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粒径分布图是指不同粒径范围内的颗粒的个数(或质量或表面积)所 占的比例。以颗粒的个数表示所占的比例 时,称为个数分布;以颗粒的质量(或表面积) 表示时,称为质量分布(或表面积分布)。 除尘技术中多采用粒径的质量分布。下面以粒径分布测定数据的整理过程来说明粒径分布的表示方法及相应定义。首先,介绍个数 分布,然后介绍质量分布及两者的换算关系。

  1.个数分布

  按粒径间隔给出的个数分布测定数据列在表5—2中, 图5—2为其个数分布直方图,其中ni为每一间隔测得的颗粒个数, 为颗粒的总个数(该例中N=1000个)。据此可以作出个数分布的其他定义。

   (1)个数频率:为第 间隔中的颗粒个数ni与颗粒总个数 之比(或百分比)。

  (2)个数筛下累积频率:为小于第 间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比(或百分比)。

  并有类似的可以将大于第间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比 (或百分比)称为筛上累积频率。根据计算出的各级筛下累积频率F 值对各级上限粒径 可以画出筛下累积分布曲线。

  由累积频率曲线可 以求出任一粒径间隔的频率 值。例如,F曲线上任取两点a和b,对应的粒径 和 之间的F值之差(Fa—Fb),即为该间隔的 值。按F值曲线的斜率还可列出计算式:(5—3)

  (3)个数频率密度:函数 称为个数频率密度,简称个数频度,采用单位为 。显然,频率密度为单位粒径间隔(即1 )时的频率。

  根据表5—2中的数据可以计算出每一间隔的平均频度 ,按值对间隔中值 作出频度分布曲线。由此可见,用有限的若干点可以画出一条光滑的频度曲线。

  筛下累积频率F和频度 皆是粒径 的连续函数,由其定义可以得到:

  和 (5—4)在极限条件下,当 →0时, p→0,F→0,dp/ddP→0;当 → 时,p→0, F→1 ,dp/ddp→0。F曲线应是有一拐点的“S”形曲线,拐点发生在频度 为最大值时对应的粒径处,这一粒径称为众径 (本例中的 ),即此处:

  (5—5)

  累积频率F = 0.5时对应的粒径称为个数中位粒径(NMD)。

 

歡迎來到Bewise Inc.的世界,首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力, 我們是提供專業刀具製造商,應對客戶高品質的刀具需求,我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求,我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質,這是現有相關技 術無法比擬的,我們成功的滿足了各行各業的要求,包括:精密HSS DIN切削刀具協助客戶設計刀具流程DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計超高硬度的切削刀具醫療配件刀具設計複合式再研磨機PCD地板專用企口鑽石組合刀 具粉末造粒成型機主機版專用頂級電桿PCD V-Cut捨棄式圓鋸片組粉末成型機航空機械鉸刀主機版專用頂級電汽車業刀具設計電子產業鑽石刀具木工產業鑽石刀具銑刀與切斷複合再研磨機銑刀與鑽頭複合再研磨機銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生 刀具到工業級的刀具設計;從微細刀具到大型刀具;從小型生產到大型量產;全自動整合;我們的技術可提供您連續生產的效能,我們整體的服務及卓越的技術,恭 迎您親自體驗!!

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт  www.tool-tool.com  для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web  www.tool-tool.com  for more info.

 

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球磨型膜厚磨损测试仪

球磨型膜厚测试仪 Calotest为您提供简单快速并且低成本的膜厚测量方法。一个半径精确已知的磨球由自身重力作用于镀膜试样表面并进行自转。在测试过程中,磨球与试样 的相对位置以及施加于试样的压力保持恒定。磨球与试样间的相对运动以及金刚石颗粒研磨液的共同作用将试样表面磨损出一球冠形凹坑。随后的金相显微镜观测可 以获得磨损坑内涂层和基体部分投影面积的几何参数。在得知了X和Y的长度后,涂层的厚度D可以通过简单的几何公式计算得出。

膜厚及磨损测 试仪Calowear将这个原理更加深了一步。通过监测球体施加在试样上的载荷,我们可以更好的控制薄膜的磨损。研磨液以恒定速率自动滴加在球体与试样界 面,构成一个稳定的三体磨损系统。

Calowear不是一次性的磨损试样表面,而是将磨损过程分成几个不同的阶段来完成。磨损坑的形状以 及法向力的数值在每阶段的磨损后进行记录。由此,薄膜以及基体的磨损率可以精确的计算出来

1. PVD的含义 —

PVD 是英文Physical Vapor Deposition的缩写,中文意思是“物理气相沉积”,是指在真空条件下,用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。

2. PVD镀膜和PVD镀膜机 —

PVD(物理气相沉积)镀膜技术主要分为三类,真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。对应于PVD技 术的三个分类,相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机这三种。

近十多年来,真空离子镀膜技术的发展是 最快的,它已经成为当今最先进的表面处理方式之一。我们通常所说的PVD镀膜 ,指的就是真空离子镀膜;通常所说的PVD镀膜机,指的也就是真空离子镀膜机。

3. PVD镀膜技术的原理 —

PVD镀 膜(离子镀膜,沉积温度600℃以下,是利用辉光放电、热弧放电和冷场弧光放电等离子体的能量来降低沉积温度,可以在高速钢、热作工具钢和某些冷作工具钢 的回火温度以下沉积氮化钛、金刚石、氮铝钛、氮化碳等硬质涂层。广泛用于各种钢制精密工具、精密模具的表面处理,提高使用寿命3-10倍,提高加工效率 50%以上。改善被加工零件的表面光洁度和尺寸精度、降低成本。

)技术,其具体原理是在真空条件下,采用低电压、大电流的电弧放电技术, 利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离,利用电场的加速作用,使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。

4. PVD镀膜膜层的特点 —

采用PVD镀膜技术镀出的膜层,具有高硬度、高耐磨性(低摩擦系数)、很好的耐腐蚀性和化学稳定性等特点,膜层 的寿命更长;同时膜层能够大幅度提高工件的外观装饰性能。

5. PVD镀膜能够镀出的膜层种类 —

PVD镀膜技术是一种 能够真正获得微米级镀层且无污染的环保型表面处理方法,它能够制备各种单一金属膜(如铝、钛、锆、铬等),氮化物膜(TiN、ZrN、CrN、 TiAlN)和碳化物膜(TiC、TiCN),以及氧化物膜(如TiO等)。

6. PVD镀膜膜层的厚度 —

PVD镀膜 膜层的厚度为微米级,厚度较薄,一般为0.1μm ~ 5μm,其中装饰镀膜膜层的厚度一般为0.1μm ~ 1μm ,因此可以在几乎不影响工件原来尺寸的情况下提高工件表面的各种物理性能和化学性能,镀后不须再加工。   PVD膜层能直接镀在不锈钢以及硬质合金上,对锌合金、铜、铁等压铸件应先进行化学电镀铬,然后才适合镀PVD。

7. PVD镀膜能够镀出的膜层的颜色种类 —

PVD镀膜目前能够做出的膜层的颜色有深金黄色,浅金黄色,咖啡色,古铜色,灰色,黑色,灰黑 色,七彩色等。通过控制镀膜过程中的相关参数,可以控制镀出的颜色;镀膜结束后可以用相关的仪器对颜色进行测量,使颜色得以量化,以确定镀出的颜色是否满 足要求。

8. PVD镀膜与传统化学电镀(水电镀)的异同 —

PVD镀膜与传统的化学电镀的相同点是,两者都属于表面处 理的范畴,都是通过一定的方式使一种材料覆盖在另一种材料的表面。两者的不同点是:PVD镀膜膜层与工件表面的结合力更大,膜层的硬度更高,耐磨性和耐腐 蚀性更好,膜层的性能也更稳定;PVD镀膜不会产生有毒或有污染的物质。

9. PVD镀膜技术目前主要应用的行业 —

PVD 镀膜技术的应用主要分为两大类:装饰镀膜和工具镀膜。装饰镀的目的主要是为了改善工件的外观装饰性能和色泽同时使工件更耐磨耐腐蚀延长其使用寿命;这方面 主要应用五金行业的各个领域,如门窗五金、锁具、卫浴五金等行业。

工具镀的目的主要是为了提高工件的表面硬度和耐磨性,降低表面的摩擦系 数,提高工件的使用寿命;这方面主要应用在各种刀剪、车削刀具(如车刀、刨刀、铣刀、钻头等等)、各种五金工具(如螺丝刀、钳子等)、各种模具,镀过 PVD 膜层后,其使用寿命能够提高 5~40 倍;同时由于 PVD 膜层的非常细腻及摩擦系数小的特点,机床的车削速度和被加工表面的光洁度也都有很大的提高。这使得生产企业的效率大幅提高,其产品的加工精度和外观也得到 了改善,能够为企业带来更多的效益。

10. PVD镀膜(离子镀膜)技术的主要特点和优势 —

和真空蒸发镀膜真空溅射镀 膜相比较,PVD离子镀膜具有如下优点:

1 .膜层与工件表面的结合力强,更加持久和耐磨(卓越的附着力,可以折弯90度以上不发生裂化或者剥落)

2 .离子的绕射性能好,能够镀形状复杂的工件

3 .膜层沉积速率快,生产效率高

4 .可镀膜层种类广泛

5 .膜层性能稳定、安全性高(获得FDA认证,可植入人体)

真空蒸发镀膜 真空溅射镀膜 真空离子镀膜 三种镀膜方式的比较

比 较项目

真空蒸发镀膜

真空溅射镀膜

真空离子镀膜

压强(×133Pa)

10E-5~10E-6

0.15~0.02

0.02~0.005

粒子能量

中性

0.1~1eV

1~10eV

0.1~1eV

离子

数百到数 千

沉淀速率(微米 / 分)

0.1~70

0.01~0.5

0.1~50

绕 射性

较好

附着能力

不太好

较好

很 好

薄膜致密性

密度低

密度高

密度高

薄膜中的气孔

低温时 较多

内应力

拉应力

压应力

压应力

11.PVD 镀膜的成本——

虽然使用PVD镀膜技术能够镀出高品质的膜层,但是PVD镀膜过程的成本其实并不高,它是一种性价比非常高的表面处理方 式,所以近年PVD镀膜技术发展得非常快。PVD镀膜已经成为五金行业表面处理的发展方向。

12.PVD镀膜设备部分组成——

PVD镀膜设备主要由真空腔体、真空抽气机组、水冷系统、电源系统、控制系统等几大部分组成。

13.真空腔体和真空抽气机组对PVD镀 膜设备重要性——

两者都很重要,他们在很大程度上决定了PVD镀膜设备运行的稳定性和使用寿命。真空腔体所采用的材料的质量、腔体的厚 度、腔体的水冷方式、腔体焊接方式和组装的气密性、腔体材料的放气率等对镀膜质量都有很大影响;真空抽气机组的抽气速率的稳定性、在不同真空度下的抽气能 力以及真空抽气机组的故障率对整个镀膜系统的性能及连续运转能力的影响也非常大。所以这两者对PVD镀膜设备说都很重要

14.PVD镀膜 设备是操作——

PVD镀膜设备非常成熟和可靠,操作和控制的自动化程度很高,所以比较容易操作。具有高中或中专文化程度的人员,经过一个月左右的培训后,一般就可以使用 该设备进行镀膜、对设备进行维护以及对设备进行一些简单的维修了。每台镀膜机只需一个操作人员

类别

实际应用

推 荐膜层

装饰镀

室内外各种五金用品、饰品

ZrN, TiN

厨房五金、卫浴五金

ZrN, CrN, TiAlN

工具镀

车削刀具(车刀、铣刀、刨刀、钻头等)

TiN, TiAlN, TiCN,CrN

模具

CrN

机械装置(活塞环及其它)

CrN

PVD 离子镀膜层不易剥落、氧化、褪色,表面不易形成污垢,擦洗简单,而且镀膜成本低。可以在不锈钢、铁、铜、钛合金、锌合金等不同基材上镀制以下膜层:

纯 钛( Ti )

氮化钛( TiN )

氧化钛( TiO )

纯锆( Zr )

氮化锆( ZrN )

碳化钛( TiC )

纯铬( Cr )

氮化铬( CrN )

碳氮化钛( TiCN )

氮化铝钛( TiAlN )

PVD 镀膜膜层目前常见的颜色主要有:深金黄色,浅金黄色,咖啡色,古铜色,灰色,黑色,灰黑色,七彩色, 蓝色等。

例子——PVD表面涂层装 备

  CTI-830热弧等离子磁控涂层装备

PVD TiN涂层断口扫描SEM照片(HV2000-2200)

CTI- 830热弧等离子磁控涂层设备,主要技术指标如表中所示:

型号

CTI-830

可涂层材料

TiN

沉积室尺寸

钟罩式,Φ830×H640(装Φ75×H75滚刀484件,Φ6钻头1080件)

工件类 型

12轴自转和公转

电子枪功率

10KW

极限真空度

<5×10 -4 Pa

漏气率

<5×10 -3 乇·升/秒

抽气速率

抽至5×10 -3 Pa≤20分

真空系统

机械泵,分子泵(或扩散泵),电磁阀门,电动阀门

供气系统

Ar、 N 2 、CH 4 (或其它气体),分别用质量流量计调节

烘烤加热

等离子和电子束加热;内热式辅助加热

总 功率

60KW

电源

220/380V,50Hz

占地

30-40M 2

冷却水

4吨/小时,水压>3公斤

与此同时,我们还应该清醒地看到,真空涂层技术的发展又是严重 不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣,对薄膜附着力的要求,远高于装饰涂层。因而,尽管装饰涂层的厂家已遍布各地,但能够生产工模涂层的厂家并不 多。再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺,到目前为止,国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工 艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等)

工模具PVD 的工作步骤

工模具 PVD 基本工艺流程可简述为:IQC→前处理→PVD→FQC,分别介绍如后。

IQC : IQC(In Quality Control)的主要工作除了常规的清点数量 ,检查图纸与实物是否相符外,还须仔细检查工件表面,特别是刃口部位有无裂纹等缺陷。有时对于一些刀具、刀粒的刃口,在体式显微镜下观察,更方便发现问 题;另外,IQC 的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等,这些东西如果因漏检而混入镀膜程序,则将在真空室内严重放气,轻者造成整批产品脱涂层,重者使原本 OK 的产品报废,后果不堪设想。

