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作者:Chia-Chen Chang


2000/08/18

俗話說：「天下沒有白吃的午餐」，如果想把便宜的石墨(graphite)變成閃閃動人的鑽石，即便是二者結構類似，也得付出不少代價。日前科學家嘗試一種全新的方法：電子束轟擊石墨，試圖更有效率地製造人工鑽石。
石 墨和鑽石的成分都是碳(carbon)，唯一不同之處就是碳的排列方式不同：鑽石的碳原子排成緊緻的四面體結構，石墨則是較鬆散的層狀構造。由於常溫常壓 之下石墨相當穩定，一般只有在相當極端的環境下才可能將石墨轉換成鑽石。像工業界就是利用在高壓條件下擠壓石墨(carbon-squashing press)的方式製造切割用鑽石。

德國斯圖加特(Stuttgart) Max Planck 研究所的 Michael Zaiser 及其同僚不久前設計了一種新的方法製造人工鑽石。他們首先製備一片特殊的石墨薄膜，薄膜當中大部分碳原子都排成石墨結構，但有一小部分區域的碳原子堆疊成 鑽石的晶形，形成石墨、鑽石兩種結構的交界(interface)。以電子束轟擊這個交界時，入射的電子會暫時將碳撞離它原來排列的位置，當碳原子被拉回 時受到介面附近兩側晶格排列的影響，碳原子可能排成石墨或者是鑽石的結構。 Michael Zaiser 發現如果將電子的能量以及系統的溫度調整至適當的範圍，交界面靠石墨側的部分會漸漸轉變成鑽石(註一)。但是這個轉換方法效率並不高，每小時大約生成僅十 億分之一公尺寬的鑽石帶。Zaiser 目前正在研究以離子束替代電子束的可行性，希望可以提升轉換的效率。

原始論文：
Zaiser M., Lyutovich Y. and Banhart F., Irradiation-induced transformation of graphite to diamond: a quantitative study. Phys. Rev. B 62, 3058-3064 (2000).

註一：在交界面附近，靠石墨側的碳原子被拉回形成鑽石結構的數目大於 靠鑽石側的碳原子被拉回形成石墨結構的數目。
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一、工程材料的分类、性能及应用范围；

工程材料可分为金属材料（黑色金属及有色金属）、非金属材料（高分子材料及无机非金属材料）和复合材料等。

（一） 金属材料

1 ． 黑色金属

（ 1 ） 生铁、铁合金。生铁分炼钢生铁和铸造生铁。铁与任何一种金属或非金属的合金都叫做铁合金。

（ 2 ） 铸铁。具有优良的铸造性能和良好的耐磨性、消震性及低的缺口敏感性。还具有良好的耐热性和耐腐蚀性。铸铁包括：灰口铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、合金铸铁。

（ 3 ） 钢。

① 钢的分类如下：

A ． 按化学成分分类，可将钢分为碳素钢和合金钢。

B ． 按冶炼质量分类，可将钢分为普通钢、优质钢和高级优质钢。

C ． 按用途分类，可将钢分为结构钢、工具钢、特殊性能钢等。

D ． 按冶炼方法分类，可将钢分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。

E ． 按脱氧程度分类，可将钢分为镇静金刚、半镇静钢和沸腾钢。

F ． 按金相组织分类，在退火状态下，可将钢分为亚共析钢、共析钢、过共析钢；在正火状态下，可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。

G ． 按供应时的保证条件分类，可将钢分为甲类钢、乙类钢和特类钢。

② 钢的牌号表示方法。根据牌号可以看出钢的类别、含碳量、合金元素及其含量、冶炼质量以及应该具备的性能和用途。例如甲类钢牌号用 “A” 字加上阿拉伯数字 0 、 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 7 表示。又如 20 号钢号，表示平均含碳量为 0.20% 的钢。再如 9Cr18 表示平均含碳量为 0.9% 、含 Cr 量为 18% 的不锈钢。

③ 国外钢的牌号的主要特点方（略）。

④ 几种常用钢的主要特点及用途。

A ． 普通碳素钢分甲类钢和乙类钢两种。甲类钢多用于建筑工业使用的钢筋，机械制造中使用的普通螺钉、螺母、垫圈、轴套等，也能轧成板材、型材（如工字钢、槽钢、角钢等）；乙类钢的用途与相同数字的甲类钢相同。

B ． 普通低合金钢是在普通碳素钢的基础上。加入了少量的合金元素，不仅具有耐腐蚀性、耐磨损等优良性能，还具有更高的强度和良好的力学性能。

C ． 铸钢具有更高的力学性能，特别是塑性、韧性高，有良好的可焊性，但它的铸造性差，可用在铸造大型部件上，如轴箱、水泵体、齿轮等。

D ． 优质碳素钢结构钢主要适用于优质钢或高级优质钢，主要用于制造机械零件。

E ． 合金结构钢属于优质钢或高级优质钢，主要用于制造机械零件。

F ． 工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三类；也可分为刃具钢、模具钢和量具钢。

G ． 特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢、抗磨钢、超高强度钢和磁钢等。不锈钢除具有优良的耐腐蚀性能外，还具有较高的强度、硬度及耐磨性。常用的不锈钢有 Cr13 、 1Cr18Ni9Ti 、 Mo2Ti 、 00Cr17Ni13Mo2 。

H ． 抗氧化钢，如 3Cr18Mn12Si2N 、 2Cr20Mn9Ni2Si2N 等，多用来制造炉用零件和热交换器。

I ． 热强钢，如 15CrMo 、 1Cr11MoV 、 1Cr14Ni14W2MoNi 、 4Cr14Ni14W2Mo 等，用于制造燃气轮机和汽轮机转子及叶片、锅炉过热器、高温工作的螺栓和弹簧、内燃机进（排）气阀等。

