasing paling biasa, nitrogen, menyebabkan sedikit warna kekuningan atau keperangan.


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CAD在三坐标测量机中的应用www.tool-tool.com

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【iEicn.com编者按】近些年各个三坐标测量软件开发厂商相继在自己的软件中加入了CAD功能,且功能越来越强大。本文就CAD在三坐标测量软件中的使用和其功能作简要阐述。

前言

三坐标测量机作为一种高精度的通用测量设备已经有了几十年的发展历史,其在工业生产领域中的使用越来越为广泛,也越来越受到生产型企业的重视。而三坐标测量软件中对CAD功能的引入,更是将三坐标测量机的应用领域和易用性推到一个新的高度。

以下就以西安力德测量设备有限公司的三坐标测量机测量方案为例,对CAD在三坐标测量中的应用做简要介绍。

1、虚拟测量

虚拟测量就是在没有实际工件的情况下对CAD模型在软件中进行测量。

西安力德测量设备有限公司的测量软件拥有强大的CAD功能,要进行虚拟测量时,打开软件,选择脱机工作模式,然后导入所要测量的CAD模型,并将 CAD模型对应到选定的坐标系中即进行测量。根据所要测量的几何元素,使用鼠标在CAD模型上点击所要采点的位置,此时CAD模型上会显示所采点的位置及 其矢量方向。根据所测量的几何要素的需要,可进行多次采点。当采够所需要的点数后再在采点窗口中点确定,系统将会驱动虚拟测头进行采点,并拟和出要测的几 何元素及其图形。

虚拟测量可以通过对没有尺寸数据的CAD模型进行测量,确定其各种尺寸参数。但这不是虚拟测量的主要目的,虚拟测量的主要功能是为在脱机状态下进行自动测量编程做服务。

2、脱机编程

数控三坐标测量机使批量测量的效率有所提高,通过对给定工件的测量进行编程,可以实现全自动的快速测量。

在三坐标测量软件没有引入CAD功能之前,对测量程序的编制要求专业人员对应图纸进行编程,这种编程方法使用较为复杂,且对操作人员要求较高。

还有一种方法就是使用三坐标测量软件的自学习编程功能,在对工件进行实际测量的同时自动生成测量程序。当再次测量同样的工件时即可调用此程序进行自 动测量。由于这种方法简单易用,适应面广,因此在业内被广泛使用。但由于这种编程离不开实际工件,所以也就带来了很多难以克服的缺点。一是由于编程离不开 硬件环境,必须要将给测量机配套的气源等打开,使测量机能正常运行方能进行编程,这样编成较为繁琐。二是编程离不开工件,所以就必须等工件加工完成后才能 进行编程,这样便会降低了工作效率从而影响生产。

坐标机测量软件中引入CAD功能之后,由于可在脱机状态下通过对CAD模型进行虚拟测量,从而可完成自学习编程的过程,因此解决了以上问题。无论生 产是否进行,只要将设计部门设计的CAD图纸文件输入到测量软件中,就可以进行编程。等工件加工完成就可以进行程序测量,这样就大大提高的生产效率。其具 体的方法是先在三坐标测量软件中打开要测量工件的CAD模型,然后打开测量程序自学习功能,建立好坐标系后就可以开始模拟对工件的测量。系统将自动生成测 量程序。

在程序编制完成之后,还可以在CAD环境中调用程序进行模拟测量,对程序进行验证,找出运行过程中出现的错误测量路径和采点,并对程序进行修正,将实际测量中可能出现的问题降到最低,也最大程度的保证了测量过程中的安全性。

3、使位置公差评定更加方便

在以往的三坐标测量软件中,要对几何元素的位置公差进行评定,必须手工输入几何元素的理论位置,然后再和实际测量得到的值进行比对,这样对位置公差的评定很不方便。

当坐标测量机软件引入CAD功能之后,就可以在软件中对CAD模型进行测量,由于模型是设计出来的,所以对其进行测量所测得值既为几何元素的理论 值。在有了理论值之后,在对应的坐标系下再对实际工件进行测量,即得到了所需几何元素的实际值。这样就可以对所测几何元素的位置公差进行评定。