前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗):前处理的目的是净化或粗化工件表面。 净化就是要去除各种表面玷污物,制备洁净表面。通常使用各种净化剂,借助机械、物理或化学的方法进行净化。粗化与光蚀相反,其目的在于制备粗糙的表面以提 高喷涂 层或涂料装饰的结构强度。 现在已有的前处理主要方法为:高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法 。高温蒸洗 目前,PVD 车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。它的最大工作温度可达145℃,气压在3~5巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔,孔内中常常有油污、残余冷 却液等杂质,用常规清洗的方法难以除去。此时,高温蒸洗设备便可最大程度的发挥它的优越性; 清洗:①超声波除蜡→②过水→③超声波除油→④过水→⑤超声波自换→⑥过水→⑦过纯水→⑧强风干燥 )

PVD 涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)

FQC :意思是功能质量控制 , 它有别与一般意义上的OQC(Out Quality Control) 。FQC 的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法

外观检查: 对于开门取件后的产品,应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒,还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。

 

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与国外相比,我国刀具PVD涂层技术的研究和开发起步并不太晚,而且在 发展初期大量引

进了当时国际上最先进的各类涂层设备,八十年代后期国产涂层设备也得到了迅速发展,但

该项技术真正广泛应 用于高速钢刀具却是在九十年代中期。

到目前为止,虽然国内对硬质合金刀具TiCN涂层的研究已取得突破,但国内市场的涂层

产 品仍以TiN涂层为主。分析其原因,可归纳为以下几点:

(1)前期集中引进对国内PVD技术后续发展的影响

八十年代中期 国外PVD技术及装备的集中引进虽然使我国发展该项技术有了一个高起点,

同时也解决了高速钢刀具的涂层问题,但由于引进设备的厂家都是国 内的刀具生产骨干企业

(其刀具产品的国内市场占有率很高),这些先进涂层设备的引进在相当长一段时间内已可

满足这些企业 的生产要求,因此对国产PVD技术和设备的需求不太强烈,这在一定程度上影响

了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展;另一方面,八 十年代中期PVD技术还处于发展

初期,随着该项技术的不断发展,进入九十年代后新技术层出不穷,这些企业早期引进的技

术 亟待更新,但昂贵的价格使企业很难再次引进新技术和新设备,国内也因此错失了发展提

高PVD技术的最佳时期。

(2)对新 工艺的研发重视不够

尽管八十年代国内引进了当时最先进的PVD技术,但当时PVD技术尚处于发展初期,国内

对其后续发展 空间及发展速度无法充分估计;此外,物理涂层技术是集电子物理、材料、真

空控制技术于一体的新型技术,在研究、生产、应用等方面对人员配 置有较高要求,而大部

分引进PVD技术的企业偏重生产,对开发人员及资金配置不足,难以推动工艺技术的进一步自

主开发, 新工艺、新技术仍需再引进,而再引进的费用十分昂贵(如Balzers公司的设备

从TiN涂层工艺升级为TiCN涂层工艺,仅硬件改造费 即需30万美元),因此影响了国内涂层技

术新工艺和装备的研发。

(3)国产设备开发缺乏统一性、合理性及协作性

八 十年代后期,国内一些真空设备制造厂及科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观,纷纷

加大各类PVD涂层设备的开发力度,但由于缺乏对切削 工艺及刀具涂层工艺的深入了解,与工

具厂合作不够,因此开发的涂层设备大多无法满足刀具涂层工艺的要求,尤其是精密高速钢

刀 具涂层技术尚达不到批量生产水平。由于此类设备大多只能用于麻花钻的涂层,而麻花钻

涂层费用极低,相应涂层设备的利润也很低,因此到九十 年代以后,大部分真空设备制造厂

已把发展方向转向其它行业(如装饰涂层等)。

(4)售后服务欠缺制约了国产涂层设备的推 广应用

迄今为止,国内大部分涂层设备生产厂还不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处

理工艺、涂层工艺、涂后处理工 艺、检测技术、涂层刀具应用技术等),这种技术不完整性

给用户的生产带来许多技术问题;此外,由于设备生产厂不能提供长期技术服务,导致 国产

涂层设备难以保证长时期稳定、正常使用,从而极大限制了PVD涂层设备的推广应用。

(5)涂层质量不稳定制约了涂层 技术的推广应用

引进设备的高昂成本导致涂层价格居高不下,涂层费用甚至可超过刀具价格的50%;由于

引进渠道不一,设备 选择依据不同,导致设备工艺水平相差较大,影响了涂层刀具的使用效

果;由于国产涂层刀具质量不稳定,涂层刀具检验标准不完备,因此在应用 领域内造成了涂

层价格高、涂层质量不稳定且涂层后刀具性能改善不明显的不良印象,严重影响了刀具涂层

技术的推广应用和快 速发展。

(6)国内机械加工水平不高制约了涂层技术的快速发展

在二十世纪八十年代,我国数控机床的应用还十分有限,机械 加工仍处于较低水平,高

速钢刀具的应用占全部刀具的80%以上,硬质合金刀具仍以焊接刀具为主,可转位刀片以车削

类刀具 为主(一般多采用CVD涂层),整体硬质合金立铣刀、钻头、铰刀等应用较少,因此对

PVD硬质合金刀具涂层的要求并不十分迫切,这在一定 程度上也影响了涂层技术的进一步发展

对策建议

随着我国汽车、航空、航天、重机等工业的发展以及数控机 床的迅速普及,我国机械加

工技术正朝着高速加工、绿色制造的方向发展,高速滚齿、高速铣削以及干式切削工艺的应

用对刀具 涂层技术提出了更高要求。

以齿轮高速滚削加工为例,先进的工艺需要采用滚刀MoS2软涂层技术,与TiN涂层相比,

使用 寿命可提高一倍以上。在高速铣削加工中,硬质合金铣削类刀具多选用TiAlN、TiAlCN或

TiNAlN涂层,单一的TiN涂层已不适 合此类加工。市场的需求迫使国内必须加速PVD新技术的

研究和开发。

笔者认为,要使我国新型PVD涂层技术得到快速而有 序的发展,应努力做好以下几方面工

作:

(1)加强项目的规划与管理

工具行业管理部门应加强PVD涂层项 目的规划与管理工作,明确我国新型PVD涂层技术的

短、中、长期发展目标,确立有计划、不间断发展的方针,并通过“官、产、学、研、商”

的有机结合,使项目既有政策支持又有资金保障。我国在这方面也有过成功经验:在八十年

代中期,为了在引进基础上立足于自 行开发,提高工具行业涂层技术的整体水平,原机械工

业部机床工具司组织了全行业力量对引进设备进行技术攻关,开发出的热阴极弧磁控等离子

镀膜机已在工具行业成功地推广应用,并因此带动了国内TiN涂层刀具的普及应用。

(2)建立统一的研究、开发、服务体系

建立统一的研究、开发、服务体系,根据涂层技术的发展趋势和国内外市场需求,有系

统地引进国际先进技术,加强对引进技术 的消化吸收及协作研究工作,逐步增强自我开发能

力,形成专利技术,最终实现满足国内市场需求和参与国际市场竞争的目的。

(3) 建立刀具涂层技术的行业标准

建立涂层设备、涂层刀具的行业检验标准,严格控制涂层刀具质量,确保涂层技术的大

面积推广应 用。信息来源:工具技术切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来

的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿 命,使刀具获得优良的综合

机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。因此,涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称

为切削刀 具制造领域的三大关键技术。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的

要求,世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应 用日益重视。我国的刀具涂

层技术经过多年发展,目前正处于关键时期,即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要

求,国内 各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。因此,充分了解国内外刀具涂

层技术的现状及发展趋势,瞄准国际涂层技术先进水平,有计 划、按步骤地发展刀具涂层技

术(尤其是PVD技术),对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

国内商业应用PVD技 术概况

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国内PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初,八十年代中期研制 成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。由于对刀具涂层市场前景的看好,国内引进了热阴极离子镀及阴极电弧(多弧)离子镀技术与装 备。技术及装备的引进摧动了国内刀具PVD涂层技术的第一次开发热潮,国内各大真空设备厂及科研单位纷纷展开了离子镀膜机的研制工作,并于九十年代初开发 出多种PVD设备。但由于大多数的设备性能指标低,涂层工艺稳定性差,预期的市场效益未能实现,从而导致了近十多年国内刀具PVD涂层技术处于徘徊不前的 局面。尽管九十年代末国内成功开发出了硬质合金TiN-TiCN-TiN多元复合涂层工艺技术,并达到了实用水平,但在随后的发展过程中也并未得到市场认 可。随着我国汽车工业的迅速崛起、先进制造技术的大量引进及数控加工技术大面积的普及,自本世纪初,PVD技术在国内掀起了第二次开发热潮。与九十年代不 同,目前国内 PVD技术的发展更具多元性及创新性,归纳起来有以下几种类型:

① 阴极电弧法(Cathode Arc Deposition ) 国内已由小圆型阴极电弧技术发展到大面积阴极电弧技术及柱型靶阴极电弧技术,主要用于TiAlN等薄膜的制备。

② 热阴极法(Hot Cathode Plating ) 源于Balzers的技术,主要用于TiN等薄膜的制备。

③ 磁控溅射法(Magnetron Sputter Plating ) 近年来,磁控溅射技术一直是国内涂层业的重点发展方向,先后出现了非平衡磁控溅射技术、磁控溅射加辅助离子源技术等,可制备各类薄膜。

④ 磁控溅射附加阴极电弧法 目前国内已较多采用的技术,可用于多种薄膜的制备。

⑤空心阴极附加磁控溅射及阴极电弧法 空心阴极在国内是一项传统技术,其应用市场仍旧存在。为了充分发挥此技术的特点,国内的研究者将空心阴极与磁控溅射技术、阴极电弧技术结合在一起,用于多 元薄膜的制备,且这种全新的尝试已对市场产生了影响。

归纳起来,国内刀具涂层技术开发的目的仍以TiAlN薄膜为主,上述各类技术已可在 切削刀具上制取

当前国内薄膜技术研究的主要热点

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近 年来纳米超硬膜技术已成为涂层领域研究开发的热点,自2000年以来在国内已进入持续开发阶段。超硬膜定义为硬度大于40GPa,众所周知,金刚石、立方 氮化硼、非晶态类金刚石等具有超硬膜的本征硬度,其研究及应用已经历了较长时间,但其膜系本身的某些特性却制约了应用领域的拓展。如金刚石薄膜并不适合于 铁基材料的切削加工,而立方氮化硼薄膜由于难于与刀具基体结合、易剥落,且高纯度的c-BN制备困难,也尚未达到商业应用水平。因此近年来薄膜技术的开发 热点更多的集中于非本征超硬膜的研究。非本征硬度超硬薄膜的超硬性和力学性能主要来自于它们组成物的性质和超细显微结构,其组成物多为氧化物、碳化物、氮 化物及硼化物,而其显微结构达到了纳米数量级。

按照Koehler外延异质结构理论,当沉积制备两种不同弹性模量金属M(1)和M (2)的多层膜时(EM(1)〈EM(2)〉,单层膜的厚度尺寸达到较小数量级时,可有效地阻碍位错源在层内的增殖;当受外部应力作用时,M(1)中的位 错将向M(1)/M(2)界面移动,M(2)中形成的弹性应变会产生一种排斥力,阻碍位错通过界面,因此多层膜的硬度比由混合规则计算得到的硬度高得多。

基于Koehler理论,纳米多层膜的研究已逐渐成为涂层界的开发热点,其设计思路是控制多层膜的一维周期结构,有效调整膜中的位错、缺 陷及运动,从而获得高硬度、高模量及高温性能优异的薄膜。

按其组成,纳米多层超硬膜可分为如下几类:

1、氮化物/氮化 物:TiN/VN,56GPa;TiN/VNbN,41GPa;TiN/NbN,51GPa;TiN/SiN,80~105 GPa

2、 氮化物/碳化物:TiN/CNX,45~55GPa;ZrN/CNX,40~45GPa

3、碳化物/碳化物:TiC /VC,52GPa;TiC/NbC,45~55GPa;WC/TiC,40GPa

4、氮化物或碳化物/金属:TiN /Nb,52GPa;TiAlN/Mo,51GPa

5、氮化物/氧化物:TiAlN/Al2O3

6、硼化物/氮化物 或碳化物:TiB/TiN,TiB/TiC,50~70GPa

7、金属/金属等

纳米多层膜的超硬特性及高的模量预示着 在工具领域的广阔应用前景,因此激发了国内相关科研工作者的开发热情。自2000年以来,武汉大学、吉林大学、上海交通大学、西安交通大学等相继开展了类 似的研究工作。研究的重点在于各类纳米多层膜致硬机理的探索,所研究的膜系涉及C3N4/TiN、TiN/NbN、 TaN/NbN、TiN/Al2O3,TiN/Si3N4,TiN/AlN,TiN/TiB2,TiN/SiO2,TIN/SiC,AlN/VN, Si3N4/CrN等,并获得了所期望的硬度及杨氏模量,而采用的制备手段则以PVD磁控溅射技术为主。上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室所做的 纳米多层AlN/(Ti,Al)N膜,当一维调制周期为10nm时,得到最高硬度29GPa;而当一维调制周期为1.3nm时,可得到最高杨氏模量 377.8GPa。

但应引起重视的是,要实现超硬效应,经实验室研究证实,多层膜的一维周期通常应在10nm左右,而以磁控溅射为主的薄 膜制备技术则基于通过对靶材与被镀工件空间位置及时间长短的控制,达到调整此周期的目的。对于复杂型面的切削刀具而言,各型面处获得均匀一致的纳米尺度的 多层膜层显然十分困难,因此,尽管纳米多层膜的超硬特性及高的模量有望大幅度地提高刀具的综合性能,但到目前为止尚未能进入商业应用。

德 国慕尼黑工业大学的Veprek等则根据Koehler的外延异质结构理论,提出了纳米复合超硬薄膜的理论和设计概念,并采用等离子体化学气相沉积方法制 备了Ti-Si-N(nc-TiN/α-Si3N4)薄膜,据称薄膜硬度可达到105GPa。国内的西安交通大学、青岛化工学院、成都工具研究所等也与其 合作进行了相关的研究工作,并获得了具有价值的实验数据。仅就制备方法而言,PCVD更适合复杂型面工件的纳米级薄膜的制备,然而目前工艺的重复性则是影 响其商业应用的关键问题。