J ． 低温用钢主要牌号有 09Mn2V 、 09MnTiCuXt 、 06MnNb 、 06A1NbCuN 、 15Mn26A14 等，广泛用于冷冻设备、制氧设备及石油液化气的制造、储藏、运输等设备上。

2 ． 有色金属

（ 1 ） 铜及铜合金。铜对大气和水的抗蚀能力很强，是一种抗磁材料。铜具有优良的减摩性和耐磨性以及高的弹性极限和疲劳极限。黄铜易于加工成殂，对一般大气、海洋大气及水等有相当好的耐蚀性，铸造性也很好。

（ 2 ） 铝及铝合金。铝可用于制作盛装浓销酸的容器、槽车，但稀酸和碱对铝的溶解力很强。铝合金分为铸造铝合金与变形铝合金。铸铁铝合金包括铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金等；变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。

（ 3 ） 镁及镁合金。镁在熔铸铜或镍合金时可以作去硫剂和脱氧剂使用，在熔铸球墨铸铁时，镁是重要的球化剂。镁合金加入的元素有铝、锌、锰、硅等。

（ 4 ） 钛及钛合金。钛有优良的耐蚀性和耐热性，不受腐蚀，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定。钛的抗氧化能力大多数奥氏体不锈钢。钛在高温条件下仍能保持较高的强度。钛合金中常用的合金元素有铬、锰、钒、铝和钼等。

（ 5 ） 镍及镍合金。镍有很好的化学稳定性，在潮湿空气和海水中耐腐蚀，在碱性溶液和有机械酸中均有抗蚀能力。镍还有较高的热稳定性。

（ 6 ） 铅及铅合金。铅在冷盐和硫酸中很稳定，有很强的耐酸性，而且与氢氧化钠和碳酸钾等碳性溶液也不起化学反应。常用的铅管主要用铅锑合金、硬铅、特硬铅和铅银合金制造。

（二） 非金属材料

非金属材料包括高分子材料和无机非金属材料

1 ． 常见的无机非金属材料等。

（ 1 ） 铸石。其特性是耐磨、耐腐蚀，并且具有优良绝缘性和很高的抗压强度。

（ 2 ） 石墨。不透性石墨作为耐腐蚀的非金属无机材料，被广泛应用于化工防腐中。

（ 3 ） 玻璃。有石英玻璃、高硅氧玻璃、硼硅酸盐玻璃、低碱无硼玻璃中。

（ 4 ） 工业陶瓷。有建筑、卫生陶瓷和电工陶瓷及化学、化工陶瓷。

2 ． 常用的高分子材料

（ 1 ） 聚乙烯（ PE ）、聚丙烯（ PP ）。低压聚乙烯比较刚硬、耐磨、耐蚀、绝缘性较好，常用来制造塑料管、塑料板、塑料绳以及承载不高的零件，如齿轮轴承等。高压聚乙烯较柔软。聚丙烯（ PP ）重量较轻，耐热性良好，强度、弹性模量、硬度等力学性能都高于低压聚乙烯；同时绝缘性优越。

（ 2 ） 聚氯乙烯（ PVC ）。常见制品有硬、软两种。硬聚氯乙烯比重很小，抗拉强度较好，有良好的耐水性、耐油性和耐化学药器侵蚀性，许多性能优于聚乙烯。

（ 3 ） 聚苯乙烯（ PS ）。具有优良的耐蚀性，电阻高，是很好的隔热、防震、防潮和高频绝缘材料，具有较大的刚度。其缺点是耐冲击性差，不耐沸水，耐油性有限。

（ 4 ） 工程 ABS 塑料。综合力学性能良好，尺寸稳定，容易电镀和易于成形，耐热和耐蚀性较好，低温下仍有一定的机械强度。

（ 5 ） 聚酰胺（ PA ）。韧性很好，强度较高，耐蚀性好。但耐热性差。

（ 6 ） 聚四氟乙烯（ F—4 ）。具有非常优良的耐高、低温的性能，几乎耐所有的化学腐蚀，摩擦系数极低，不吸水，电性能优异。

（ 7 ） 酚醛塑料（ PF ）。有一定的机械强度和硬度，耐磨性好，绝缘性良好，耐热性较高。耐蚀性优良。缺点是性脆，不耐减。（ 8 ） 环氧塑料（ EP ）。强度较高，韧性较好；尺寸稳定性高和耐久性好，具有优良的绝缘性能。耐热、耐寒、化学稳定性高，成形工艺性能好。缺点是有某些毒性。

（三） 复合材料

1 ． 复合材料的性能特点

复合材料比强度、比模量高，抗疲劳性能好，结构件减振性能好，高温性能好，抗断裂性好。

2 ． 常用的几种复合材料

（ 1 ）热塑料性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂，具有高的力学性能、介电性能、耐热性能和抗老化性能，工艺性能也很好。热固性玻璃质量轻，比强度高，耐腐性能好，介电性能优越，是成形性能良好的工程材料。但刚度较差，容易老化，容易蠕变。