这在使用中,既省去了手工逐个输入几何元素理论值的麻烦,而且也可以避免为了与图纸上的标注尺寸相对应而频繁变动坐标系。这大大降低了操作人员的劳动强度,也减少了出错的几率,同时也提高了测量的精度及效率。

4、CAD输出用于逆向工程

在当前的生产制造中往往会碰到这么一种情况,客户能提供给制造者的只有实物而没有任何图纸或CAD数据,特别是样件中有曲线、曲面等很难通过测量获 得其准确的数据的复杂模型。在这种情况下,传统的加工方法是使用雕刻法或其他方法制作出一个一比一的模具,再用模具进行生产。这种方法无法获得工件准确的 尺寸图纸,也很难对其外型进行修改。

逆向工程就是为了解决以上难题而提出的一套理论。逆向工程是指由工件产生图纸或各种相关尺寸数据的过程,是相对与传统的由图纸数据而产生工件的过程而言的。三坐标测量软件中引入CAD功能用于逆向工程,使传统的三坐标测量机用于成品检测的功能,有了更大的扩展。

在逆向工程中,首先使用三坐标测量机对样件的外型进行精确测量,然后用CAD功能对所测得的数据进行处理,最终生成一种或几种CAD格式的数据文 件。如西安力德公司的三坐标测量软件生成IGS格式的数据,而且还可以使用此软件附带的功能,使数据在多种CAD格式之间进行转换。

这些数据文件可以被一般的CAD/CAM软件系统所接受,利用这些软件系统可以对数据进行修改,或直接进行数控机床加工法编程,最终指导数控机床进行加工。也可以对这些数据进行切片处理,指导激光成型机进行快速成型。

逆向工程不仅能使工件快速的进入批量生产,而且可以得到工件的CAD数据,有了这些数据,就可以再使用三坐标测量机对生产出来的工件进行检测,保证产品的质量。

结束语

三坐标测量机作为一种通用测量机,由于其具有很高的测量精度和测量效率,并且具有操作方便,可实现在线测量等众多优点,已经在现代工业中有了不可替代的地位。而CAD功能的引入,必将给三坐标测量机带来更大的使用空间。


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难加工材料解决方案加热切削技术及其发展和应用 www.tool-tool.com