国内PVD技术研究及应用存在的问题

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1、刀具涂层市场的变化

涂层刀具的应用与切削加工技术紧密相关,与九十年代不同,目前的应用更多地集中于硬质合金可转 位刀片、高速齿轮刀具、硬质合金棒式刀具及部分异型刀具。应用于数控机床,其切削加工速度通常高于100m/min,而单一的TiN薄膜已难于满足使用要 求。目前国内商业应用PVD技术,仍以高速钢刀具涂层为主,尽管市场对涂层刀具的需求不断上升,例如重庆地区的刀具涂层加工总额已从2000年的100万 元增长到了今年的1000万元以上,但应用领域仍以摩托车齿轮加工等行业为主,切削速度大多低于50m/min;而在硬质合金刀具领域应用较少,其大多数 高端涂层刀具产品被国外涂层公司所垄断,尤其是国外刀具涂层加工服务中心的出现,使国内的涂层加工服务企业面临更加严峻的竞争局面。

2、 技术上存在的问题

尽管近年来国内刀具涂层技术有了多元性发展,并已可以制备TiAlN及多层薄膜,但尚未形成真正的、具有国际竞争力的工 业化生产工艺技术及装备,其主要存在的问题如下:

①尽管国内的TiN涂层工艺工业应用基础较好,但在高速切削加工领域及硬质合金刀具涂层 方面却无法满足市场要求,与国外TiAlN涂层相比,涂层刀具寿命相差100%~200%;

②国内的TiAlN涂层技术在成分、薄膜结 构、致密性、结合强度以及均匀性等方面尚不成熟,在常规切削加工中,所表现出的性能与TiN相比并未显现出其优越性;

③在现代先进切削加 工制造中,精密成型加工的要求越来越高,通过合理的薄膜制备技术获取致密的薄膜组织及光整的表面形貌乃是高水平刀具涂层技术发展的基础与根本,与九十年代 不同,国内已淡化了薄膜制备技术的基础研究工作。

④ 尽管国内许多院校正在开展多种超硬薄膜材料的研究工作,也获得了极具价值的实验数据,比如含硅、硼等纳米多层膜,但就商业应用而言,其与市场要求仍存在较 大差距,究其原因可归纳为几方面:目前研究的重点仅在于超硬膜致硬机理的探索,而缺乏制备技术的基础研究;受条件所限,国内超硬膜的制备仍以普通磁控溅射 技术为主,对于复杂型面切削刀具的超硬薄膜的制备而言,并不是最佳的选择;与商业应用技术紧密相关的薄膜结合强度的提高、内部应力的控制技术的研究则少有 人问津。

3、涂层设备开发制造存在的问题

由于缺乏资金支持,国内涂层设备在设计、开发上与国外差距较大,尽管也有某些创 新思路,但绝大多数设备制造商延续了原有的设计概念,设备的结构与九十年代大同小异,由于对薄膜制备机理缺乏深入研究,因此在设备的设计上存在盲目性。

4、 整体配套性差,应用基础研究缺乏

整体配套性差、应用基础研究缺乏一直是困扰国内刀具涂层技术发展的瓶颈。目前刀具涂层的趋势是以发展涂层 加工中心为主,因此技术的整体性极为关键,前处理技术、涂层工艺技术、后处理技术及质量控制技术都是应予考虑的。而国内涂层设备制造商大多仅以提供涂层主 机为主,这种模式阻碍了工业化生产的快速推进;另一方面也造成设备制造商与市场的严重脱节,制约了技术的良性发展,使得创新无从谈起。

我 国刀具PVD涂层技术发展的问题与对策

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【问 题分析】

与国外相比,我国刀具PVD涂层技术的研究和开发起步并不太晚,而且在发展初期大量引进了当时国际上最先进的各类涂层设备,八十 年代后期国产涂层设备也得到了迅速发展,但该项技术真正广泛应用于高速钢刀具却是在九十年代中期。

到目前为止,虽然国内对硬质合金刀具 TiCN涂层的研究已取得突破,但国内市场的涂层产品仍以TiN涂层为主。分析其原因,可归纳为以下几点:

(1)前期集中引进对国内 PVD技术后续发展的影响

八十年代中期国外PVD技术及装备的集中引进虽然使我国发展该项技术有了一个高起点,同时也解决了高速钢刀具的 涂层问题,但由于引进设备的厂家都是国内的刀具生产骨干企业(其刀具产品的国内市场占有率很高),这些先进涂层设备的引进在相当长一段时间内已可满足这些 企业的生产要求,因此对国产PVD技术和设备的需求不太强烈,这在一定程度上影响了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展;另一方面,八十年代中期 PVD技术还处于发展初期,随着该项技术的不断发展,进入九十年代后新技术层出不穷,这些企业早期引进的技术亟待更新,但昂贵的价格使企业很难再次引进新 技术和新设备,国内也因此错失了发展提高PVD技术的最佳时期。

(2)对新工艺的研发重视不够

尽管八十年代国内引进了当 时最先进的PVD技术,但当时PVD技术尚处于发展初期,国内对其后续发展空间及发展速度无法充分估计;此外,物理涂层技术是集电子物理、材料、真空控制 技术于一体的新型技术,在研究、生产、应用等方面对人员配置有较高要求,而大部分引进PVD技术的企业偏重生产,对开发人员及资金配置不足,难以推动工艺 技术的进一步自主开发,新工艺、新技术仍需再引进,而再引进的费用十分昂贵(如Balzers公司的设备从TiN涂层工艺升级为TiCN涂层工艺,仅硬件 改造费即需30万美元),因此影响了国内涂层技术新工艺和装备的研发。

(3)国产设备开发缺乏统一性、合理性及协作性

八 十年代后期,国内一些真空设备制造厂及科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观,纷纷加大各类PVD涂层设备的开发力度,但由于缺乏对切削工艺及刀具涂层工 艺的深入了解,与工具厂合作不够,因此开发的涂层设备大多无法满足刀具涂层工艺的要求,尤其是精密高速钢刀具涂层技术尚达不到批量生产水平。由于此类设备 大多只能用于麻花钻的涂层,而麻花钻涂层费用极低,相应涂层设备的利润也很低,因此到九十年代以后,大部分真空设备制造厂已把发展方向转向其它行业(如装 饰涂层等)。

(4)售后服务欠缺制约了国产涂层设备的推广应用

迄今为止,国内大部分涂层设备生产厂还不能提供完整的刀具 涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具应用技术等),这种技术不完整性给用户的生产带来许多技术问题;此外,由于设 备生产厂不能提供长期技术服务,导致国产涂层设备难以保证长时期稳定、正常使用,从而极大限制了PVD涂层设备的推广应用。

(5)涂层质 量不稳定制约了涂层技术的推广应用

引进设备的高昂成本导致涂层价格居高不下,涂层费用甚至可超过刀具价格的50%;由于引进渠道不一,设 备选择依据不同,导致设备工艺水平相差较大,影响了涂层刀具的使用效果;由于国产涂层刀具质量不稳定,涂层刀具检验标准不完备,因此在应用领域内造成了涂 层价格高、涂层质量不稳定且涂层后刀具性能改善不明显的不良印象,严重影响了刀具涂层技术的推广应用和快速发展。

(6)国内机械加工水平 不高制约了涂层技术的快速发展

在二十世纪八十年代,我国数控机床的应用还十分有限,机械加工仍处于较低水平,高速钢刀具的应用占全部刀具 的80%以上,硬质合金刀具仍以焊接刀具为主,可转位刀片以车削类刀具为主(一般多采用CVD涂层),整体硬质合金立铣刀、钻头、铰刀等应用较少,因此对 PVD硬质合金刀具涂层的要求并不十分迫切,这在一定程度上也影响了涂层技术的进一步发展。

【对策建议】

随着我国汽车、 航空、航天、重机等工业的发展以及数控机床的迅速普及,我国机械加工技术正朝着高速加工、绿色制造的方向发展,高速滚齿、高速铣削以及干式切削工艺的应用 对刀具涂层技术提出了更高要求。

以齿轮高速滚削加工为例,先进的工艺需要采用滚刀MoS2软涂层技术,与TiN涂层相比,使用寿命可提高 一倍以上。在高速铣削加工中,硬质合金铣削类刀具多选用TiAlN、TiAlCN或TiNAlN涂层,单一的TiN涂层已不适合此类加工。市场的需求迫使 国内必须加速PVD新技术的研究和开发。

笔者认为,要使我国新型PVD涂层技术得到快速而有序的发展,应努力做好以下几方面工作:

(1) 加强项目的规划与管理

工具行业管理部门应加强PVD涂层项目的规划与管理工作,明确我国新型PVD涂层技术的短、中、长期发展目标,确立 有计划、不间断发展的方针,并通过“官、产、学、研、商”的有机结合,使项目既有政策支持又有资金保障。我国在这方面也有过成功经验:在八十年代中期,为 了在引进基础上立足于自行开发,提高工具行业涂层技术的整体水平,原机械工业部机床工具司组织了全行业力量对引进设备进行技术攻关,开发出的热阴极弧磁控 等离子镀膜机已在工具行业成功地推广应用,并因此带动了国内TiN涂层刀具的普及应用。

(2)建立统一的研究、开发、服务体系

建 立统一的研究、开发、服务体系,根据涂层技术的发展趋势和国内外市场需求,有系统地引进国际先进技术,加强对引进技术的消化吸收及协作研究工作,逐步增强 自我开发能力,形成专利技术,最终实现满足国内市场需求和参与国际市场竞争的目的。

(3)建立刀具涂层技术的行业标准

建 立涂层设备、涂层刀具的行业检验标准,严格控制涂层刀具质量,确保涂层技术的大面积推广应用。信息来源:工具技术切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需 求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。因此,涂层技术与 材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各国制造业对涂层技术的发展及 其在刀具制造中的应用日益重视。我国的刀具涂层技术经过多年发展,目前正处于关键时期,即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求,国内各大工具厂的涂 层设备也到了必须更新换代的时期。因此,充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势,瞄准国际涂层技术先进水平,有计划、按步骤地发展刀具涂层技术(尤 其是PVD技术),对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

真空涂层技术的发展

真空涂层技术起步时间不长,国际上在 上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于

该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000?C),涂层种类单一,局限性很大,因此,其发展初期未免差强人意。

  到了上世纪七十年代末,开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术,为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地,之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展,究其原因,是因为其在真空密封的腔体内成膜,几乎无任何环境污染问题,有利于环保;因为其能得到光亮、华贵的表面,在颜色上,成熟 的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色,可谓五彩缤纷,能够满足装饰性的各种需要;又由于 PVD 技术,可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层,应用在工装、模具上面,可以使寿命成倍提高,较好地实现了低成本、高收益的 效果;此外, PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点,几乎可以在任何基材上成膜,因此,应用范围十分广阔,其发展神速也就不足为奇。

真 空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术,各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷,如今在 这一领域中,已呈现出百花齐放,百家争鸣的喜人景象。

  与此同时,我们还应该清醒地看到,真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。由于刀 具、模具的工作环境极其恶劣,对薄膜附着力的要求,远高于装饰涂层。因而,尽管装饰涂层的厂家已遍布各地,但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、 模具涂层售后服务的欠缺,到目前为止,国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂 层刀具和模具的应用技术等),而且,它还要求工艺技术人员,除了精通涂层的专业知识以外,还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知 识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术

要求等,如果任一环节出现问题,都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。所有这些, 都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。

  另一方面,由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科,而国内 将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家,大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子,尚需一个消化、吸收的过程,因此,国内 目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称,急需奋起直追。

2.  PVD 涂层的基本概念及其特点

PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式,意思是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。

  较为成 熟的 PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单,容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源

供电即可工作,其引弧 的过程也与电焊类似,具体地说,在一定工艺气压下,引弧针与蒸发离子源短暂接触,断开,使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑,在蒸发 源表面上连续形成熔池,使金属蒸发后,沉积在基体上而得到薄膜层的,与磁控溅射相比,它不但有靶材利用率高,更具有金属离子离化率高,薄膜与基体之间结合 力强的优点。此外,多弧镀涂层颜色较为稳定,尤其是在做 TiN 涂层时,每一批次均容易得到相同稳定的金黄色,令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是,在用传统的 DC 电源做低温涂层条件下,当涂层厚度达到0.3μm 时,沉积率与反射率接近,成膜变得非常困难。而且,薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是,由于金属是熔后蒸发,因此沉积颗粒较大,致密度低,耐磨性 比磁控溅射法成膜差。

  可见,多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣,为了尽可能地发挥它们各自的优越性,实现互补,将多弧技术与磁控技术 合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底,然后利用磁控溅射法增厚涂层,最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。

   大约在八十年代中后期,出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机,应用效果很好,使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀,利用铜坩埚加热融化被镀金属材料,利用钽灯丝给工件加热、除气,利用电子枪增强离化率,不但可 以得到厚度 3~5μm的TiN 涂层,而且其结合力、耐磨性均有不俗表现,甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于 TiN涂层,或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层,则力不从心,难以适应高硬度材料高速切

削以及模具应用多样性的要求。

3.  现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术) 现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等 部分组成。

3.1 真空室

  涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式,由于工模涂层对加热及机械传动部分有 较高要求,而且工模形状、尺寸千差万别,连续涂层生产线通常难以满足要求,须采用单室涂层机。

3.2 真空获得部分

   在真空技术中,真空获得部分是重要组成部分。由于工模件涂层高附着力的要求,其涂层工艺开始前背景真空度最好高于6mPa,涂层工艺结束后真空度甚至可达 0.06mPa 以上,因此合理选择真空获得设备,实现高真空度至关重要。

  就目前来说,还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高 真空。因此,真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的,必须将几种泵联合使用,如机械泵、分子泵系统等。

3.3 真空测量部分

   真空系统的真空测量部分,就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样,没有一种真空计能测量整个真空范围,人们于是按不同的原理和要求制成了许多种 类的真空计。

3.4 电源供给部分

  靶电源主要有直流电源(如 MDX)、中频电源(如美国 AE公司生产的 PE、PEII、PINACAL);工件本身通常需加直流电源(如 MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的 PINACAL+)、或射频电源(RF)。

3.5 工艺气体输入系统

  工艺气体,如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气 (N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等,一般均由气瓶供应,经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、 压电阀,然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是,管路简捷、明快,维修或更换气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组气瓶的情况,这 种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是,减少气瓶占用量,统一规划、统一布局。缺点是,由于接头增多,使漏气机会增加。而且,各涂层 机之间会互相干扰,一台涂层机的管路漏气,有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外,更换气瓶时,必须保证所有主机都处于非用气状态。

3.6 机械传动部分

刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致,因此,在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动(I)的同时, 小的工件承载台也转动( II),并且工件本身还能同时自转(III)。