（ 2 ）碳纤维复合材料。碳纤维较玻璃纤维具有更高的强度和理想的弹性模量，在高温下强度和弹性模量基本保持不变，是所有耐热纤维中最高的。

（ 3 ） 硼纤维复合材料的抗压强度和抗剪切强度很高，蠕变小，硬度和弹性模量高，有很高的疲劳强度，耐辐射。对水、有机溶液和燃料、润滑剂很稳定。

（ 4 ） 金属纤维复合材料。这类材料的特点是除了强度和高温强度较高外，主要是塑性和韧性较好，而且比较容易制造。

二、型材、板材、管材、管件、阀门、法兰等常用材料的分类（规格）、性能；

（一） 型钢

型钢包括普通型钢、优质型钢、线材、轨钢

（二） 板材

板材包括钢板、薄钢板、钢带、硅钢片

（三） 管材

1 ． 黑色金属管

（ 1 ） 无缝钢管包括锅炉用无缝钢管、锅炉用高压无缝钢管、地质钻探用无缝钢管、石油裂化用无缝钢管、不锈耐酸钢无缝钢管。

（ 2 ） 焊接钢管包括有直缝焊管和螺旋缝钢管。

（ 3 ） 铸铁管。

2 ． 有色金属管

有色金属包括铅及铅合金管，铜及铜合金管、铝及铝合金管、钛及钛合金管。

3 ． 非金属管

非金属包括混凝土管、陶瓷管和陶土管、玻璃管、玻璃钢管、石墨管、铸石管、塑料管、橡胶管。

（四） 管件

管件包括弯头、三通、四通、异径管、钢制活接头、丝堵、螺纹短接、管接头、吹扫接头、封头、凸台（管嘴）、肓板等。

（五） 阀门

阀门包括闸阀、截止阀、止回阀、旋塞阀、安全阀、调节阀（节流阀）、球阀、减压阀、疏水阀、直角阀、蝶阀、隔膜阀、电磁阀等。

（六） 法兰

法兰包括设备法兰、管法兰、法兰垫片、法兰紧固件。

三、常用防腐、绝热材料的分类、基本性能及用途

（一）防腐蚀材料可分为高分子材料、无机非金属材料、复合材料和涂料等。

（ 1 ） 塑料制品主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯。

（ 2 ） 橡胶制品常用的有天然橡胶、氯化橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丁苯橡胶、丁脂橡胶。

（ 3 ） 玻璃钢及其制品。

（ 4 ） 陶瓷制品

（ 5 ） 油漆及涂料包括无机富锌漆和防锈底漆。

（ 6 ） 耐酸石材包括铸石、耐酸陶瓷制品、不透性石墨板和用沥青浸渍过的砖等属于耐酸石材。

（ 7 ） 耐酸胶泥包括水玻璃胶泥、树脂胶泥等。

（二）绝热材料

1 ．绝热材料的分类

（ 1 ） 按材质可分为有机材料和无机材料。

（ 2 ） 按适用温度分为保冷材料、保温材料、隔热材料和耐火隔热材料。

（ 3 ） 按材料硬度和形状可分为硬质材料、软质材料、半硬质材料、散棉无形材料和散状材料。

2 ．绝热材料的性能要求

（ 1 ） 导热系数小，其值不大于 0.12W/(m·K)( 在 350 ℃ 条件下 ) 。保冷绝热材料，其值不得大于 0.064 W/(m·K) （平均温度 27 ℃ ）。

（ 2 ） 密度小，一般为 400kg/m3 以下。保冷材料密度不超过 220 kg/m3

（ 3 ） 材料性能稳定，具有明确的导热系数方程式，有较大的适用温度范围。

（ 4 ） 能耐一定振动，具有一定的机械强度，如珍珠岩、微孔硅酸钙制品；抗压强度不应水于 0.15MPa 。

（ 5 ） 化学稳定性好，无腐蚀作用。

（ 6 ） 防水性能好，吸湿性小。

（ 7 ） 可燃成分少，应有自熄性或不烯性。

四、焊接材料的分类（规格）、性能及适用范围

焊条由焊条芯和包在外面的药皮组成。

（ 1 ） 焊条芯的作用主要是传导电流、引燃电弧、作过渡合金、填充金属。

（ 2 ） 焊条药皮是矿石粉末、铁合金粉、 有机物和化工制品等原料一定比例配制后压涂在焊芯表面上的一层涂料。焊条药皮按原料在焊接中所起的作用分为：造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、稳弧剂、粘结剂、增塑剂。

（ 3 ） 几种常用焊条如下： ① 碳钢焊条型号及性能是按熔敷金属的抗拉强度、药皮类型、焊接位置和电流的种类来划分的； ② 低合金钢焊条型号及性能是按熔敷金属的力学性能、化学成分、药皮类型、焊接位置和电流的种类划分； ③ 不锈钢焊条型号及性能是根据熔敷金属的化学成分、焊条药皮和焊接电流种类来划分的； ④ 堆焊焊条型号及主要性能是按熔敷金属的化学成分及焊条药皮类型来划分的。

（ 4 ） 焊条的牌号是根据焊条主要用途和性能特点来命名，分为 10 大类。

（ 5 ） 焊条的选用原则请参阅《焊接器材手册》。


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在 现代机械切削加工技术中，高速切削正在越来越多地被人提及，其技术已开始被使用，随之而来的，首先是高速机床，那么，高速切削与传统切削技术究竟有什么不 同? 其实现的条件是什么? 实现它有哪些益处? 其适用性怎么样呢? 本文将试图回答这些问题，并且尽可能结合目前在世界上居领先水平的瑞士MIKRON公司的机床的结构、特点来分析，用它同目前国内仍在普遍应用的传统的加 工方法和切削理论相比较，促进高新技术在国内的应用和普及。

　　缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量，是我们提高劳动生产率、实现经济性生产的一个重要的目标。

　　有人认为，一提高速加工，就是主轴转速要几万转；只要主轴转速一达到几万转，就可以实现高速切削，这其实是不全面的。

　　随着科学技术的发展，现代机床已经具备了下面的条件，也只有具备这些条件，才会使得高速切削成为可能。

　 　1.机电一体化的主轴，即所谓电主轴。现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体，采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高 速下成为“恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱 等中间环节，其主轴转速就可以轻而易举地达到0～42000r/min，甚至更高。不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可靠性提高，甚至机床的成本 也下降了。 噪声、振动源消除，主轴自身的热源也消除了。MIKRON公司便采用了本集团“STEP－TEC”公司生产的电主轴，这种电主轴采用了其特别的、最先进的 矢量式闭环控制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主轴在全部工作时间内温度衡定。