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


图1 加热切削示意图
加热切削加工方法巧妙地利用了高能热源的热效应,对被切削材料进行加热,使材料切削部位受热软化,硬度、强度下降,易产生塑性变形(图1)。由于 加热温升后工件材料的剪切强度下降,使切削力和功率消耗降低,振动减轻,因而可以提高金属切除率,改善加工表面的粗糙度。又因刀具耐用度与工件温度存在一 定的关系(通常,当工件温度在810℃左右时刀具的耐用度最大),所以还可延长刀具寿命。
早在1890年就出现了对材料进行通电的加热切削,并获美国和德国专利。20世纪40年代,加热切削在美、德开始进入工业应用实践,证明高温 能使“不可能”加工的金属提高加工性能,并取得经济效益。但这个时期加热切削尚处于发展的初步阶段,加工质量难以保证,基本上没有应用到生产实际中。60 年代以后,利用刀具与工件构成回路通以低压大电流,实现了导电加热切削,使切削能顺利进行。70年代初,出现了一种有效的等离子弧加热切削,最初由英国研 制成功。80年代以后,开发了激光加热切削,由于激光束能快速局部加热,较好地满足了加热切削的要求,因而提高了加热切削技术的实用价值。
一般热源
加热切削所用热源,如通电加热、焊矩加热、整体加热、火焰和感应局部加热及导电加热,通称为一般热源。这些热源都能对被加工材料加热,对加热切削 技术的出现和发展起了重要作用,但它们存在加热区过大、热效率低、温控困难、加工质量难以保证等问题,使切削不理想,难以甚至未能应用到生产实际中去。
等离子弧及激光热源
等离子弧加热切削,用等离子弧喷枪中的钨作阴极,工件材料作阳极,通电后形成高温的等离子弧,其特点是加热温度高,能量集中,可对难加工材料进行 高效切削。研究表明,在加热切削冷硬铸铁和高锰钢等难加工材料时,切削速度高达100~150m/min,刀具耐用度可提高1~4倍。这种方法存在的问题 是加热点必须与刀具有一定距离,加热效果难控制;加工条件恶劣,需要防护装置。
激光加热切削以激光束为热源,对工件进行局部加热,其优点是热量集中,升温迅速;热量由表及里逐渐渗透,刀具与工件交界面的热量较低;激光束 可照射到工件的任何加工部位并形成聚焦点,便于实现可控局部加热。研究结果表明,激光加热切削可使切削力下降25%左右,还能有效改善工件的表面粗糙度。 存在的主要问题是大功率激光器价格昂贵,能量转换效率低,金属材料对激光吸收能力差,吸收率一般只有15%~20%左右,经磷酸处理后,吸收能力可提高到 80%~90%,但经济可行性差,这是这种加热方法难以推广应用的原因之一。
以上两种热源的出现,大大推动了加热切削技术的发展,国内外已进行了大量卓有成效的研究工作。但要顺利地用于生产,达到预期的切削效果,还有 一些问题需要解决,尤其是切削机理还需进一步探索和研究,如加工过程中还存在由于一定的热扩散而影响加工质量,功率消耗多,温度控制困难,热源装置不理 想,价格昂贵等问题,所以生产上实用进程不快。加热切削技术的关键在于加热,目前,一般的目标是加热到难加工材料熔化前处于软化的温度,但这一温度是否合 适,怎样达到和控制这个温度,还需进一步探索、分析和研究。
2 加热切削的研究及关键技术
研究目标和意义
研究课题以难加工材料组织相变理论、金属切削原理和热学传导为基础,以难加工材料难切削的机理为出发点,着重分析和寻找温度、材料组织形态的变化以及与切削力之间的关系,摸索切削规律,确定改善材料可切削性的对策,进而从根本上解决难加工材料的切削问题。
研究工作的前提条件之一是,目前已有了激光和等离子弧这类热梯度很陡的热源,加热温度能在几毫秒内达到需要值,容易控制、调节温度的高低。前提条 件之二是,相当部分材料组织具有相变时的超塑特征,在这种状态下,材料组织分子的结合力最低,而此状态的温度又大大低于材料熔化前软化的温度,所以有可能 摆脱难加工材料切削加工目前所处的困境。因为,如果难加工材料实现加热切削必须达到材料软化温度的话,实践已证明很难取得预期的切削效果。
研究的意义在于提出的基于改变组织形态的切削方法,是将材料科学的固态相变理论扩展用于切削加工领域。这种深入的机理探讨和研究,是金属切削 原理的创新,也是制造技术发展方向上的新思路。另外,如果能使难加工材料的加热切削技术朝着比目前的切削温度更低、加工精度更高、加工速度更快的方向发 展,无疑能推进加热切削的实用进程。
关键技术
材料的相变超塑性能力及变化规律。
金属材料超塑性状态的特点,是在一定条件下呈粘性或半粘性,没有或只有很小的应变硬化现象,流动性和填充性很好,超塑变形为宏观均匀变形,变形后 表面光滑,没有起皱、凹陷、微裂及滑移痕迹等。金属材料在超塑状态进行切削是否也呈现上述现象,或者是否还有其他特殊现象是需要搞清楚的。材料在超塑状态 下切削时的超塑性能力及其变化规律是需要研究的关键技术之一,这对提高难加工材料的切削效果有着重要意义。