  在机械设计上,一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿 轮,周围是一些小的星行轮与之啮合,再用拨叉拨动工件自转。当然,在做模具涂层时,一般有两个转动量就足够了,但是齿轮可承载量必须大大增强。

3.7 加热及测温部分

  做工模涂层的时候,如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂

层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后 两个加热器,用热电偶测控温度。但是,由于热电偶装夹的为置不同,因而,温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度,有很多方法,这里介绍 一种简便易行的表面温度计法 (Surface Thermomeer)。该温度计的工作原理是,当温度计受热,底部的弹簧将受热膨胀,使指针推动定位指针旋转,直到最高温度。降温的时候,弹簧收缩,指 针反向旋转,但定位指针维持在最高温度位置不动,开门后,读取定位指针指示的温度,即为真空室内加热时,表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。

3.8 离子蒸发及溅射源

  多弧镀的蒸发源一般为圆饼形,俗称圆饼靶,近几年也出现了长方形的多弧靶,但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座 (阴极座)上面,两者为罗纹连接。靶座中装有磁铁,通过前后移动磁铁,改变磁场强度,可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度,要给靶座不断通 入冷却水。为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性,还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材,

3.9 水冷系统

  因为工模涂层时,为了提高金属原子的离化率,各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出,需要充分冷却;而且,工模涂层中的 许多种涂层,加热温度为 400~500?C,因此,对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要,所以冷却水最好采用18~20?C 左右的冷水机供水。为了防止开门后,低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠,在开门前 10 分钟左右,水冷系统应有能力切换到供热水状态,热水温度约为 40~45?C。

4.  工模具PVD 的工作步骤

  工 模具 PVD 基本工艺流程可简述为:IQC→前处理→PVD→FQC,分别介绍如后。

4.1 IQC

IQC(In Quality Control)的主要工作除了常规的清点数量

检查图纸与实物是否相符外,还须仔细检查工件表面,特 别是刃口部位有无裂纹等缺陷。有时对于一些刀具、刀粒的刃口,在体式显微镜下观察,更方便发现问题;另外,IQC 的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等,这些东西如果因漏检而混入镀膜程序,则将在真空室内严重放气,轻者造成整批产品脱涂层,重者使原本 OK 的产品报废,后果不堪设想。

4.2 前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗) 

  前处理的目的是净化或粗化工 件表面。净化就是要去除各种表面玷污物,制备洁净表面。通常使用各种净化剂,借助机械、物理或化学的方法进行净化。

  粗化与光蚀相反, 其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂层或涂料装饰的结构强度。我们现在已有的前处理主要方法为:高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。

4.2.1

高温蒸洗

  目前,PVD 车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。它的最大工作温度可达 145?C,气压在 3~5 巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔,孔内中常常有油污、残余冷却液等杂质,用常规清洗的方法难以除去。此时,高温蒸洗设备便可最大程度的发挥 它的优越性。

4.2.2

清洗

  各厂工模涂层前清洗程序大致如下:

1.超声波除蜡 →2.过水→3. 超声波除油→4.过水→5. 超声波自换→6.过水→7.过纯水→8.强风干燥

  具体实施时,与我们所熟悉的装饰涂 层前的清洗又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金,不容易生锈。此外,装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此,装饰涂层对 纯水的水质要求极高,甚至要达到 15MΩ 以上。要保证清洗的高质量,可以通过反复清洗,并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是,工模的清洗就不同,尤其是一些热做模具钢,如果像装饰 涂层那样去清洗,就会锈得一塌糊涂。

  由于工模涂层的原始表面状态,除了一些高标准的镜面模具以外,一般较装饰涂层要粗糙,因而,对涂 层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高,这就允许我们采取快速过水,用干燥、无油的压缩空气吹干,然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜 面模具,一般均为136 等不锈钢,可以借用装饰涂层的清洗法。

  总而言之,工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同,因 工模涂层前的表面状态的不同而不同,且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排序,供参考:

  不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、 DC53、高速钢、8407 有一种自动清洗机型号为 CR288,产自德国。该机一次最大

清洗量为 80KG,主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸,里面的溶液分别为自来水+清洗剂、自来水、去离子水。除了常见的超声波、大 水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外,该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤,可以使水分尽快挥发掉。

  自动清洗机内存十种工艺,均 由供方预先设定。一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。

4.2.3

喷砂

   喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面,从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件,喷砂分为干喷砂与湿喷砂两 类。

  喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速度、行程、往返次数、喷砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪 距:30~70mm; 倾角 30~70?C; 装夹台旋转速度 10~30;往返次数 3~9 次;喷砂气压:1.8~3.5 巴等。具体操作时,根据工件表面脏污程度,工件硬度,工件表面几何形状等因素,选取上下限。我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃珠,适合喷一些硬度介中的 材料,如油钢、模具等;在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝,硬度较高,适合喷一些硬度高的材料,如硬质合金材料。对于工模涂层而言,喷砂所使用的磨料粒 度也很重要。如果磨料粒度过大,则工件表面太粗糙;如果磨料粒度太小,又会降低冲击力度,甚至嵌在工件表面,清洗难以去除,从而使工件涂层附着力降低。为 此,欧洲一些国家,对工模涂层前喷砂

所用磨料粒度做过仔细研究,严格到必须保证 85%以上的晶粒度在中 A、B 两点范围内才能使用。相比之下,我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识,我们也很少有做这方面的检验。

4.3 PVD 涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)

4.4 FQC

FQC 的英文全拼为:“Function Quality Control”,意思是功能质量控制,它有别与一般意义上的  OQC(Out  Quality Control) 。FQC 的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主要有外观检查、层深检查和附着力检查。由于 我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的,因而我们在镀膜时,每批都会放进随批试样。做层深检查和附着力检查的时候,大多数情况下,实际上是对随批 试样进行检查。因为试样与产品在原材料、热处理状态、装夹位置等方面都难于一致,所以这样检测出的结果,与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当 大的误差,只能做参考使用。当然,必要的时候,我们也可以通过制作模拟件,达到准确测量的目的。

4.4.1

外观检查

   对于开门取件后的产品,应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒,还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。

4.4.2

层深检查

  层深检查有切片金相观察法、X-ray 检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为 10mm 的钢球与测试表面滚磨,然后在显微镜下测量磨痕的有关数据,带入公式中,即可方便算出层深。

  这种层深检查法的特点是:方便适用,误差 稍大。但这种误差应用于工模上面影响不会太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。附着力的检查方法有很多,各个厂根据自己产品的特点,都制定了相应的检 测方法。其中,比较权威的方法有两种,一种是在洛氏硬度计上,以圆锥型金刚石压头做压痕试验,在显微镜下观察,以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高 低。该方法对金刚石压头的形状要求很高,不但严格要求中心点在圆的中心,而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是,目前,我国还没有它的国家或行业标 准;另一种方法是划痕法,我国有些涂层发起较早的科研部门,也是采用的该方法,有专门的国家行业标准可供查询。

5.  工装夹具的处理

6.  涂后处理工艺(喷砂、涂脂技术,抛光处理)

7.  检测技术(结合力的检测、层深的检测、酸蚀)

8.  涂层剥离技术(TiN/TiAlN 的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN 的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术)

9.涂层刀 具的应用技术(涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用

  涂层对刀具的优化非常大,由于高速切削加工比传统切削加工所产生的温度要高,应用 涂层,可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如,氮化铬(CrN)涂层可降低磨擦系数,改善光洁度及排屑情况

 

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【内容摘要】:本文介绍了真空的由来及制造真空的设备——高真空镀膜 机,镀膜机是目前制作真空条件应用最为广泛的设备。其相关组成及各部件:机械泵、增压泵、油扩散泵、冷凝泵、真空测量系统、镀膜监控系统及各自的工作原 理。

镀膜机器作为一种集多学科的工作设备对人类的贡献。

【关键词】:镀膜机,真空技术,泵

科学技术飞跃 的今天,光电技术的发展与应用已经深入到各行各业,但是其制备的必须设备——真空镀膜机器,由最初的复杂化、手动化和只能被应用到军事科研领域,发展到现 在的简单化,集成化,智能化,并且被广泛推行及民用,价格也由之前的几千万一台降到现在的几百万就可以买到。光电技术的发展必然以真空技术为基础。

文 章主要论述真空镀膜机器的组成结构及各部件的工作原理,和保养常识,镀膜机是集多门学科一体的精密仪器,尤其在机电技术的应用方面,甚为广泛,所以,机电 一体化技术是真空技术的基础。镀膜设备的进步与发展也充分体现了机电技术的价值。

“真空”一词来自希腊语,原本是虚无的意思,人类对真空的研究和应用由来已久,对它并不陌生。到今天,真空技术作为一门应用科学,与人类的生活已经密不可 分。

最初人们为了获得真空,做了大量试验,比如最著名的“马德堡半球试验”,人类还发明了抽气泵,用来对密闭的容器进行抽气,以求获得真 空,随着人类对真空技术的研究与不断探索,同事也发明了测量真空的诸多方式,时至今日,真空技术已经广泛应用于工业,军事,农业,科研、半导体、显示技术 等,真空技术的发展与应用,大大促进了生产力的发展。

现在,人类已经能通过特制的容器获得超高真空,同时,制作了各种仪表测量真空度,不 仅如此,还制作各种设备,比如:真空镀膜机器,就是应用最广泛的仪器。

镀膜机按照其应用领域的不同可以分为电子枪热蒸发镀膜机、磁控溅射 镀膜机、等离子镀膜机、射频镀膜机等,但是他们的结构都一样,以光学镀膜机为例,主要有三大部分组成:真空主体——真空腔,辅助排气系统(包括排气系统、 真空测量系统)、蒸发系统(包括坩埚及回转控制系统、电子枪柜)、成膜控制系统。

此设备为日本昭和公司于1999年所生产,它由真空室、 真空机组、电气控制柜三大部分组成,排气系统采用“扩散泵+机械泵+罗茨泵+低温冷阱+polycold”组成,后面还将再介绍一种配备方式“高真空冷凝 泵+低真空机械泵”所组成的无油真空系统。

下面本人详细介绍各部分的组成及工作原理。

一、真空主体——真空腔

根 据加工产品要求的各异,真空腔的大小也不一样,目前应用最多的有直径1.3M、0.9M、1.5M、1.8M等,腔体由不锈钢材料制作,要求不生锈、坚实 等,真空腔各部分有连接阀,用来连接各抽气泵浦。

二、辅助抽气系统

此排气系统采用“扩散泵+机械泵+罗茨泵+低温冷 阱+polycold”组成

排气流程为:机械泵先将真空腔抽至小于2.0*10-2PA左右的低真空状态,为扩散泵后继抽真空提供前提, 之后当扩散泵抽真空腔的时候,机械泵又配合油扩散泵组成串联,以这样的方式完成抽气动作。

排气系统为镀膜机真空系统的重要部分,主要有由 机械泵、增压泵(主要介绍罗茨泵)、油扩散泵三大部分组成。

机械泵:也叫前级泵,机械泵是应用最广泛的一种低真空泵,它是用油来保持密封 效果并依靠机械的方法不断的改变泵内吸气空腔的体积,使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空。

机械泵有很多种,常用的有滑阀式(此 主要应用于大型设备)、活塞往复式、定片式和旋片式(此目前应用最广泛,本文主要介绍)四种类型。

机械泵常常被用来抽除干燥的空气,但不 能抽除含氧量过高、有爆炸性和腐蚀性的气体,机械泵一般被用来抽除永久性的气体,但是对水气没有好的效果,所以它不能抽除水气。旋片泵中起主要作用的部件 是定子、转子、弹片等,转子在定子里面但与定子不同心轴,象两个内切圆,转子槽内装有两片弹片,两弹片中间装有弹簧,保证了弹片紧紧贴在定子的内壁。

它 的两个弹片交替起着两方面的作用,一方面从进气口吸进气体,另一方面压缩已经吸进的气体,将气体排出泵外。转子每旋转一周,泵完成两次吸气和两次排气。当 泵连续顺时针转动时,旋片泵不断的通过进气口吸入气体,又从排气口不断的排出泵外,实现对容器抽气的目的。为了提高泵的极限真空度,均将泵的定子浸在油里 面这样,在各处的间隙中及有害空间里面经常保持足够的油,把空隙填满,所以油一方面起到了润滑作用,另一方面又起了密封和堵塞缝隙及有害空间的作用,防止 气体分子通过各种渠道反流到压强低的空间去。

机械泵是从大气开始工作的,它的主要参数有极限真空,抽气速率,此为设计与选用机械泵的重要 依据。单级泵可以将容器从大气抽到1.0*10-1PA的极限真空,双级机械泵可以将容器从大气抽到6.7*10-2帕,甚至更高。

抽气 速率,是指旋片泵按额定转数运转时,单位时间内所能排出气体的体积,可以用下公式计算:

Sth=2nVs=2nfsL

fs 表示吸气结束时空腔截面积,L表示空腔长度,系数表示转子每旋转一周有两次排气过程,Vs表示当转子处于水平位置的时候,吸气结束,此时空腔内的体积最 大,转速为n。

机械泵排气的效果还与电机的转速及皮带的松紧度有关系,当电机的皮带比较松,电机转速很慢的时候,机械泵的排气效果也会变 差,所以要经常保养,点检,机械泵油的密封效果也需要常常点检,油过少,达不到密封效果,泵内会漏气,油过多,把吸气孔堵塞,无法吸气和排气,一般,在油 位在线下0.5厘米即可。

增压泵又叫罗茨泵:它是具有一对同步高速旋转的双叶形或多叶形转子的机械泵,由于它的工作原理与罗茨鼓风机相 同,所以又可以叫罗茨真空泵,此泵在100-1帕压强范围内有较大的抽气速度,它弥补了机械泵在此范围内排气能力不足的缺点,此泵不能从大气开始工作,也 不能直接排出大气,它的作用仅仅是增加进气口和排气口之间的压差,其余的则需要机械泵来完成,因此,它必须配以机械泵作为前级泵。

机械泵 在使用过程中,必须注意以下问题:

1、机械泵要安装在清洁干燥的地方。

2、泵本身要保持清洁干燥,泵内的油具有密封和润 滑作用,因此要按照规定量添加。

3、要定期更换泵油,更换的时候要先排出以前的废油,周期为至少三个月至半年更换一次。

4、 要按照说明书接好电线。

5、机械泵停止工作前要先关闭进气阀门,再停电并开放气阀,将大气通过进气口放入泵中。

6、泵在 工作期间,油温不可以超过75摄氏度,否则会由于油的黏度过小而导致密封不严。

7、要不定期检点机械泵的皮带松紧度、电机的转速,罗茨泵 电机的转速,和密封圈的密封效果。

油扩散泵:机械泵的极限真空只有10-2帕,当达到10-1帕的时候,实际抽速只有理论的1/10,如 果要获得高真空的话,必须采用油扩散泵。

由于油扩散泵是最早用来获得高真空的泵,其由于造价便宜,维护方便,使用广泛,所以本文将重点讨 论。

油扩散泵的应用压强范围是10-1帕-10-7帕,它是利用气体的扩散现象来排气的,它具有结构简单,操作方便,抽速大(最高可以达 到10+5升/秒)等特点。油扩散泵主要由泵壳、喷嘴、导流管和加热器组成,里面主要添加扩散泵油(日本的型号是D-704#),根据喷嘴的多少可以分为 单级泵和多级泵。

扩散泵底部内储存有扩散泵油,上部为进气口,右侧旁下部为出气口,在工作时出气口由机械泵提供前置压强,机械泵充当前置 泵。

当扩散泵的油被电炉加热时,产生的油蒸汽提供前置压强,机械泵充当前置泵。当扩散泵油被电炉加热时,产生的油蒸汽沿着导流管经伞形喷 嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械泵提供的1-10-1帕的真空,故油蒸汽可喷出一段距离,构成一个向出气口方向运动的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵 壁,凝结为液体,流回蒸发器,即靠油的蒸发——喷射——凝结,重复循环来实现抽气的。

由进气口进入泵内的气体分子,一旦落入蒸汽流中,便 获得向下运动的动量,向下飞去,由于射流具有高的流速(约200米/秒),高的蒸汽密度,且扩散泵油具有高的分子量(300-500)故能有效的带走气体 分子,因此在射流的界面内,气体分子不可能长期滞留,且在射流界面的两边,被抽气体有很大的浓度差,正是因为这个浓度差被抽气体能不断的越过界面,扩散进 入射流中,被带往出口处,在出口处再由机械泵抽走。

扩散泵的油蒸汽压是决定泵的极限真空的重要因素,因此尽量选用饱和蒸汽压低的泵油,其 化学特性要好。

扩散泵不能单独用来抽气,一般要求泵的最大出口压强为40帕。扩散泵的抽速决定于第一级喷嘴与泵体进气口口径间环形面积的 大小,抽速不是一恒定的值,而是随着进气口的压强而变化的,当压强在10-2~10-3帕的时候,扩散泵的抽气速度是最快的,当压强小于5*10-4帕之 后,扩散泵的抽气速度最小,几乎没有抽气能力(此时,进气口的压强较高,由于空气的密度较大,使蒸汽流形成不了高速射流以阻挡空气的反扩散,所以抽速下 降)。

扩散泵在安装前要清洗,之后才可以装入扩散油,油在加热前,必须要先对泵抽真空,停机前要先将扩散泵油冷却到60~70摄氏度,才 可以关闭前级抽气,最后关冷却水。

由于油扩散泵是无法杜绝有返油的几率,那么没有办法保证精密产品的100%纯凈,特别是半导体行业,所 以就有“高真空冷凝泵+低真空机械泵”所组成的无油真空系统,冷凝泵组成的排气系统不仅排气效率极高,而且有效保证真空腔的清洁,保证产品的质量(避免产 品被污染、增强膜层与基板之间的附着力),但是其维护成本非常的高,造价昂贵,所以普及率没有油扩散泵广泛。

本人在工作过程中,有幸使用 到采用冷凝泵组成的排气系统,故在此解释。

低温冷凝泵:它是利用低温表面来凝聚气体分子以实现抽气的一种泵,是目前获得极限真空最高,抽 速最大的抽气泵。

冷凝泵的工作原理:主要是低温表面对气体的冷凝作用、冷捕作用及物理低温吸附作用。

低温冷凝: 根据各种气体的特性,采用液氦或者制冷循环氦气来冷却。

冷捕集:就是不可凝气体被可凝气体捕集的现象,通常二氧化碳、水蒸气、氮气、压气 等气体首先形成霜,于低温表面形成吸附层,进而达到吸附其它气体的目的,低温泵抽除混合气体的效果比抽除单一效果好就是这个原因。

低温吸 附:指低温表面上的吸附剂吸附气体的作用,由于吸附剂与气体分子之间的相互作用很强,故可达到气相压强比冷凝表面温度下它的饱和蒸汽压还低的水平。吸附剂 通常是活性炭。

冷凝泵的抽气速率及影响 冷凝泵的抽气速率与冷凝表面的面积大小有关系,经数据显示,单位冷凝表面积下的抽气速率为11.6升/秒.平方厘米,冷凝泵可以抽到10-8帕;此外粘有 活性炭的吸附表面的几何形状及位置、活性炭的颗粒结构、粘结材料及粘接工艺,对抽速也有很大的影响。其次关键在于制冷机的制冷量要足够大。

真 空计:真空计是真空镀膜机器上的重要组成部分,它是检测镀膜机真空度的重要手段。真空计根据其工作原理可以分为绝对真空计和相对真空计,绝对真空计可以直 接测量压强的高低,相对真空计只能间接测量真空度。

本论文重点介绍镀膜机器上面常用到的以下几个真空计:

电阻真空计(又 叫皮喇尼真空计):

它主要由电热丝、外壳和支架构成,主要是根据在低压下,气体的热传导系数与压强成正比的方式工作的。上面开口处与被测 真空系统相连接,热丝采用电阻温度系数大的金属丝做成,两支支架引线与测量线路连接。当压强降低的时候,由于气体热传导散失的热量减小,因此当热丝加热电 流稳定时候,则热丝温度就上升,热丝的电阻就增大,用测量热丝电阻值的大小来间接测量压强,有以下关系:

这就是电阻真 空计的工作原理,此真空计的测量范围是:100-10-1帕之间,目前采用的型号是WP-02

磁控放电真空计:

工作原 理:在放电开始时,由于空间游离电子向阳极运动时,在正交电磁场作用下,电子的轨迹不是直线而是螺旋线前进,又因为阳极是框形,故电子不一定第一次就碰上 阳极,而是穿过阳极,然后受到对面阴极的拒斥,又复返回。这样反复多次才可能打上阳极。由于电子路程大大加长,故碰撞及电离的分子数增加,使得在较低压强 (10-4帕以下)仍维持放电(也称潘宁放电)。

目前比较多的型号有PKR251、GI-PARY

放电管真空计:在玻璃 管中封入两个金属电极,在其上加上数千伏的直流高电压,在一定的压强范围内(1*10-3~2*10托)内就能引起自持放电,通过放电颜色来判定其真空度

目前为止此种真空计已经很少使用,因为其误差大,容易损坏,而且寿命不长。

三、蒸发系统

蒸发系统主要指 成膜装置部分,镀膜机器的成膜装置很多,有电阻加热、电子枪蒸发、磁控溅射、射频溅射、离子镀等多种方式,鄙人就电阻加热和电子枪蒸发两种方式作介绍,因 为此两种方式我应用的比较多。

电阻蒸发根据其结构和工作原理是目前为止应用最多,最广泛的蒸发方式,也是应用时间最长的蒸发方式。它的工 作方式是,将钨片做成船状,然后安装在两个电极中间,在钨舟中央加上药材,再缓缓给电极通电,电流通过钨舟,钨舟通电发热,这些低电压,大电流使高熔点的 钨舟产生热量,再热传导给镀膜材料,当钨舟的热量高于镀膜材料熔点的时候,材料就升华或者蒸发了,此方法由于操作方便,结构简单,成本低廉,故被很多设备 应用,但是其蒸发出来的薄膜由于致密性不佳,加上很多材料无法采用这种方式蒸镀,所以其有一定局限性。钨舟蒸发镀膜材料的时候,材料的熔点必须小于钨舟的 熔点,否则就没有办法进行。

电子枪蒸发是到目前为止应用最多的一种蒸发方式,它可以蒸发任何一种镀膜材料,它的工作方式是:将镀膜材料放 在坩埚里面,将蒸发源制作成灯丝形状,采用一专门的控制柜,对灯丝加一强电流,高电压,由于灯丝的材料是钨,所以它会发热,到最后会发射电子,再采用一定 的磁场将其聚集成一定形状,并牵引到坩埚上,这样就形成了一股电子束,由于电子束温度非常高,可以熔化任何镀膜药材,当镀膜药材被电子束熔化后(有些材料 是直接升华),药材的分子(原子或者离子)在真空中成直线运动,然后遇到基板,就凝结下来,经过这种方式生长,形成薄膜!最常用的有将电子束的偏转角制作 成270度,、或者运行轨迹为e型的e行电子枪或者电子束偏转角180度,运行轨迹为c型的c型电子枪两种。

电子束蒸发的最大优点在于: 电子束的光斑可以随意调整,可以一枪多用,灯丝可以隐藏,避免污染,可以蒸发任意镀膜材料,维修方便,蒸发速度可以随意控制,材料分解小,膜密度高。机械 强度好。

溅射方式是用高速正离子轰击靶材表面,通过动能传输,令靶材的分子(原子)有足够的能量从靶材表面逸出,在产品表面凝聚形成薄 膜。

用溅射的方法制镀的薄膜附着性强,薄膜的纯度高,可以同时溅射多种不同成分的材料,但是对靶材的要求高,不能象电子枪一样节约资源。

目前运用最多的有磁控溅射,磁控溅射是指平行于阴极表面施加强电场,将电子约束在阴极靶材表面附近,提高电离效率。它是操作最简单的一 种,所以运用非常广。

四、成膜控制系统

薄膜监控目前应用方式比较多,主要有:目视监控法,定(极值)值监控、水晶振荡监 控、时间监控等等。本人主要介绍目视监控、定(极值)监控和水晶振荡监控三种。

目视监控也叫直接监控,就是采用眼睛监控,因为薄膜在生长 的过程中,由于干涉现象会有颜色变化,我们就是根据颜色变化来控制膜厚度的,此种方式有一定的误差,所以不是很准确,需要依靠经验。

定值 (极值)监控:主要是采用反射式(透过式)光学监控。极值监控法:当膜厚度增加的时候其反射率和穿透率会跟着起变化,当反射率或穿透率走到极值点的时候, 就可以知道镀膜之光学厚度ND是监控波长(入)的四分之一的整数倍。但是极值的方法误差比较大,因为当反射率或者透过率在极值附近变化很慢,亦就是膜厚 ND增加很多,R/T才有变化。反映比较灵敏的位置在八分之一波长处。

定值监控法:此方法利用停镀点不在监控波长四分之一波位,然后由计 算机计算在波长一时总膜厚之反射率(或者穿透率)是多少,此即为停止镀膜点。

水晶振荡监控:

水晶振荡的工作原理是:利用 石英晶体振动频率与其质量成反比的原理工作的。但是石英监控有一个不好之处就是当膜厚增加到一定厚度后,振动频率不全然由于石英本身的特性使厚度与频率之 间有线性关系,此时必须使用新的石英振荡片。

几种监控方法各有优劣,但通常镀多层膜,会以光学监控为主,石英晶体振荡为辅助的方法。

除 此之外,对于有些在镀膜过程中需要充入气体的还有流量控制计或者压力控制计,这些需要采用精密的阀门和光电传感系统来控制。

在镀膜过程中 还需要回转控制系统,就是将伞具的主轴置于轴承里面,然后再利用电机带动轴承,使伞具回转。然后再PLC控制其回转速度。

坩埚回转采用电 机带动,光电感应计数的方法,遮药板采用气动开关方式转动。

为了加快抽气速率,达到一定的真空度,还需要对真空腔进行制冷,就是将真空腔 里面的空气冷冻到零下130摄氏度,将真空腔里面的水气冷冻并被泵抽走。

电气控制部分主要采用PLC自动控制,就是先在PLC中输入预先 设计好的程序,处理器主电路与操作面板上的各空驶系统相连接,当按下操作面板上的开关的时候,信息传递到中央处理器,再由中央控制系统分析并发出指令由支 路执行并完成动作。

镀膜机是集多门学科的设备,它集成了当今工业最先进的机电技术,控制技术、电气自动化、IT技术、制冷技术,微电路集 成系统、高压控制系统、机械技术、加工技术、光电技术、光学技术、气动控制技术、光电传感技术、通讯技术、真空技术、薄膜光学与镀膜技术等等。

可 以说镀膜机是新兴的产业代表。

到今天,镀膜机已经被广泛应用,制镀薄膜尤其广泛,其制作的各种薄膜被应用到各光电系统及光学仪器中,如数 码相机、数码摄像机、望远镜、投影机、能量控制、光通讯、显示技术、干涉仪、人造卫星飞弹、半导体激光、微机电系统、信息工业、激光的制作、各种滤光片、 照明工业、传感器、建筑玻璃、汽车工业、装饰品、钱币、眼镜片等等,镀膜机器已经与人类的生活紧密联系。

一台进口镀膜机造价通常达到 300~1000万人民币,国产设备目前的造价也在100万左右,进口设备已经完全自动化,整个生产过程都由计算机自动完成,其先进程度绝对优于世界上任 何自动化作业模式,由于国内的真空技术起步较晚,加上技术有限,故到目前为止还采用人工操作模式,有些厂商有借鉴进口设备的运作模式,可以达到半自动化作 业模式,比如:成都的南光镀膜机器、广东的腾胜镀膜机、台湾的龙翩镀膜机、北仪真空、沈阳真空等在业界皆有名次。

参考文献

[1]﹑ 李正中:《薄膜光学与镀膜技术》 轩艺出版社    2002年版。

[2]﹑卢进军、刘卫国:《光学薄膜技术》 西北工业大学出版社  2005年版。

致 谢

通过在*****学院两年的学习,和**********各位老师的大力支持与热心帮助,我对机电 一体化学科有了系统的学习与认识,特别是其中的电力系统与自动化控制的学习,对我目前的工作有很大的提升与帮助,感谢******学校给我们这样一个学习 的平台。

通过两年的学习,并即将完成毕业论文的撰写,在此对协助﹑支持本人完成论文课题研究工作的各位老师﹑主管﹑同事表示感谢。

感 谢********各负责老师﹑日本shincron 公司的真空技术专家砂山万吉先生、台湾光耀科技股份有限公司的工程部经理陈竹山先生﹑光耀光电(苏州)有限公司的镀膜工程师王洪金,以及对论文完成提供支 持与帮助的各位同事与老师﹗

再一次向您们表示衷心的感谢,祝您们永远健康!