　 　何为矢量式闭环控制呢？其实就是借助数/模转换，将交流异步电动机的电量值变换为直流电模型，这样，既可实现用无电刷的交流电机来实现直流电机的优点， 即在低转速时，保持全额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和制动。以UCP710机床切削45#钢为例，用STEP-TEC的主轴铣削，铣刀直径 ø63mm, 主轴转速为1770r/min，金切量为540cm³/min；在无底孔钻孔时，钻头直径ø50mm, 转速1350r/min，可一次钻出，而无需常用的先打中心孔,而后钻孔再扩孔的方法。

　　2.机床普遍采用了线性的滚动导轨，代替 过去的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改变。用手一推就可以将几百公斤甚至上千公斤的重工作台推动。其特有的双Ｖ型 结构，大大提高了机床的抗扭能力；同时，由于磨损近乎为零，导轨的精度寿命较之过去提高几倍。 又因为配合使用了数字伺服驱动电机，其进给和快速移动速度已经从过去最高的6m/min，提高到了现在的20～60m/min，MIKRON公司的最新型 机床使用线性电机，进给和快移速度可达80m/min。

　　3.目前最先进的数控系统已经可以同时控制8根以上的轴，实现五轴五联 动，甚至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理时间不超过0.4ms；同时，均配置功能强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力强且具备程序运行中的 “前视”功能，随时干预，随时修改。外接插口，数据传输速度快，甚至可以与以太网直联；加上全闭环的测量系统， 配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现1～2g的加速和减速运动。

　　4.机床床身结构进一步优化，现代机床均采用落地 式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动，考虑到刀具重量的变化极小，这样，在工件乃至工作台不进行 快速线性移动的情况下， 机床快速线性移动的部件的重量近乎常量，因此，更容易实现快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定，从而保证稳定 的且更高的加工精度和产品质量。

　　5.刀具的材料和技术的发展也是高速切削得以实现的一个重要因素。由于在高速切削时，切削力已经 不是重要因素，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是传统的锥柄，而是短圆柄，即HSK型柄，不需拉钉，主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响。重要的是需要动 平衡， 即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动平衡仪进行平衡。刀具本身采用通体硬质合金刀，或在硬质合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金刚石，即PCD 等，使刀具可以承受高达 300～500m/min的切削线速度。

　　6.切削时采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷却润滑液。

　　高速切削

　 　顾名思义，高速切削，首先是高的速度，即要有高的主轴转速，比如12000r/min、18000r/min、30000r/min、 40000r/min，甚至还有更高的转速仍在试验中；另一方面，又应有更大的进给量，如30000mm/min、40000mm/min，甚至 60000mm/min；再有就是快速移动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等，只有达到了上述标准才能称之为高速。

　 　其次是要针对不同的加工对象、不同的硬度、不同的材质、不同的形状来选择相应合理的参数，而不能一味地追求为高速而高速，特别是对于型腔加工，形状复杂 而刀具直径又较小时，由于刀具的运动轨迹不是简单的直线运动而是曲线，甚至有直角拐弯的时候，工艺参数的合理性就尤为重要，因为要想保持同一进给速度进行 直角切削，搞不好会由于机床运动部件的巨大惯性而导致刀具做弯角运动时突然断裂，而变速运动又会由于加速和减速等运动造成切削厚度的瞬间变化，而导致切削 刀变化使工件表面有切纹，由此使加工质量下降，所以，针对不同的加工对象，需要编程人员选择合理的刀具运动轨迹，优化切削参数；另一方面，根据需要选择适 合的切削速度，只有这样才能真正发挥高速切削的长处。

　　应用高速切削，我们可以实现下列目标：

　　(1)由于采用小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量极小，因而机床主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长， 同时刀具寿命也延长了。

　　(2)虽然切削深度和厚度小，但由于主轴转速高，进给速度快，因此使单位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。

　　(3)加工时可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，全部在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。

　　(4)可以加工高硬度、难加工材料(可达62HRC左右)，可以钻ø1mm以下的小孔。

　　(5)最重要的是，加工时间短，经济性能好。

　　高速切削的应用

　　目前，高速切削已经不是实验室里的技术了，它更多的是应用于以下几个方面。

　　(1)有色金属，如铝、铝合金，特别是铝的薄壁加工。目前已经可以切出厚度为0.1mm、高为几十毫米的成形曲面。

　　(2)石墨加工。在模具的型腔制造中，由于采用电火花腐蚀加工，因而石墨电极被广泛使用。但石墨很脆，所以，必须采用高速切削才能较好地进行成形加工。

　 　(3)模具，特别是淬硬模具的加工。 由于淬硬的材料可以直接从供应商处购买， 因此采用高速切削可以直接将模具切出，这不单单是省去了过去机加工→电加工的几道工序；节约工时，还由于目前高速切削已经可以达到很高的表面质量 (Ra≤0.4um)，因此省去了电加工后面的磨削和抛光的工序；相反，切削中形成的已加工表面的压应力状态，还会提高模具工件表面的耐磨程度（有统计说 模具寿命因此能提高3～5倍），这样，锻模和铸模仅经铣削就能完成加工已成为可能。

　　(4)硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。

　　高速切削的适用性

　 　高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。那么，它是不是放之四海而皆准呢?显然不行。目前， 即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有 许多问题有待于解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的 选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。