图2 铁-碳平衡图中超塑温度区位置示意图
一般钢铁材料都有相变超塑性(图2),它是在相变发生和进行时产生的,依存于加热)冷却速度。黑色金属超塑性变形有一定的温度区,这个温度区比较 狭窄,可以有1个,也可以有2个以上。如30CrMnSiA只在处于770℃才出现较好的超塑性,此时a与b两相的体积比率接近于1,最大应力降到 30MPa,温度区窄;在700℃左右的一个范围内,超过临界温度就没有超塑性了。在超塑区域内,温度值应该稳定,不应起伏波动,恒温持续时间也不应过 长,否则超塑现象会消失。钢从奥氏体区域以大于临界冷却速度进行淬火,可得到马氏体。由于加工应变诱发和进行马氏体相变,产生相变超塑性。马氏体转化与温 度有关,并有一定限度。超塑性是在某一适当的温度范围才出现的状态,若想有效利用超塑性,必须在0.5T熔以上到相变温度以下的温度范围内进行加工。
加热温度的影响因素及控制方法。金属材料的相变超塑性对温度有苛刻的要求,在温度循环中的应变、应变速度、作用应力及加热速度等都会对温度产生 影响,这是研究的关键技术之二。激光辐射材料时,其光能被材料吸收,并转换为热能。激光加热的热传导是一个非常复杂的过程,激光以很高的速度穿透表面进入 材料深处,其初始速度可达5~20cm/s。热量在材料中传导扩散,造成一定的温度场。用数学方法分析计算热传导,对把握激光加热效果有重要意义。可以利 用激光辐射形成的线状热源的变长度和变热源的性质,用数学分析方法来研究,寻找热源的温度场。根据上述理论建立的传热数学模型与激光加热切削过程进行仿 真,对各主要参数作出精确的预测,对加热切削的研究是非常重要的,也是取得良好效果的有力保证。

等离子弧加热切削淬火钢的试验表明,如果等离子枪安置在切削刀具前适当的位置,其倾斜角度、离加工面的距离及距切削刀尖的弧长等均可调节,并与适当的电压、电流、压缩气体压力和流量相配合,这样来控制加热温度,实现超塑组织状态下的切削,可以获得好的加工质量。
采用上述两种热源加热,使金属(尤其是Fe-C合金系)中亚共析钢容易实现超塑性,低碳钢等材料较易处于相变超塑状态,可以达到加热作用时间短、热源对材料作用区域小的目的,其面积、形状、大小都可调节,为金属超塑组织形态应用于切削加工创造了条件。
应用前景
使金属处于一定组织形态的加热切削有着广阔的应用前景:(1)实现难加工材料的切削加工,并提高切削质量,这是主要的应用领域;(2)对于低碳 钢、纯金属等材料的切削,可以改善加工表面粗糙度;(3)对于常用金属材料,如45钢的切削,因为切削力降低,可节省能源消耗;(4)可有效解决机修工业 中高硬度堆焊层的难切削问题;(5)在航宇工业等尖端科学的制造技术研究工作中有独特的作用。
3 结束语
一定的金属组织形态下的加热切削,能提高加工效果和加工质量,推进实用化;这是金属切削原理的创新,特种加工技术的新发展。基于特定材料组织形态 的加热切削虽已证明在技术上是可行的,但仍需加以完善和提高。我国已研制成功各类激光发生器、测温仪器、切削力测量装置以及控制系统,为这种加工制造技术 的推广应用创造了良好的条件。

作者:广西工学院 教授 丁黎光



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难加工材料加工之高速切削技术将成为刀具加工新工艺www.tool-tool.com

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切削加工作为制造技术的主要基础工艺,随着制造技术的发展,在 20世纪末也取得了很大的进步,进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门,如汽车 工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术,也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此,在制造业发达的 美、德、日等国家保持着快速发展的势头。金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备,在数控加工技术的带动下,进入了“数控刀具”的发展阶段,显示 出“三高一专”(即高效率、高精度、高可靠性和专用化)的特点。
显而易见,在21世纪初,尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺,但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位不会改变。从当前制造业发展的趋势中可以看到,制造业发展和人类社会进步对切削加工提出的双重挑战,这也是21世纪初切削加工技术发展的主要趋势。
高速切削将成为新工艺
当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示很多的优点和强大的生命力,成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。
因此,发展高速切削等新的切削工艺促进制造技术的发展是现代切削技术面临的新任务。当代的高速切削不是切削速度的少量提高,是需要在制造技术全面 进步和进一步创新的基础上,包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步,才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高,才能使制造业整体切削加 工效率有显著的提高。把当前的高速切削水平实用化,使我国机加工整体切削效率提高1~2倍,缩小与工业发达国家的差距,是我国从事切削加工与刀具技术的专 业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。
硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它比传统的磨削加工有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在 一些应用领域产生较好的效果。在汽车业,用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齿轮(60HRC)内孔,代替磨削,表面粗糙度可达0 .22μm,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。