谢谢大家!

 

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A. 真空电镀原理:

一般而言,镀膜在真空镀膜机内以 真空度 1~5 x 10 -4 Torr程度进行 (1 Torr = 1 公厘水银柱高的压力,大气压为 760 Torr)。其镀膜膜厚约为 0.1 ~ 0.2 微米。颜

如果镀膜在特定厚度以下时(即太薄),面油对底油将会产生侵蚀、引起化学变化(如表面雾化等)。如镀膜过厚 时,会产生白化的状态。颜填料,助剂,树脂,乳液,分散Dr<!--[if !supportFoot<!--[endif]-->l<!--[if !supportFootnotes]-->[1]<!--[endif]-->v#W?n8D<!--[if !supportFootnotes]-->[1]<!--[endif]-->G.e

关于镀膜的形成,首先利用强大 电流将镀膜源 (钨丝) 加热,然后把挂在钨丝上的铝片或铝线熔解。铝材从而蒸发、飞散到各方面并附着于被镀件上。熔解的铝为铝原子,以不定形或液体状态存在并附着于被镀件上,经 冷却结晶后从而变为铝薄膜。

因此设定钨丝为定数时,由真空度至蒸发铝的飞散方向、钨丝的温度,钨丝到被镀件的距离等;依其镀膜条件,镀膜 的性能也除着改变而发生变化。

一如前述,镀膜在10 –4 Torr左右下进行,如真空度过低时,其蒸发中的铝遇到残留的气体或者碰着钨丝被加热时产生的气体,发生冲突而冷却,形成的铝粒 (非常小的铝粒子集合体) 会附着于被镀膜件上。此时所形成的镀膜因微细铝粒中可能仍含有残留气体而令其失去光泽,也会大大降低镀膜与底油的密着性。

如 真空度高,而且钨丝的温度亦高时,蒸发铝的运动能量也因此会提高,被镀膜件表面所附着的会是纯铝 (并没有残留气体),而且密度非常高,镀膜性能因此而得到提升 (包括密着性等)

B. 涂料及雾化:

依各种镀膜条件形成 不同的镀膜。如前述,在现场作业最容易产生的问题是雾化现象。这种现象是有机高分子(涂膜)和金属(铝膜)的膨胀系数差异而发生。虽然可能由于涂料本质所 导致,但一般而言,如果使用涂料的方法正确,雾化现象应该不会发生的。但是被镀膜件的素材日新月异(包括再生料),也可能会引起雾化。

容 易引起雾化现象的原因有下述各点:

<1> 底油干燥不足(会侵蚀面油)

<2> 素材的残留应力(主要是突起部分)www.51coat.com

<3> 离型剂的影响UV,辐射,水性,粉末,溶剂#xH*S ~*k        v

<4> 可塑剂的影响

UV, 辐射,水性,粉末,溶剂

<5> 镀膜过薄的场合51coat技术网6G­[

<6> 面油干燥条件不适当涂料|油墨|树脂|胶粘剂|配方b(nF-r2gG

<7> 氧化重合型、空气流通不充分等

<8> 湿度太高时

涂料|油墨|树脂|胶粘剂|配方<9> 稀释剂含水量过高

Y结论:要得到良好的镀膜结果,要正 确遵守涂料的使用条件,同时亦避免使用粗糙的成形品。

C. 塑料的残留应力(变形、内部应力):涂料|油墨|

在真空电镀 用合成树脂(ABS、PS、PP、PC 等)以各种形态成型会引起程度不同的变形,其变形会对密着有不良影响,并且会导致起龟裂。这种龟裂仅在热的可塑性之塑料才会引起,其原因可能为成型时的内 部应力。虽在同一种素材亦依成型的条件,及成型的方法不同,亦同样发生,主要发生在突起部份。

这种现象可利用较弱的溶剂调整涂料使用,虽 可解决部份问题,但降低素材热变形温度,保温使缓和应力,比较有把握解决龟裂的现象。

离型剂:

涂料|油墨|树脂|胶粘 剂|配方塑料成型品在其射出过程中需要使用离型剂,此种离型剂导致涂料发生不沾、欠光泽、密着不良、雾化等现象。对涂装有不良的影响。51coat技术网 r}P.X

离型剂有很强的界面活性剂性质(如肥皂、硅类),因此需要除去离型剂。经乙烷洗凈后,状况会改善,但是以锭状混入离型剂,因此 成型品内部整个都有包含,所以在表面的离型剂,虽能除去,但无法除去在里面的。在涂装时,溶解到表面上并混合在涂料中,令离型剂再次发生间接的不良影响。 因此要电镀的成型品应避免使用离型剂。

涂料|油墨|树脂|胶粘剂|配方大家都知道,塑料有良好的绝缘特性,因此由塑料中所带的静电气在电 镀时会发生失光(欠光泽)的现象。

UV,辐射,水性,粉末,溶剂这种失光的电镀面,并非全面性,而仅有部分会发生,这是由于静电气会从空 气中吸着尘埃,这些尘埃用压缩空气,也无法吹走。

电镀时无法发现失光的现象,但涂装表面漆时,其部分却明显出现出来。这是附着于底漆的尘 埃上电镀,其部分由面漆侵蚀,才会明显表现出来。www.51coat.com

结论为成型后经过长时期保存的工件,最会产生此现象。故这 类工件是无法。又底油如经烘干,马上就电镀,也比较不会发生毛病。51coat技术网%qM-z9s-o

]F. 由面油对底油的侵蚀。!

电镀膜有很多微细的针孔,面油中的溶剂由针孔侵透至下层底油,侵蚀底油。因此虽然底油使用方法正确,如果与面油的配合不妥,当然也会引起 问题。

面油的侵蚀由外现出,在斑点中心有微小突起为其特点。涂料|油墨|树脂|胶粘剂|配方%

由发生面油侵蚀的主要原因 有:51coat技术网lS2Gp

(1)底漆干燥不够。

涂料|油墨|树脂|胶粘剂|配方(2)由离型剂引起。

辐 射,水性,粉末,溶剂(3)电镀膜过薄时。

(4)底油与面油的配合不良。}

(5)由可塑剂的影响。

涂 料|油墨|树脂|胶粘剂|配方以上陈述了一些问题点,如果是单独出现还好解决。但现实是以复数的理由构成涂膜的毛病。解决问题,还虽一定的现场经验。

复 合镀铝膜白点现象可以这样描述,复合后的产品表观上看有明显的白色斑点,这种白色斑点可随机分布,大小不均。分两种情况,一种是:下机时有,但熟化后基本 消失;另一种是:下机时有,熟化后并不消失。后一种是影响表观的最大问题。这类斑点最容易出现在满白底或浅底色的印刷的效果上。其实应该说只要出现此类白 点,一般是满版的(设备原因除外)。只不过白色和淡底色遮盖力差容易看出来而已。产生白点的现象的原因较多,主要有三方面的:

颜填料,助 剂,树脂,乳液,分散 1.油墨粒度大或粒度分布太宽,一般白墨的粒度影响较大。粘合剂中乙酯是油墨的良溶剂,对不同粒度的油墨颗粒浸润结果不同,通过烘箱烘干后的色度变化会产 生差异,看起来就产生“白点”了。一般此种情况下,下机时明显,熟化后白点现象会减轻,也许会消失。

­辐射,水性,粉末,溶剂  2.粘 合剂表面张力高,在镀铝膜上浸润铺展效果差。这是目前镀铝膜“白点现象”的一个主要原因。粘合剂的涂布效果不好,印刷层覆盖以后,会使不同部位上色泽发生 变化,产生前面同样的效果,有时会产生很大的斑点。

3l z$T$w Z8x;\)Q$EUV,辐射,水性,粉末,溶剂  3.设备工艺原因。这种原因一方面是工人没有意识到镀铝膜复合的特殊性,镀铝膜复合有它独特的地方; 另一方面设备烘干、涂布、系统本身的问题无法保证粘合剂的充分均匀涂布或无法保证乙酯的充分挥发。

还有其它方面的原因,如满底印刷网线辊 网纹过浅,降低了油墨遮盖力等。

 采取如下办法可消除白点:

颜填料,助剂,树脂,乳液,分散  1.不同批次的油墨增加 粒度检测指标,严格控制,尤其满底油墨品种粒度及粒度分布在标准范围外的不采用;选择优良的稳定的供应商。UV,辐射,水性,粉末,溶剂

2. 采用镀铝膜专用粘合剂。镀铝膜复合专用粘合剂的表面张力较低,在镀铝层表面的涂布铺展效果明显优于通用型粘合剂。采用镀铝胶会非常易于控制胶液的流平,有 较理想的涂布状态。单从粘合剂涂布状态上讲,采用镀铝胶可消除了白点现象产生的可能。51coat技术

3.胶液的粘度与网线辊线数有一定 的匹配关系,超出匹配区间太大会破坏胶的涂布状态,造成“白点”的产生和更严重的其它方面的影响,但在镀铝膜上似乎主要还是“白点”的产生更令人关注。 UV

4.采用镀铝膜涂胶方式。通常采用的涂布工艺是印刷膜(油墨面)涂胶,这里采用特殊涂布方法,避免了乙酯对油墨层的渗透不均的问题, 同时涂布的粘合剂能够充分均匀地覆盖镀铝层表面,这样可以很好地消除白点。但这种工艺有它很大的局限性,首先,只限于VMPET的复合,而其它镀铝膜在烘 箱中受热的影响在张力的作用下,会拉伸变形;其次,将牺牲一定的剥离强度。

5.软包装企业必须坚持涂布辊的定期清洗制度,掌握正确的涂布 辊清洗方法。在生产满白底或浅底色印刷膜时,要注意两点,首先,生产前将刮刀、涂布辊、展平辊等彻底清洗。

6.应做到粘合剂的彻底干燥。 因镀铝的阻隔性比较好,如在复合膜中粘合未彻底干燥,那么复合膜在进入熟化室后,残留的大量溶剂需快速地释放出来,在镀铝膜阻隔下,势必形成汽泡。甚至会 出现下机时没有白点,而熟化后出现白点的现象。

塑胶真空镀膜工艺

虽然塑料可以在许多场合代替金属,但显而易见缺乏金属的 质感,为此,需要采用一定的方法,在塑料表面镀上一层金属(铝、锌、铜、银、金、铬等),一种方法是采用类似化学镀和电镀的方法,另一种是直接在塑料表面 进行真空喷镀金属—即在真空状态下,将金属融化后,以分子或原子形态沉积在塑料表面形成5—10μm的金属膜。

真空喷镀金属需要与塑料表 面底漆之间的良好配合,底漆的厚度通常为10—20μm,主要作用是防止塑料中水、有机溶剂、增塑剂等排出影响金属附着。要求涂层硬度高、底漆具有可以修 饰塑料缺陷,能提供一个光滑、平整的平面以利于真空镀的性能,并与塑料底材和所镀金属附着牢固。通常选用双组分常温固化的聚氨酯和环氧涂料,低温烘烤的氨 基涂料以及热塑性丙烯酸酯涂料。

金属镀膜在空气中容易氧化变暗,同时还存在细微的真空等缺陷,所以要再涂上一层5—10μm的保护面漆。 对面漆的要求是:透明、优良的耐水性、耐磨性、耐候性,不操作镀金属膜,对金属镀膜附着牢固。通常可采用丙烯酸酯清漆、聚酯清漆、聚氨酯清漆等,当底漆采 用的是热塑性丙烯酸酯涂料时,为防止面漆溶剂通过镀膜缺陷溶蚀底漆,可以选用弱溶剂、快干性的面漆,如丙烯酸改性醇酸清漆、聚乙烯醇缩丁醛清漆、氨酯油 等。

真空镀金属的工艺流程为:塑料表面处理(净化、活化)→涂底漆→干燥→真空镀金属→涂面漆→干燥。其工艺流程作简要介绍:产品表面清 洁--〉去静电--〉喷底漆--〉烘烤底漆--〉真空镀膜--〉喷面漆--〉烘烤面漆--〉包装.

在全部的工艺流程中,有如下几点决定了 工艺的成败:

需要加工的零部件表面状态,这包括产品是否存在缺陷,表面状态,表面污染物等

表面缺陷的存在会导致外观件最 终美观度。当然对于微小缺陷的存在,喷涂工艺可以掩盖。但是在注塑或者冲压成型过程中造成的批量瑕疵品必须在进货检验前剔出。

表面状态, 这涉及是否是透明件,表面特殊粗糙度设计。设计外观状态要求的,必须在工艺制定前考虑整体工艺路线,否则完成后难以得到预想的外观效果。

表 面污染物,对于批量产品,如何去除前段工序残留的污染物是关系质量与效率的关键。例如在注塑过程中产生的脱模剂的去除

夹具的设计,这包括 夹具是否适应全部工艺流程,是否能保证表面均匀性,装夹效率

不锈钢真空多弧等离子度(PVD)工艺介绍

PVD是英文 Physical<I></I>&nbsp;Vapor<I>< /I>&nbsp;Deposition(物理气相沉积)的缩写,是指在真空条件下,采用低电压、大电流的电弧放电技术,利用气体放电使靶 材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离,利用电场的加速作用,使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上; PVD技术出现于二十世纪九十年代末,制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各 国制造业的高度重视,人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时,也在不锈钢中进行了更加深入的涂层应用研究。PVD工艺处理温度低,PVD工艺对环境无 不利影响,符合现代绿色制造的发展方向。目前PVD涂层技术已普遍应用于不锈钢表面的涂层处理PVD技术不仅提高了不锈钢基体材料的结合强度,涂层成分也 由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta-C等多元复合涂 层在真空环境下,通过电压和磁场的共同作用,以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击,致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。根 据使用的电离电源的不同,导体和非导体材料均可作为靶材被溅射碳氢气体在离子源中被离化成等离子体,在电磁场的共同作用下,离子源释放出碳离子。离子束能 量通过调整加在等离子体上的电压来控制。碳氢离子束被引到基片上,沉积速度与离子电流密度成正比。星弧涂层的离子束源采用高电压,因而离子能量更大,使得 薄膜与基片结合力很好;离子电流更大,使得DLC膜的沉积速度更快。离子束技术的主要优点在于可沉积超薄及多层结构,工艺控制精度可达几个埃,并可将工艺 过程中的颗料污染所带来的缺陷降至最小。

 