　　如此看来，主轴转速为10～42000r/min这样的高速切削在实际应用时仍受到一些限制：

　　(1)主轴转速10～42000r/min时，刀具必须采用 HSK 的刀柄，外加动平衡，刀具的长度不能超过120mm，直径不能超过16mm，且必须采用进口刀具。这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。

　 　(2)机床装备转速为10～42000r/min的电主轴时，其扭矩极小，通常只有十几个N·m，最高转速时只有5～6N·m。这样的高速切削，一般可 用来进行石墨、铝合金、淬火材料的精加工等。 　(3)针对传统的加工方式和不同的被切削材料，应选择合适的刀具材料来实现高速加工，而不能一味地追求高速，为高速而高速。如在美国的航天工业中，已经 可以实现7500m/min的线速度来切削铝合金；但是切削钢和铸铁时，目前世界上实际进行的高速加工所能实现的最高速度，也只能达到加工铝合金的 1/3～1/5，约为1000～1200m/min， 其原因是切削热会使刀尖产生热破损。由此可见，刀具材料的耐热性是加工黑色金属的关键。对超级合金，包括镍基、钴基、铁基和钛基合金而言，其共同特点是在 高温下能保持高强度和高的耐腐蚀性，但它们又都是难加工材料。目前加工这种材料时的最高进给速度为500m/min，主要受制于刀具材料及其几何形状。

　　所以说，高速加工的刀具材料必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷(AlO，SiN)、金属陶瓷及PCBN刀具等适用于对钢、铁等黑色金属的高速加工；PCD 和CVD等刀具则适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工。
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　一、概述

　 　虽然在通用机床上对不锈钢类材料进行粗加工、半精加工和精加工，已不是太困难的事情。但是，在高生产率的专用自动车床上，怎样解决不锈钢材料切削中存在 的切削力大、温度高、刀具磨损严重、耐用度低、加工表面质量差、生产率低等问题，在一次切削加工就可达到图样的要求，还不是容易能达到的。我厂在加工 3Crl3不锈钢材料过程中，从刀具材料的选择、刀具几何角度、结构的确定、切削用量的选取，毛坯的供应状态、润滑和冷却剂的选用等方面进行了反复试验， 取得了一定的成功经验。

　　二、切削过程中的难点及原因分析

　　在零件试生产时，我厂按车削普通碳钢的工艺方法对3Crl3钢进行了车削试验，结果是刀具磨损严重，生产率低，零件表面质量达不到要求。

　 　比较3Crl3钢与40钢,45钢等碳素结构钢的机械性能，3Crl3钢的强度、延伸率、断面收缩率、冲击性能等指标都比40钢,45钢高，是一种强度 高、塑性好的中碳马氏体不锈钢。由于切削时加工硬化严重，切削抗力大，切削温度高，引起刀具磨损严重，使磨刀次数增多，增加了停机时间和机床调整时间，降 低了生产率。又由于容易粘刀，产生积屑瘤，引起工件尺寸的变化并影响表面粗糙度，而且切屑不易卷曲和折断，又损伤工件已加工表面，直接影响零件的质量。所 以，不能用切削45钢的工艺来切削3Crl3。也不能把通用车床上的加工方法照搬到自动车床上来。因为一般自动车床装刀较少，要求最好一次走刀就能使加工 表面达到要求的尺寸和表面粗糙度，以保证较高的生产率。

　　针对上述问题，我厂采取了以下几项措施。

　　三、采取的主要技术措施

　　1) 采用热处理改变材料的硬度

　 　马氏体不锈钢在热处理后的不同硬度，对车削加工的影响很大。表1所示是用YW2材料的车刀对热处理后不同硬度的3Cr13钢的车削情况。可见，退火状态 的马氏体不锈钢虽然硬度低，但车削性能差，这是因为材料塑性和韧性大，组织不均匀，粘附、熔着性强，切削过程易产生刀瘤，不易获得较好的表面质量。而调质 处理后硬度在HRC30以下的3Cr13材料加工性较好，易达到较好的表面质量。而硬度大于HRC30时加工出的零件，表面质量虽然较好，但刀具易磨损。 所以，在材料进厂后，先进行调质处理，硬度达到HRC25～30，然后再进行切削加工。

表1 不同硬度3Crl3钢的车削情况



　　2) 刀具材料的选择

　 　我厂在切削参数相同的条件下，对几种材料的刀具进行了车削对比试验。从表2可见，采用TiC-TiCN-TiN复合涂层刀片的外圆车刀，耐用度比较高， 工件表面质量好，生产率高。这是因为这种涂层硬质合金材料的刀片，具有更好的强度和韧性，又因其表面具有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦系数和更高的耐热 性，而成为自动车床车削不锈钢的良好刀具材料，是我厂加工3Cr13不锈钢的外回车刀的首选材料。由于没有这种材料的切断刀片，通过表2的对比试验可知， YW2硬质合金的切削性能也不错，因此可选用YW2材料的刀片作为切断刀。

表2 几种刀具材料的切例性能对比



　　3) 刀具的几何角度和结构的选取

　　对于良好的刀具材料，选择合理的几何角度则显得尤为重要。

　　前角g0直接影响刀具的强度和导热性，一般车削马氏体不锈钢时，刀具前角取10°～20°较为适宜。

　　后角a0取5°～8°较合适，最大不超过10°。

　　刃倾角ls，负的刃倾角可保护刀尖，提高刀刃强度，一般选取g0为-10°～30°。

　　主偏角Kr应根据工件的形状、加工部位和装刀情况来选择。

　　刃口表面粗糙度应为Ra0.4-0.2µm。

　　在刀具结构上，我厂对外圆车刀采用外斜式圆弧断屑槽，靠刀尖处切屑卷曲半径大，靠外缘处切屑卷曲半径小，切屑翻向待加工表面而折断，断屑情况好。对于切断刀，我厂将副偏角控制在1°以内，这样可以改善排屑条件、延长刀具的使用寿命。