创新加工技术
长期以来,难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁等一直是切削加工中的难题,切削效率低,刀具寿命短。随着制造业的发 展,在21世纪这些材料的用量将迅速增加,加工的矛盾将更加突出。与此同时,产品的材料构成将不断优化,新的工程材料也不断问世,而每一种新型材料的采用 都对切削加工提出了新的要求。如 在切削加工比较集中的汽车工业,其发动机、传动器零件中的硅铝合金的比例在持续增加,并开始引入镁合金和新的高强度铸铁,以减轻汽车的重量和节省能耗。又 如在航空航天工业,钛合金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都将进一步增加。能否高效加工这些材料,直接关系到我国汽 车、航空航天、能源等重要工业部门的发展速度和制造业的整体水平,是对切削技术的最大挑战。我们必须从现在开始探索,以从根本上解决难加工材料大量使用及 其品种性能多样化带来的世纪性难题,创新加工技术,开发包括激光在内的新的“刀刃”和加工方法。

满足制造业的需求
进入21世纪以后,产品多样化和个性化的趋势进一步加剧,制造业的产品更新速度会大大加快。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重 大变更,也是对切削加工提出的开发任务,就像大家熟知的如螺杆泵、等速万向节、底径定心的花键、电子工业印刷线路板等产品,无不反映着切削技术和刀具的成 果。今后随着产品更新速度的加 快,将构成对切削加工新的挑战。不仅如此,当前利用切削加工的柔性及现代切削加工和刀具技术的成果,革新零件加工方法,显示出投入少、产出大、见效快的特 点。正如在上世纪九十年代新建的轿车发动机、传动器生产线上所集中展示的那样:缸体孔系的整体硬质合金钻削工艺、缸盖的金刚石高速铣削工艺、同步器齿轮的 筒式拉削工艺等新的加工工艺,使新建生产线的生产节拍时间缩短、产品质量提高,投资大量减少,充分显示出切削加工的巨大潜力。在这种背景下,制造业对切削 加工新技术、新产品的需求在现在将达到空前的高度,这既是对切削技术的挑战,也是对我国切削行业陈旧体制的挑战。

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难加工材料的切削加工技术www.tool-tool.com

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难加工材料的界定及具体品种,随时代及专业领域而各有不同,例如,宇航产业常用的超耐热合金、钛合金及含有碳纤维的复合材料等,都是该领域的难加工材料。 宇航业的工程技术人员开展了加工技术的研究与开发工作,已经研究出适合该领域使用的切削工具和加工方法。近年来,机械制品多功能、高功能化的发展势头十分 强劲,要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这些要求,则所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性,而具有这些特性的材料其加工难度也特别大,因此 又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样随着时代的发展及专业领域的不同而出现,其特有的加工技术也随着时代及各专业领域的研究开发而不断向前发展。

另一方面,随着信息化社会的到来,难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流,因此,今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实,加工效率也必然会进一步提高,本文以难加工材料的切削加工为核心,介绍该技术近年来的发展动向。

切削领域中的难加工材料

在切削加工中,通常出现的刀具磨损包括如下两种形态:(1)由于机械作用而出现的磨损,如崩刃或磨粒磨损等;(2)由于热及化学作用而出现的磨损,如粘结、扩散、腐蚀等磨损,以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。

切削难加工材料时,在很短时间内即出现上述刀具磨损,这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如,多数难加工材料均具有热传导率较低 的特点,切削时产生的热量很难扩散,致使刀具刃尖温度很高,切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降,WC (碳化钨)等粒子易于分离出去,从而加速了刀具磨损。另外,难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应,出现成分析出、脱落,或 生成其他化合物,这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。

在切削高硬度、高韧性被加工材料时,切削刃的温度很高,也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时,与切削一般钢材相比,切削 力更大,刀具刚性不足将会引起崩刃等现象,使刀具寿命不稳定,而且会缩短刀具寿命,尤其是加工生成短切屑的工件材料时,会在切削刃附近产生月牙洼磨损,往 往在短时间内即出现刀具破损。

在切削超耐热合金时,由于材料的高温硬度很高,切削时的应力大量集中在刃尖处,这将导致切削刃产生塑性变形;同时,由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。