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汽车工业对金刚石和CBN工具的技术进步和市场拓展起到了巨大的推动作 用,并且今后仍将是金刚石和CBN工具的主要应用领域。本文讨论了汽车工业的发展趋势、当今的金刚石和CBN工具技术及其在现代生产线上的应用。本文还对 这种预期将应用于未来生产流程的先进加工技术作了概略介绍,并预测了金刚石和CBN工具今后的发展,这种发展对于满足汽车技术的未来趋势是必不可少的。

图 1所示为过去8年来(1997年~2004年),全球汽车年产量的变化情况(按世界个主要地区分类)。与8年前相比,汽车总产量增长了约14%。北美、欧 洲和日本的汽车产量增长很小,而在亚洲和其他地区,增长却非常显著。目前最大的汽车生产国包括美国、日本、德国和其他西欧国家以及中国。所谓“金砖四国” (巴西、俄罗斯、印度和中国)的汽车产量正在显著增长,在这些国家的营销方针将成为今后几年增长战略的关键因素。


图1 全球汽车年产量(1997-2004)

如今,汽车制造商的基本战略是开发与应用可适应目前汽车发展趋势(如环境友好 型、节能型汽车,安全性、信息通讯和全球化等)的各种先进技术。图2所示为汽车技术的各种发展趋势以及源于新的生产要求的加工需求。为了满足新的生产要 求,需要采用高效、灵活和对环境友好的制造技术。图2列举的是所需要的加工技术的某些重要方面。总的来说,要求这些加工技术应能实现高速度、高效率和高精 度。考虑到成本因素和市场基础,目前的主流汽车动力系统(由发动机和传动箱组成)在可以预见的未来预计仍将保持其核心技术的地位。混合动力汽车将发动机与 电动机配合使用,但电动机的应用使其成本始终居高不下。可削减混合动力汽车高成本的技术进步将是决定此类汽车普及率的一个关键因素。完全由电动机提供动力 的汽车(如燃料电池汽车)也面临许多问题,其中包括汽车系统的复杂性、缺乏必需的市场基础以及高成本等等。在现阶段,推出这些汽车仍将主要基于试验性质, 其目的是积累所需要的技术。总之,对这些汽车产品的加工需求包括加工新的形状、新的材料和超精加工,这些加工技术是在传统的发动机和传动箱加工中未曾使用 过的。


图 2 汽车技术发展趋势以及满足新的生产要求和新产品所需的加工技术

金刚石和CBN工具在汽车工业的技术现状

图 3所示为近年来(1997年-2005年)日本汽车和工具的年产值变化情况。众所周知,汽车工业是工具制造商最重要的市场。正如图3所示,工具总产值的变 化与汽车总产值的变化具有较好的相关性。2005年与1997年相比,汽车总产值增长了约13%,而工具总产值增长了约13.6%。从工具的种类来看,硬 质合金工具的产值增长率居首,其次是金刚石和CBN工具。与之相比,专用工具和磨轮的产值却有所下降。与硬质合金工具相比,金刚石和CBN工具的应用范围 较窄可能是其增长率较低的原因之一。这也表明,拓展金刚石和CBN工具的应用范围是扩大其需求的一个关键因素。


图3 日本汽车和工具的年产值

图4 日本金刚石和CBN工具的年产值

图4所示为同一时期(1997年-2005年)从日本的金刚石和CBN工具年产值的 变化情况。2005年与1997年相比,金刚石和CBN工具的总产值仅有微量增长。其中,CBN工具的产值增长率最大,约为70%;金刚石刀具次之;接下 来是金刚石磨轮。这几种类型的工具与汽车制造直接相关。将这些数据与以前的数据一起考虑,可以看出,虽然金刚石和CBN工具的应用范围较窄,但它正在不断 拓展。我们还能看到,节块式工具、切削刀具和其他工具的产值在急剧下降,这或许反映出在建筑和公共工程领域的需求正在不断减少,而这些领域以前是金刚石工 具的主要用户。可以预期,至少在日本,今后数年金刚石和CBN工具在汽车行业和工业机械行业(以电动机械和类似产品为代表)的市场将不断扩大。
图 5是对汽车零部件加工要求的总结显示了为满足产品和生产要求所需要的加工方法。与这些加工方法相关的工具需求包括这样一些特性,如高硬度、耐热性、长的工 具寿命、切削刃的锋利性和良好的热传导性。而金刚石和CBN工具正好能够提供这些高水平的加工性能。


图5 汽车零部件的加工需求

图6 生产动力系统零部件的金刚石和CBN工具加工技术发展历程

图6所示为生产汽车动力系统零部件的金刚石和CBN工具加 工技术的发展历程。生产系统已从1970年代的机床流水线发展到2010年代能够生产不同品种和不同数量产品的柔性加工线。在生产系统的这种发展进程中, 某些具有划时代意义的技术进步与刀具和磨具有关。如果没有金刚石和CBN工具,这些加工技术将不可能实现。换句话说,这些年来,许多新的加工技术都是与金 刚石和CBN工具的进步一起开发和实施的。

金刚石和CBN工具在生产线上的应用

图 7所示为金刚石和CBN工具在汽车动力系统零部件加工中的主要用途。金刚石刀具用于加工铝合金零件(如气缸盖和气缸体),主要用途是镗孔和表面精加工(如 端面加工)。而钻削和粗切加工主要还是用硬质合金刀具来完成。CBN刀具用于加工铸铁和钢件(如曲轴和凸轮轴)。金刚石工具用于切削速度相对较慢的加工操 作(如珩磨和表面精加工)。近年来,硬车削的应用也在不断增多。需要指出的一点是,将金刚石和CBN工具应用于难以期望获得较高加工效率的加工场合,例如 加工淬硬材料和用于高速加工。图8所示为将金刚石和CBN工具应用于与切削速度有关的各种不同的工件材料。一般来说,与传统的硬质合金刀具或白刚玉磨轮相 比,金刚石和CBN工具可将切削速度提高2~10倍。由于加工效率与切削速度成正比,因此在工件材料能以尽可能高的切削速度进行加工的情况下,使用金刚石 和CBN工具可以获得显著的经济效益。


图7 金刚石和CBN工具在汽车动力系统零部件加工中的主要用途

图8 应用金刚石和CBN工具加工不同的工件材料


图9 金刚石和CBN工具用于加工汽缸体和汽缸盖

图10 用单晶金刚石刀片高精密切削铝合金工件

现将金刚石和CBN工具在生产线上的典型应用说明如下。图9所示为金刚石和 CBN工具用于加工气缸体和气缸盖。金刚石和CBN刀具除了用于传统的表面精加工和镗削加工以外,最近已经开始用于钻削和铰削加工。能够承受比常规加工条 件更为恶劣加工条件的金刚石和CBN工具正在不断被开发出来。
图10所示为用单晶金刚石刀片高精密切削铝合金工件的应用实例。与聚 晶金刚石(PCD)刀片相比,单晶金刚石刀片的切削刃更锋利,硬度也更高,可改善所获得的最终表面粗糙度,并能延长刀具寿命。虽然单晶金刚石刀片的成本约 为PCD刀片的3倍,但通过充分发挥单晶金刚石刀具的性能优势,仍然能够获得非常不错的经济效益。
图 11所示为用CBN刀片和金刚石珩磨块进行缸孔精加工的应用实例。对缸孔的精镗和珩磨加工被集成在一台机床上进行,以提高加工精度和加工效率。镗孔加工采 用PCBN刀具,珩磨加工采用单晶金刚石珩磨块。两种加工都使用水溶性冷却液。


图11 用CBN刀片和金刚石珩磨头进行缸孔精加工

图12 用陶瓷结合剂CBN磨轮进行高速磨削

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图13 磨轮速度对磨削性能的影响

图12所示为用陶瓷结合剂CBN磨轮进行高速磨削加工的应用实例。目前采用的磨削速度为 50~200m/sec。由于采用了更高的磨削速度因而提高了加工效率,高速磨削在曲轴的柔性加工(包括轴销和轴颈的组合磨削)中发挥了重要作用。虽然高 速磨削是提高加工效率的一种有效方式,但该工艺目前仍未获得广泛应用。高速磨削的面临最大问题是确立可达到令人满意的可靠性和成本水平的工艺技术。
图 13所示为在不同磨轮速度下磨削效率与切向磨削力之间的关系。切向磨削力随着磨削效率水平的提高而增大,且其增大速率取决于磨轮速度。法向磨削力也显示出 相同的变化趋势。换句话说,当磨轮速度较高时,磨削力的增大速率较小。我们将这一特性应用于生产线上,以200m/s的磨轮速度实施超高速凸轮磨削加工。 如果能提高用于高速磨削的磨轮性能,就有可能进一步拓展其应用范围。

金刚石和CBN工具加工技术的最新研究课题

图 14所示为用单晶金刚石(SCD)刮削刀片高效精密车削铝合金所获得的试验结果。如图14(a)和 (b)所示,表面粗糙度分别为刀具刀尖圆弧半径和进给率的函数。图14(a)表明,当刀尖圆弧半径大于10mm时,可获得小于Ra0.1µm的表面粗糙 度;图14(b)表明,在0.4mm/rev的高进给率下,使用具有大刀尖圆弧半径的刀具,可获得Ra0.1µm的表面粗糙度。这些试验结果表明,该工艺 能将表面粗糙度提高一个数量级,同时可以达到与常规加工方法相同的高加工效率。<


(a)尖圆弧半径与 表面粗糙度

(b) 进给率与表面粗糙度

图14 用SCD刮削刀片高效精密车削铝合金

图 15所示为用CBN刀片进行精密硬车削获得的试验结果。图15表明,表面粗糙度是进给率的函数。在该试验中,通过研磨刀具的切削刃,可获得 Ra0.03µm的表面粗糙度。用该技术加工一个环形无级变速器(CVT)圆盘的应用实例表明,用硬车削可替代传统的磨削加工,然后用超精磨削对圆盘进行 最终精加工。


图15 进给率与表面粗糙度的关系及环形CVT圆盘的加工

图16 用CBN刀具对淬硬钢进行车齿加工

图16所示为在车齿加工中用CBN刀具断续切削淬硬钢获得的试验结果。如图中右上 方的图片所示,在车齿加工中,具有倾斜切削刃的刀具朝着工件沿切向进给。在切削速度为300m/min的常规加工中,刀具在切削加工开始后不久就发生破 损。与之相比,在采用CBN刀具的车齿加工中,按切削长度计算的刀具寿命达到了约15km。这一结果表明,该车齿工艺能够实现淬硬钢的高效断续切削。
下 面介绍对超高速磨削的一些研究成果。图17所示为一些典型磨削加工方法的磨削效率与表面粗糙度的关系。采用传统磨削工艺时,磨削效率往往会随着表面粗糙度 的减小而降低。因此,我们采用了磨轮截顶修形作为改善表面粗糙度的一种方式。并且,我们还发明了高速磨削和超高速磨削的新概念,作为进一步提高磨削效率的 方法。以这种方式,我们努力达到了类镜面的表面磨削效果,同时实现了过去难以获得的更高水平的磨削效率。


图17 用CBN磨轮进行超高速磨削加工

图18 用陶瓷结合剂CBN磨轮进行超高速和快速转动磨削加工


图19 用陶瓷结合剂CBN磨轮进行类镜面表面的高效磨削


图20 汽车工业发展战略

第一个应用实例是使用陶瓷结合剂CBN磨轮以超高的磨轮和工件速度进行超高速磨削加工。如图18所 示,在磨轮速度为240m/s的周边磨削中,以加工表面粗糙度作为进给率的函数。比较在一般工件速度(40m /min)和高工件速度(520m/min)下的表面粗糙度值,结果表明,在520m/min的高工件速度下,即使进给率(即加工效率)提高4倍以上,表 面粗糙度实际上并无变化,在截面显微照片上也并未观测到白蚀层。换句话说,这些结果表明,通过同时提高磨轮速度和工件速度,能够实现高效加工。
第 二个应用实例是使用陶瓷结合剂CBN磨轮进行类镜面表面的高效磨削。如图19所示,以加工表面粗糙度作为修整速度之比的函数。在采用0.1mm/rev的 大修整导程时,表面粗糙度值随着修整速度之比的增大而增大。反之,采用0.01mm/rev的小修整导程时,表面粗糙度也并未显著恶化。图上方的显微照片 显示了当修整导程设定为0.01mm/rev、修整速度之比分别为0.2和0.8时的加工变质层。在修整速度之比为0.2时,可以观察到白蚀层和回火层; 而当修整速度之比为0.8时,这些变质层非常小,几乎难以识别。通过应用这种磨削技术,预计可实现曲轴及其他零件的类镜面表面磨削,同时可获得与常规磨削 方法相同的加工效率。

金刚石和CBN工具的未来展望

图20所示为汽车工业与加工技术相关的发展战略。该战略的 两个主要基础是全球化和新产品与新技术的开发。这两个基础将随着母技术(如机床技术、工具技术及其他技术)的进步而不断发展。为了在不久的将来保持竞争 力,企业将需要能适应不断发展的全球化的加工技术。为了实现未来的增长,企业必须开发生产新产品的加工技术,并拥有在全球范围实施这些技术的各种资源。为 了拓展金刚石和CBN工具的市场,需要有与这种技术进步相关联的发展战略。
有一个问题是:全球市场的扩展空间有多大?图21所示为 对今后一些年全球汽车保有量的预测估计,2020年的汽车保有量将比目前水平高出约1.3倍。在欧洲、北美、日本及其他成熟的汽车市场,汽车普及率已经超 过每二人一辆汽车。而目前全球的汽车普及率约为每十人一辆汽车。这一数据表明,在未来一些年,全球汽车市场仍将继续增长。换句话说,需要制定一种金刚石和 CBN工具加工技术的发展战略,以应对这种全球范围的汽车需求增长。


图21 全球汽车保有量预测

图22 动力系统零部件材料的变化预期

在预测金刚石和CBN工具的未来发展时,让我们将考虑问题的视角从数量的增长转换为应 用范围的拓展。图22所示为与汽车动力系统主要零部件材料的变化相关的金刚石和CBN工具预期。据预测,今后铝、锰和其他轻质合金以及钛合金、烧结合金及 其他高强度合金将越来越多地用作动力系统零部件的材料。因此,能够加工这些材料的金刚石工具预期将有非常大的增长。
图23所示为对 未来汽车技术发展预测的一些例子。据预测,汽车技术将从目前的汽油和柴油发动机逐渐演变为电动机辅助、混合动力,然后进一步发展为燃料电池组。因此将需要 开发与这种变化相关的金刚石和CBN工具加工新技术。