　　4) 合理选择切削用量

　 　切削用量对工件表面质量、刀具耐用度、加工生产率影响较大。而切削理论认为，切削速度V对切削温度和刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，ap 最小，而在自动车床上一次走刀加工的表面，其切深量ap是由工件尺寸与材料毛坯尺寸来决定的，一般为0～3mm。难加工材料的切削速度往往比普通钢的切削 速度低得多，因为速度的提高，就会使刀具严重磨损，而不同的不锈钢材料又有各自不同的最佳切削速度，这个最佳切削速度只能通过试验或查阅有关资料确定。

　　进给量f对刀具耐用度影响不如切削速度大，但会影响断屑和排屑，从而影响工件表面的拉伤、擦伤，影响加工的表面质量。被加工表面粗糙度值不高时，f选用0.1～0.2mm/r。

　　总之，对于难加工材料，一般选用较低的切削速度，中等的走刀量。

　　5) 选用适当的冷却润滑液

　　车削不锈钢用的冷却润滑液，应该具有以下几个特点。

　　高的冷却性能，保证能带走大量的切削热。

　　不锈钢韧性大，切削时易产生刀瘤，恶化加工表面，这就要求冷却润滑液有高的润滑性能，能起到较好的润滑作用。

　　较好的渗透性，对不易被切离的切屑，能起到较好的楔裂作用，扩散和内润滑作用。

　　常用的加工不锈钢的冷却润滑液有硫化油、硫化豆油、煤油加油酸或植物油、四抓化碳加矿物油、乳化液等。

　 　考虑到硫对机床有一定的腐蚀作用，植物油(如豆油)容易附在机床上结痴和变质。我厂选用了四抓化碳与机油按重量比为1:9的混合物。其中四级化碳渗透性 好，机油的润滑性好。试验证明，这种冷却润滑液适用于表面粗糙度值要求小的不锈钢零件的半精加工和精加工工序，特别适合于马氏体类不锈钢零件的车加工。

　　采取了以上措施，对3Cr13不锈钢材料的加工已完全处于正常状态。磨刀次数只有试生产时的1/3，生产效率有比较大的提高，零件质量完全达到图样要求。
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与 其他大多数金属材料加工相比，钛加工不仅要求更高，而且限制更多。这是因为钛合金所具有的冶金特性和材料属性可能会对切削作用和材料本身产生严重影响。但 是，如果选择适当的刀具并正确加以使用，并且按照钛加工要求将机床和配置优化到最佳状态，那么就完全可以满足这些要求，并获得令人满意的高性能和完美结 果。传统钛金属加工过程中碰到的许多问题并非不可避免，只要克服钛属性对加工过程的影响，就能取得成功。

　　钛的各种属性使之成为具 有强大吸引力的零件材料，但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。钛具备优良的强度-重量比，其密度通常仅为钢的 60%。钛的弹性系数比钢低，因此质地更坚硬，挠曲度更好。钛的耐侵蚀性也优于不锈钢，而且导热性低。这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集 中的切削力。它容易产生振动而导致切削时出现震颤；并且，它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应，从而加剧月牙洼磨损。此外，它的导热性差，由于热主要 集中在切削区，因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。

　　稳定性是成功的关键所在

　　某些机加工车间发现钛金属 难以有效加工，但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。之所以困难，部分是因为钛金属加工是新兴工艺，缺少可借鉴的经验。此外，困难通常与期望 值及操作者的经验相关，特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式，这些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工钛金属似乎更困难些，因为加 工时不能采用同样的刀具和相同的速率，并且刀具的寿命也不同。即便与某些不锈钢相比，钛金属加工的难度也仍然要高。我们固然可以说，加工钛金属必须采取不 同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。其实与大多数材料相比，钛金属也是一种完全可直接加工的材料。只要钛工件稳定，装夹牢固，机床的选择正确，动力 合适，工况良好，并且配备具有较短刀具悬伸的ISO 50主轴，则所有问题都会迎刃而解——只要切削刀具正确的话。

　　但在实际铣削 加工中，钛金属加工所需的条件不容易全部满足，因为理想的稳定条件并不总是具备。此外，许多钛零件的形状复杂，可能包含许多细密或深长的型腔、薄壁、斜面 和薄托座。要想成功加工这样的零件，就需要使用大悬伸、小直径刀具，这都会影响刀具稳定性。在加工钛金属时，往往更容易出现潜在的稳定性问题。

　　必须考虑振动和热

　 　非理想环境还包含其它因素，其中之一就是大多数机床目前装配的是IS0 40主轴，如果高强度地使用机床，就无法长时间保持新刀状态。此外，如果零件结构较复杂的话，通常就不易有效夹紧。当然挑战还不止于此，切削工序有时必须 用于全槽铣、侧削或轮廓铣削，所有这些都有可能(但并非必定)产生振动及形成较差的切削条件。重要的是，在设定机床时，必须始终注意提高稳定性以避免振动 趋势。振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏并产生不可预见和不一致的结果。一种改进措施便是采用多级夹紧，使零件更靠近主轴以有助于抵消振动。

　 　由于钛金属在高温下仍能保持其硬度和强度，因而切削刃会遭遇高作用力和应力，再加上切削区中产生的高热，就意味着很可能出现加工硬化，这会导致某些问题 产生，特别是不利于后续切削工序。因此，选择最佳的可转位刀片牌号和槽形是加工能否取得成功的关键。过去的历史证明，细晶粒非涂层刀片牌号非常适用于钛金 属加工；如今，具有PVD钛涂层的刀片牌号更可大大改进性能。