由于这些特点,所以要求用户在切削难加工材料时,必须慎重选择刀具品种和切削条件,以获得理想的加工效果。

难加工材料在切削加工中应注意的问题

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削(钻头、立铣刀的端面切削等),这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切 削,刃尖承受的切削力无明显变化,切削热连续作用于切削刃上;铣削则是一种间断切削,切削力是断续作用于刃尖,切削时将发生振动,刃尖所受的热影响,是切 削时的加热和非切削时的冷却交替进行,总的受热量比车削时少。

铣削时的切削热是一种断续加热现象,刀齿在非切削时即被冷却,这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验,铣 削所用刀具为球头立铣刀,车削为一般车刀,两者在相同的被加工材料和切削条件(由于切削方式不同,切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致)及同一 环境条件下进行切削对比试验,结果表明,铣削加工对延长刀具寿命更为有利。

利用带有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时,经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况,但仍比车削加工时强。

在切削难加工材料时,切削刃受热影响较大,常常会降低刀具寿命,切削方式如为铣削,则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工,中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候,因此,应针对不同切削方式,采取相应的技术措施,提高加工效率。

切削难加工材料用的刀具材料

CBN的高温硬度是现有刀具材料中最高的,最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体,选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理,这种材料具有优异的耐磨性,也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。

难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高,热传导率低,可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工,CBN成分含量越高,刀具寿命也越长,切削用量也可相应提高。据报道,目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。

金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利,热传导率高,刃尖滞留的热量较少,可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时,选用单晶金刚石刀具切削比较稳定,可延长刀具寿命。

涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工,但涂层的性能(单一涂层和复合涂层)差异很大,因此,应根据不同的加工对象,选用适宜的涂 层刀具材料。据报道,最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂层硬质合金,使涂层刀具的应用范围进一步扩大,并已可用于高速切削加工领域。

切削难加工材料的刀具形状

在切削难加工材料时,刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适 当处理,对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响,因此,在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是,随着高速铣削技术的推广应用,近来已逐渐采用小切深以减 轻刀齿负荷,采用逆铣并提高进给速度,因此,对切削刃形状的设计思路也有所改变。

对难加工材料进行钻削加工时,增大钻尖角,进行十字形修磨,是降低扭矩和切削热的有效途径,它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内,这 对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时,切削热极易滞留在切削刃附近,而且排屑也很困难,在切削难加工材料时,这些问题更为突出,必须 给以足够的关注。

为了便于排屑,通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口,可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等,使排屑变得更为顺畅,这种方式对切削刃的冷却效 果也很理想。近年来,已开发出一些润滑性能良好的涂层物质,这些物质涂镀在钻头表面后,用其加工3~5D的浅孔时,可采用干式钻削方式。

孔的精加工历来采用镗削方式,不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式,这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命 均更为有利。因此,这种间断切削用的镗削刀具设计出来后,立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面,目前也采用螺旋切削插补方式,切螺纹 用的立铣刀已大量投放市场。

如上所述,这种由原来连续切削向间断切削的转换,是随着对CNC切削理解的加深而进行的,这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时,可保持切削的平稳性,且有利于延长工具寿命。

难加工材料的切削条件

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低,随着刀具性能的提高,高速高精度CNC机床的出现,以及高速铣削方式的引进等,目前,难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。

现在,采用小切深以减轻刀具切削刃负荷,从而可提高切削速度和进给速度的加工方式,已成为切削难加工材料的最佳方式。当然,选择适应难加工材料特 有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要,而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如,钻削不锈钢等材料时,由于材料热传导率很低,因此,必须防止切削热大 量滞留在切削刃上,为此应尽可能采用间断切削,以避免切削刃和切削面摩擦生热,这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗 加工时,工具形状和夹具应很好配合,这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性,以便在高速回转条件下,保证将每齿进给量提高到最大限度,同时也可延长 工具寿命。

结束语

如前所述,难加工材料的最佳切削方法是不断发展的,新的难加工材料不断出现,对新材料的加工总是不断困扰着工程技术人员。最近,新型加工中心、切 削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速,而且在切削加工之外,CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展,难加工材料的加工技术选择范围已大 为扩展。

当然,有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解,还不能尽如人意,正因为如此,而对难加工材料的不断涌现,人们总是感到加工技术有些力不从心。