图23

根据预测,汽车制造商的短期增长和中长期增长都将继续看好。笔者认为,可以预期,通过紧跟汽车技术发展趋势,拓展加工应用范围,金刚 石和CBN工具加工技术也将获得进一步发展。笔者描绘了汽车行业的某些发展趋势,并从汽车制造商的观点介绍了相关的金刚石和CBN工具加工技术。希望汽车 行业与金刚石和CBN工具行业今后继续携手合作、共同发展。

本文作者:张 宪(译)
原载:《工具展望》2008年第3期

 

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1.引言
环境、资源、人口是当今社会面临的三大主要问题。依靠 科技进步,实现节资增效,减少废物排放,建立生产、消费与环境、资源相互协调的发展模式已成为人类社会可持续发展的必由之路。进入21世纪,在制造业实施 绿色制造已势在必行。切削加工作为制造业重要而应用广泛的加工方法正面临新的挑战,在此背景下,绿色切削加工技术应运而生。
在传统的切削加工 中,需要使用大量切削液浇注在切削区,以起到冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等作用。随着人类社会对环境保护的高度关注,使用切削液所带来的负面影响已不容 忽视。这些影响主要表现在:①大量使用切削液增加了制造成本。在欧洲汽车制造业,切削液的成本占总制造成本的16.9%,其中包括购买切削液的费用、使用 切削液所需设备费、维护及废液处理费用等。而刀具成本仅占总制造成本的7.5%。②切削液中含有矿物油及硫、磷、氯等对环境有害的添加剂,如排放前未经处 理或处理不当,则会对环境造成污染。③切削液对操作工人的健康造成威胁,会诱发多种皮肤病和呼吸道、肺部疾病。
绿色切削加工技术是一种充分考虑 环境和资源问题的加工技术,它要求在整个加工过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。目前国内外对绿色切削的研究主要集中在干式切削、低温切 削、绿色湿式切削等几个方面。
2.干式切削
干式切削是指在机械加工中为了保护环境和降低成本而有意识地减少使用或不使用切削液的加工 方法。干式切削分为两种,一种为完全不使用切削液的干式切削,另一种为用气体混合微量润滑剂代替切削液的准干式切削,其使用的是最小量润滑 (Minimal Quantity Lubrication,MQL)技术。采用MQL技术的准干式切削适用于无法完全实现干切削的情况,如磨削加工及难加工材料的切削加工。采用准干切削加 工后,刀具、工件和切屑都保持干燥,切屑无需处理便可回收利用。
目前对干式切削的研究主要集中在以下几个方面。
2.1 干式切削加工刀具的研究
由于干式切削的温度比湿式切削高得多,为实现干式切削,要求刀具材料必须具有较高的红硬性、耐磨性、热韧性和热化学稳定 性,并且切屑、工件与刀具之间的摩擦系数应尽可能小。刀具结构应便于排屑,刀具强度和冲击韧性要高。目前适用于干式切削的刀具材料有超细颗粒硬质合金、金 刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等。
美国学者开发的纳米涂层(Nanocoatings)刀具,可采用多种材料的不同组合(如金属/金属组合、 金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等),以满足不同的功能和性能要求。纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加,具有优异的抗摩擦磨损 及自润滑性能。
日本住友电气工业公司开发了能以较高速度对淬硬钢进行干式切削加工的刀具材料——住硼磨料(立方氮化硼磨料工具商品 名)BNX10、BNX25。住硼磨料BNX10适用于淬硬钢的高速连续干切削。对轴的外径加工实例表明,与陶瓷刀具相比,BNX10可获得较高的加工表 面光洁度和稳定的尺寸精度,且刀具的寿命大大提高。住硼磨料BNX25通过优化CBN粒度及含有率,以及采用特殊陶瓷材料作为结合相,提高了耐缺损性和耐 月牙洼磨耗性,适用于淬硬钢的高速断续切削加工。对套筒材料外径的高速切削加工实例表明,与以往的刀具材料相比,在高速切削的条件下使用BNX25刀具的 寿命也有所提高。
邓建新等人以TiB2为添加剂、Al203为基体,研制了Al203/TiB2陶瓷刀具材料。用该陶瓷刀具对淬硬钢进行高速干 切削试验,结果表明,当切削速度大于12Om/min时,刀具开始表现出高温自润滑性能,自润滑膜的组成为Al203/TiBz陶瓷刀具中TiB2的氧化 物,它能在刀具表面起到固体润滑剂的作用,进而降低前刀面的摩擦,减轻刀具的粘着磨损,提高刀具的耐磨性能,具有良好的减摩和抗磨作用。
杨海东 等人利用YT15基体的氮化碳薄膜涂层刀具干车削硅铝合金,试验结果表明,刀尖积屑瘤非常小,工件表面粗糙度值较小,刀具的使用寿命远高于硬质合金。
2.2 干式切削加工机理的研究
刘献礼等人通过对不同硬度淬硬轴承钢GCrI5的干式切削试验,提出了临界硬度的概念,并得出50HRC为区分硬态切 削与普通切削GCrl5的临界硬度的结论。从切削热的角度出发,淬硬钢的硬态干式切削机理就是被切削金属层的软化作用机理,切削温度对金属软化效应起着决 定性作用,工件硬度随切削温度的升高而降低,并进一步影响已加工表面的形成及其质量。研究表明,当淬硬材料硬度高于50HRC时,切削机理因金属软化效应 而发生变化,并由此导致切削力、已加工表面残余应力分布和白层的产生情况发生变化。现有切削理论已不能解释切削温度的变化规律。
在高速干切削方 面,美国Makino公司提出“红月牙”(Red Crescent)干切削工艺。其机理是由于切削速度很高,产生的热量聚集于刀具前部,使切削区附近的工件材料达到红热状态,导致屈服强度明显下降,从而 提高材料去除率。目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具来实现这种工艺。
2.3 干式切削加工的应用
由于采用干式切削有利于环境保护和降 低加工成本(可节省加工费用10%~15%),因此干式切削加工技术的研究开发日益受到重视,目前欧洲约 10%~15%的批量机械加工已采用干式或准干式切削技术。
从加工方法上看,车削、铣削、滚齿等加工应用干切削较多。日本坚藤铁工所用开发的 KC250H型干式滚齿机和硬质合金滚刀,在冷风冷却、微量润滑剂润滑的条件下进行了高速滚齿加工,与传统的湿式滚齿机(KA220型)和高速钢滚刀加工 相比,加工速度提高了2.3倍,加工齿轮精度也得到明显提高。
就工件材料而言,铸铁由于熔点高、热扩散系数小,最适合进行干切削。Spur和 Lachmund陶瓷刀具和CNB刀具高速切削铸铁的试验结果表明,由于CNB具有较高的导热系数,能快速带走工件的热量,因此CNB刀具比陶瓷刀具更适 合铸铁材料的高速切削。铝及铝合金是难于进行干切削的材料,但通过采用MQL润滑的高速准干式切削,在解决切屑与刀具粘结及铝件热变形方面已获得突破,在 实际生产中已有加工铝合金零件的准干式切削生产线投入运行。对于难加工材料,则已开发了使用激光辅助进行干切削的加工技术。
3.低温切削
低 温切削是利用低温流体如液态氮、液态二氧化碳和冷风等喷向加工系统的切削区域,造成切削区的局部低温或超低温状态,利用工件在低温条件下产生的低温脆性, 提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量。根据冷却介质的不同,低温切削可分为冷风切削和液氮冷却切削。
低温冷风切削法是通过向刀尖的加 工部位喷-20℃~-30℃(甚至更低)的低温气流,并混入微量的植物性润滑剂(每小时10~20ml),从而起到降温、排屑、润滑的作用。低温冷风切削 与传统切削相比,能够提高加工效率,改善工件表面质量,而且对环境几乎无污染。日本安田工业公司的加工中心采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结 构,使用一30℃的低温冷风直接通向刀刃。该结构大大改善了切削条件,有利于低温冷风切削加工工艺的实施。横川和彦对车削和铣削中的冷风冷却进行了研究。 在铣削试验中,分别采用水基切削液、常温风(+10℃)和冷风(一30℃)三种条件进行比较,结果表明,采用冷风切削时刀具耐用度显著提高。在车削试验 中,冷风(一20℃)切削时刀具磨损率比常温风(+20℃)切削时显著下降。
陈德成等人采用微量植物性润滑油和冷风切削的方法对难加工材料高硅 铝合金进行了切削加工试验,结果表明,这种方法可以减少工具磨损,提高加工表面质量,并可避免使用水溶性切削油时因混人切削液中的硅结晶粒子的循环而造成 的刀具磨损。陈德成等人还在冷风冷却和微量植物油润滑条件下进行了切削加工不锈钢的试验,结果表明,这种方法延长了刀具的使用寿命,可抑制积屑瘤的产生, 提高加工表面精度,并可省去废液处理系统,实现绿色切削。
液氮冷却切削主要有两种应用形式,一种是利用瓶装压力将液氮像切削液一样直接喷射到切 削区;另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却刀具或工件。氮气是大气中含量最多的成分,氮气作为制氧工业的副产品,资源十分丰富,由于液氮使用后直接挥 发成气体返回大气中,因此不会留下任何污染。目前低温切削加工主要应用于钛合金、高锰钢、淬硬钢等难加工材料的加工中。K P Raijurkar采用H13A硬质合金刀具、并用液氮循环冷却刀具的方法对钛合金进行了低温切削加工试验,试验结果表明,与传统的切削方法相比,刀具磨 损明显减少,切削温度降低30%,工件表面加工质量得到很大改善。万光民采用间接冷却方法对高锰钢进行了低温切削加工试验,结果表明,采用间接冷却方法低 温加工高锰钢时,刀具所受冲击力减少,刀具磨损减小,加工硬化现象得到改善,工件表面质量也有所提高。王连鹏等人采用液氮喷淋的方法在数控机床上低温切削 加工45淬硬钢,试验结果表明,采用液氮喷淋式低温加工45淬硬钢可以提高刀具耐用度,改善工件表面质量。
4.绿色湿式切削
绿色湿式 切削是指使用高性能、长寿命、低污染、可降解的新型绿色切削液,最大限度地减少切削液的用量和废液的排放,增加切削液循环使用的次数,并对其实施无害化处 理,从而达到绿色环保要求的切削加工方式。目前绿色湿式切削的研究主要集中在以下几个方面:
4.1 高性能、长寿命、低污染切削液的开发
目 前发达国家已普遍使用微乳化液,并正在大力研究环保型切削液。美国Mobil化学公司研制出一种名叫MobilmentAquaRho的乳化液,其中添加 了含磷、氮和硼的合成物,该乳化液的使用寿命达45个月以上。
在我国,水基切削液的使用范围越来越广,且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成 切削液、微乳化液过渡,矿物油逐渐被生物降解性好的植物油和合成酯所代替。离子型切削液是一种新型的水溶性切削液,其母液是由阴离子型、非离子型表面活性 剂和无机盐配制而成,具有良好的降温冷却效果。刘镇昌等人研制了一种低毒、低污染的低温(即低凝点)切削液。该切削液具有良好的低温流动性、极强的冷却性 能和较好的润滑性能,并能有效抑制细菌繁殖,大大延长切削液的使用寿命,从而可减少切削废液的排放量,有利用环境保护,具有较好的社会效益。上海海营化工 工贸实业公司开发了一种高科技绿色环保冷却液——MCT润滑冷却液,它具有良好的润滑、冷却性能和较好的防锈、防腐蚀性能,且无毒、无刺激性、无污染。
4.2 “最小润滑”技术的研究
最少量润滑(MQL)技术是指在切削中,切削工作处在最佳状态下(即不缩短刀具使用寿命,不降低已加工表面质量),切 削液的使用量达到最少。
美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究,试图在满足加工要求的情况下,使切削液用量最少、 与切削液有关的费用也降至最低。他们在福特汽车公司所做的试验中,对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与研究,并对工件表面粗糙 度、积屑瘤和切削力等作了分析,通过试验得出了最适当的切削液用量。美国Thyssen制造公司对“最小润滑”加工技术进行了研究,使切削液流或气雾通过 刀具作用于加工区域,切削液的流量由CNC程序控制,取得了很好的效果。王成勇等人采用最小润滑技术钻削多种复合板。在钻削铝一钛多层复合板时,钻削钛板 切屑的摩擦磨损作用,会导致铝板孔呈喇叭形,孔径波动幅度和平均孔径值增大并可能超差。试验采用了最少量润滑技术,使用涂层刀具并采用退刀排屑和扩孔方式 加工,减小刃带宽度,增大进给角和使用阶梯轴,保证了孔的加工质量。
4.3 冷却液净化处理技术的研究
一般情况下,冷却液是循环使用 的,对其循环使用之前要进行净化处理,其中包括过滤、杀菌等环节。郭成等人做了用硅藻土深层过滤法过滤CBN砂轮超高速磨削条件下的磨削液的试验,结果表 明,硅藻土过滤法的精度和效率较高,适合对胶状及粘性物料的过滤。西安工学院科研处开发了一套不排放冷却液的净化装置,该装置包括滚筒内刮渣磁分离机和电 子臭氧灭菌器,两者联用可实现冷却液的零排放,从而消除了机械加工中冷却液排放而带来的环境污染,并且可节约切削液。
5.结论
干式切 削技术现已成熟应用于有色金属及其合金和铸铁的加工中,但在钢材尤其是高强度钢的干切削应用方面仍存在问题,主要表现为刀具磨损严重,对刀具的材料和结构 要求较高,成本较大。同时,在于切削中还普遍存在粉尘和切屑处理比较困难、机床易生锈等问题。
目前,低温切削仅用于钛合金、高锰钢、淬硬钢等一 些难加工材料的加工中。相对于传统的切削方法,低温切削的成本较高,因此降低成本成为低温切削推广应用的前提。同时,机床的防锈也是应考虑的问题。
绿 色湿式切削是目前比较可行的加工方法。新型环保切削液I生能的研制、切削液的合理使用及废液的净化处理成为有待解决的问题。
2l世纪呼唤绿色制 造,清洁生产需要绿色加工。绿色切削作为一项新的课题,正得到越来越广泛的重视。虽然干式切削、低温切削、绿色湿式切削等技术还有很多问题需要解决,但与 传统的加工方法相比,它们的优越性正逐渐体现出来,绿色切削将是未来绿色制造业的重要组成部分。
摘自《工具技术》2005年第3期

 

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