　　精度、条件和正确的切削参数

　　刀具轴向和径向 上的跳动精度也很重要。例如，如果未将刀片正确地安装到铣刀中，则铣刀周围的切削刃会迅速损坏。在切削钛金属时，其它一些因素，例如刀具制造公差不良、磨 损和刀具受损、刀柄有缺陷或质量差、机床主轴磨损等等，都会在很大程度上影响到刀具寿命。观察结果表明，在所有加工表现不佳的案例中，80%都是由这些因 素所造成。尽管大多数人喜欢选用正前角槽形刀具，但事实上稍带负前角槽形的刀具能以更高的进给去除材料，并且每齿进给量可达 0.5mm。但是这同时也意味着必须保持最佳稳定状态，即机床应非常坚固，且装夹应极其稳定。

　　除进行插铣(最好使用圆刀片)之外，应尽量避免使用90主偏角，这样做通常有助于提高稳定性和获得总体性能，当在浅切深下使用时尤应如此，在进行深腔铣时，一种值得推荐的做法是通过刀具接柄而使用长度可变的刀具，而不是在整个工序中使用单一长度的长刀具。

　　调整切削参数以克服因降低每齿进给量而引起的振动是传统的解决方法，但这种方法并不恰当，因为它会对刀具寿命和切削性能产生灾难性影响。可转位刀片需要一定量的切削刃倒圆，以增加切削刃强度和获得更好的涂层粘附力。

　　在铣削钛金属时，要求刀具至少以最小的进给量工作——通常为每齿0.1mm。如果仍有振动趋势，则刀片损坏或刀具寿命缩短问题将不可避免。可能的解决方法包括精确计算每齿进给量，并确保它至少为0.1mm。

　　另外也可降低主轴转速，以达到最初的进给率。如果使用最小的每齿进给量，而主轴转速却不正确，则对刀具寿命的影响可高达95%。降低主轴转速通常可提高刀具寿命。

　　一旦确立了稳定工况，就可相应地提高主轴转速和进给量来获得最佳性能。另一种做法是从铣刀中取出一些刀片或选择含刀片较少的铣刀。
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线切割加工机发展史

　 　20世纪中期, 苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化﹑氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加 工方法, 线切割放电机也于1960年发明于苏联。当时以投影器观看轮廓面前后左右手动进给工作台面加工，其实认为加工速度虽慢，却可加工传统机械不易加工的微细形 状。代表的实用例子是化织喷嘴的异形孔加工。当时使用之加工液用矿物质性油(灯油)。绝缘性高，极间距离小，加工速度低于现在械械，实用性受限。

　 　将之NC化，在脱离子水(接近蒸馏水)中加工的机种首先由瑞士放电加工机械制造厂在1969年巴黎工作母机展览会中展出，改进加工速度，确立无人运转状 况的安全性。但NC纸带的制成却很费事，若不用大型计算机自动程序设计，对使用者是很大的负担。在廉价的自动程序设计装置(Automatic Programed Tools APT)出现前，普及甚缓。

　　日本制造厂开发用小型计算机自动程序设计的线切割放电加工机廉价，加速普及。线切割放电加工的加工形状为二次元轮廓。自动程序装置广用简易形APT(APT语言比正式机型容易)，简易形APT的出现为线切割放电机发展的重要因素。

　　线切割放电加工基本原理

　 　线切割放电加工以铜线作为工具电极，在铜线与铜﹑钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60V~300V的脉冲电压，并保持5um~50um间隙，间隙中 充满煤油﹑纯水等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗﹑腐蚀.在工件表面上电蚀出无数的小坑，通过NC控制的监测和管控，伺服机构 执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。

　　电火花加工的物理原理如下：

　　为了在2个电极之间产生电火花，这2个电极之间的电压必须高于间隙(电极-工件之间)击穿电压取决于：

　　1) 电极和工件之间的距离；

　　2) 电介液的绝缘能力(水质比电阻)；

　　3) 间隙的污染状况(腐蚀废物)。

　 　放电首先在电场最强的点发生，这是个复杂的过程；自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道；在这个阶段，两板间形成电流。导致粒子间 发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000度到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一 个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高；然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中 重新凝结成小的球体，并被电介液排走；对于电极及工件腐蚀对不对称的问题，主要取决于电极热传导性，材料的熔点,持续时间以及放电密度，发生在电极上称作 损耗，发生在工件上称作去除材料。
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近 年来，国外兴起一种称之为硬切削(Hard turning)的新工艺，对传统的磨削方法提出挑战并产生一定冲击，同时还引发了一场硬切削是否会取代磨削的争议。磨削加工的前景如何?下个世纪是否有 新的发展?对我们生产磨床的厂家而言，对这一发展动向肯定是感兴趣的，因为它关系到我们今后的发展与生存。

　　硬切削(Hard turning)的概念是什么?