例如,前述车削加工由连续切削向间断切削转换,便有利于延长工具寿命,新型涂层硬质合金刀具的使用,使难加工材料切削技术水平得到进一步提高。在 难加工材料的切削加工中应特别重视工具寿命的稳定,不仅工件材料要和刀具性能妥善配伍,而且对加工尺寸、加工表面粗糙度、形状精度等的要求也极严格,因 此,不仅应特别注意刀具选用,对工件的夹持方式等相关技术也不能掉以轻心。

今后,难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削加工等计算机控制的生产方式,因此,数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的 完善,都极为重要。难加工材料切削加工中,适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据,均应作为基础数据加以积累,使零件生产方式 沿着以IT化为基础的方向发展,这样,难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。

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研发中心未来的研发思路和方向www.tool-tool.com

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20058月 国务院总理温家宝视察了钻石工业园。总理叮嘱道:“要加快用先进技术改造传统产业的步伐。老企业要焕发青春,必须走技术改造的路子,提高企业的技术水平和 竞争力”。故此株硬集团提出的研发战略是:不断提高自主创新能力,把增强自主创新能力作为科学技术发展的战略基点和调整产品结构、转变增长方式的中心环 节,大力提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新的能力。要立足车削刀具材料、槽型做精做优,突出车削刀具优势,成为全球在车削领域最具有竞 争能力的刀具品牌;坚持不懈地追求配套刀具的品种和质量上的完善,在配套刀具、尤其是铣刀的品种系列质量达到或超过世界先进水平;发挥整体刀具的质量、成 本优势,大力推进标准化工作,成为全球最具有性价比的整体刀具生产基地;把技术服务当成为客户服务,传递价值最有效的途径,为客户提供全套的刀具服务,把 进入轿车行业的刀具配套作为刀具配套服务能力最重要的目标。

  要进一步加大研发投入,完善研发硬件平台。继续加大对切削实验室的投入,增强研发中心的刀具制造能力,要不断的引进和培养人才,在培养人才方面要有计划的安排人员进行国内外的专业培训和学术交流,实施人才工程,到2010年基本实现在全体员工中:研究生及以上层次人员达100(博士10-15)。建立开放式的研究开发平台,可以引进在高校就读的博士或者硕士,做一些基础性的课题。

加 大对重点项目培育力度,保证持续创新能力,在以下几方面不断努力:首先建立先进的材料体系:株硬集团切削刀具材料体系包括普通硬质合金;稀土硬质合金;超 细硬质合金;功能梯度硬质合金;涂层硬质合金;先进的陶瓷材料;超硬材料。以功能梯度硬质合金为基体的涂层切削刀具使得刀具材料的耐磨性和抗冲击性能得到 完美的结合;先进的涂层硬质合金满足切削领域的加工需要。先进的陶瓷材料包括金属陶瓷材料和非金属陶瓷材料满足难加工领域的需要。以立方氮化硼(CBN)和聚晶金刚石(PCD) 为代表的超硬切削刀具材料满足了硬材料加工和有色金属的加工。其次,利用先进的制造技术和工艺控制:采用目前世界上最先进的粉末冶金生产工艺;包括喷雾干 燥;全自动的压力机;全自动气氛烧结和压力烧结技术;全自动磨削技术;以及全自动包装技术。喷雾干燥保证了粉末的流动性和成型性;全自动的压制技术拥有强 大的人机对话界面和自检系统,保证压坯的尺寸和形状精度。全自动气氛烧结和压力烧结技术保证硬质合金块体材料的性能稳定性;全自动磨削技术保证切削刀具的 加工精度。另外,还需要研究世界领先的刀具表面处理技术:引进了目前世界上最先进的化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)技术,实现单层涂层、复合涂层和纳米涂层;株硬集团目前拥有近20种 涂层技术,涂层材料涵盖了所有加工领域。但仍需对于一些难加工材料株硬集团自主开发全新的涂层体系,使产品性能达到了世界领先水平。此外还需要加强的是不 断建立拥有自主知识产权的刀具槽型设计:针对不同的被加工材料和加工形式开发系列完善的切削刀具槽型,完善的刀片断屑槽型和各种结构的刀具系列。


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