　 　硬切削是指使用CBN实体刀具、CBN刀头或陶瓷刀具来加工淬硬的工件。用硬切削这种新工艺可以切削淬硬的工件。用硬切削这种新工艺可以切削淬硬钢、灰 铸铁、球墨铸铁、粉末冶金和特殊材料。当然，也有一些材料如青铜等不适合采用硬切削。用硬切削可进行车削、表面加工、攻螺纹、铣削、开槽、靠模加工、车削 锥面。据美国有关文章报导，硬切削使工件光洁度始终保持16μm。在正常条件下，光洁度能达到6μm～8μm。目前，硬切削这种新工艺正在许多工业部门采 用，如汽车制造厂用这种方法对传动轴、各类轴传动链、发动机、制动盘和制动转子进行半精加工和精加工；飞机制造厂用这种方法制造副翼齿轮和起落架，从油田 到钢厂到处可以看到硬切削方法的应用。机床、工具、重型卡车、农业机具、医用设备、罐头模具、汽车零件都把硬切削作为其生产过程的一个组成部份。

　　采用硬切削工艺的优点：

　　1.硬切削成本低廉，一般仅为磨削的四分之一；

　　2.用硬切削不需用专用刀具、专用机械和夹具，而磨削则要求使用磨床，硬切削则可在现有的NC或CNC车削中心上进行；

　　3.生产率高，因为CBN刀具的切削速度可高达274m/min以上，使生产率大大提高，节省了大量时间。

　 　由于CBN刀具的成本近年来已大大降低，从而为硬切削的推广应用创造了条件。成本不仅指刀具成本，而是每只零件的制造成本，以较长的刀具寿命和每个切削 刀头的低成本，CBN为硬加工提供了一条最经济的途径。如美国有一家公司以前用粗磨来加工一种硬质齿轮的端面，后改用硬切削作为粗加工，再进行精磨，成本 减少40%。如果把粗磨和精磨都改为硬切削，那么加工时间、夹具成本、刀具成本以及能耗都可下降，而生产率却可提高，并使每只零件的成本下降 55%。美国另一家生产压力环的工厂，原工艺都是磨削，包括内圆磨削、端面磨削、外圆磨削和球面磨削四道工序，改用硬切削后，只用VNMA332和 CNMA432两把刀具，使加工速度提高10倍。

　　此外，在废物处理和环保方面，硬切削优于磨削。磨削会产生磨屑和冷却液的混合物，这是不能再利用的废物，会污染环境。硬切削产生的废屑则可再利用，这对重视环境保护的今天来讲特别重要。

　　近年来，工厂的空间备受重视，与CBN刀具相比，砂轮比较大而且笨重，因此难以贮存。CBN刀具很小，而且不必再增加新机床就可用于硬切削，从而节省了工厂的空间。

　 　硬切削的迅速发展是建立在过去几年CBN刀具技术进步的基础上，90年代初只能在少数几种CBN刀具中选择用于硬切削。目前，用户的选择多了 10倍。再者，速度也大大提高，90年代初对铸铁的最大切削速度约为152m/min，现在最高切削速度达1524m/min，大多数连续的硬质钢切削速 度在90m/min～150m/min，进给量0.05mm/r～0.2mm/r，切削深度达到0.1mm～0.5mm。CBN的适用性扩大，过去不能用 于脆性工件，现在对硬度不一的工件都能进行加工。

　　鉴于硬切削有上述许多优点，国外有关专家认为这项新技术代表了今天，也预示着明天。有的还发出了“你为何还采用磨削”的问题。

　　但是，高速机械加工和硬切削真的会取代磨削吗?

　 　磨削专家认为不会，因为磨床具有自身的一些优势，磨削精度较高，对公差要求较严的加工非磨削莫属。磨削时可以加上在线测量，在加工时间可闭合循环，这种 方法在其它机床上难以实现。而最重要的一点，近几年新材料层出不穷。替代了许多传统的材料。实践证明，磨削是加工这类新型材料的好方法。因此，今后磨削加 工仍是不可缺少的。诚然，对一般材料而言，磨削可能会遇到铣削、铰削、车削等方法强有力的竞争。但对诸如陶瓷、金属陶瓷复合材料、晶须加强材料以及高温超 级合金之类的新一代材料而言，硬切削决不是磨削的对手，而且必须用磨削进行加工。例如，磨削是加工在喷气飞机发动机中使用的超级合金工件的唯一方法，也是 加工用陶瓷合金、陶瓷和玻璃制成的汽车和光学元件的唯一方法。新型材料一般都具有硬脆、耐磨、耐热等特点，聚合型材料都是晶须加强材料，对这些材料来讲， 磨削是绝对需要的加工手段。对耐热和耐磨损的陶瓷涂料而言，面临更为复杂的问题，即要同时磨削陶瓷和金属。

　　随着生产发展和技术进步，对磨床提出了许多新的要求，如美国磨削协会提出如下要求：

　 　主轴转速要达到25000r/min，可以9144m/min(152.4m/s)甚至更高的速度进行磨削；磨头主轴设计刚性好，机床体积较小，轻便， 加工区体积328cm2，可加工各种形状的工件，范围广的和精密控制的拖板定位系统，采用模块化设计和较多的标准件，与CNC相连的修整系统，可跟踪砂轮 尺寸，修整器位置以及砂轮对工件的位置；具有能监控机床状态，机床动平衡、主轴和电动机状态以及砂轮状态的传感器，监控修整时金刚石与CBN砂轮间的接 触，监督CBN砂轮与工件之间的接触，以提高效率。该协会还希望具有对小工件进行缓进给成形磨削的能力，希望用平面磨床替代平面铣床。 该协会还对21世纪的磨削提出展望，21世纪的磨床将采用磁性悬浮主轴，在15kW功率范围内，转速达到40000r/min，而占地面积很小，水基静压 轴承可以使用水基切削液，能进行连续修整的高感应大气孔陶瓷结合剂砂轮，用于加工陶瓷的金属结合剂金刚砂轮可进行电解修整。一些公司对高速磨削作了许多试 验，目前 CBN砂轮的线速已达150m/s～250m/s，并以声速作了试验，下个世纪，高速磨削将更广泛地得到应用。CNC控制将更完善，比如能处理在缓进给磨 削陶瓷时的摆线磨削，恒定的常用进给量磨削使砂轮最优化，能减少磨削时间的切入式和纵向进给磨削，在平面磨床上作外圆磨削，以及一个坐标轴或几个坐标轴的 进给量补偿，以便使磨削循环最佳化。



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