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1. 刀具钢刀具：
　　其耐热温度约在200-300℃之间，只能适用于一般材料的切削，在高温下会失去硬度。由于这种刀具耐热性能差，要求冷却液的冷却效果要好，一般采用乳化液为宜。
2. 高速钢刀具：
　　这种材料是以铬、镍、钨、钼、钒(有的还含有铝)为基础的高级合金钢，它们的耐热性明显地比工具钢高，允许的最高温度可达600℃。与其他耐高温的金 属和陶瓷材料相比，高速钢有一系列优点，特别是它有较高的坚韧，适合于几何形状复杂的工件和连续的切削加工，而且高速钢具有良好的可加工性和价格上容易被 接受。使用高速钢刀具进行低速和中速切削上，建议采用油基切削液或乳化液。在高速切削时，由于发热量大，以采用水基切削液为宜。若使用油基切削液会产生较 多油雾，污染环境，而且容易造成工件烧伤，加工质量下降，刀具磨损增大。
3. 硬质合金刀具：
　　用于切削刀具的硬质合金是由碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和5-10%的钴组成，它的硬度大大超过高速钢，最高允许工作温度可 达1000℃，具有优良的耐磨性能，在加工钢铁材料时，可减少切屑间的粘结现象。在选用切削液时，要考虑硬质合金对骤热的敏感性，尽可能使刀具均匀受热， 否则会导致崩刃。在加工一般的材料时，经常采用干切削，但在干切削时，工件温升较高，使工件易产生热变形，影响工件加工精度，而且在没有润滑剂的条件下进 行切削，由于切削阻力大，使功率消耗增大，刀具的磨损也加快。硬质合金刀具价格较贵，所以从经济方面考虑，干切削也是不合算的。在选用切削液时，一般油基 切削液的热传导性能较差，使刀具产生骤冷的危险性要比水基切削液小，所以一般选用含有抗磨添加剂的油基切削液为宜。在使用冷却液进行切削时，要注意均匀地 冷却刀具，在开始切削之前，最好预先用切削液冷却刀具。对于高速切削，要用大流量切削液喷淋切削区，以免造成刀具受热不均匀而产生崩刃，亦可减少由于温度 过高产生蒸发而形成的油烟污染。
4. 陶瓷刀具：
　　采用氧化铝、金属和碳化物在高温下烧结而成，这种材料的高温耐磨性比硬质合金还要好，一般采用干切削，但考虑到均匀的冷却和避免温度过高，也常使用水基切削液。
5. 金刚石刀具：
　　具有极高的硬度，一般使用于切削。为避免温度过高，也象陶瓷材料一样，许多情况下采用水基切削液。
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自 第一个切削数据库诞生以来，世界各工业发达国家大都开发了各自的金属切削数据库。据不完全统计，迄今已有德国、美国、瑞典、英国、日本、挪威、比利时和匈 牙利等12个国家建立了30多个金属切削数据库，提供各种形式的信息服务。对世界各国切削数据库所作的调查情况(见表1)表明，目前切削数据库中的数据来 源于实验室、生产车间及文献，主要应用于车削、铣削、钻削及磨削。
　　在已建立的切削数据库中，当属CUTDATA与INFOS最为著名。 1964年，美国金属切削联合研究公司和美国空军材料实验所联合建立了美国空军加工性数据中心(AFMDC)。该中心开发的CUTDATA切削数据库，是 世界上第一个金属切削数据库，该数据库包含大量的切削试验数据，并且经过多次更新，比较全面、可靠，可以为3750种以上的工件材料，22种加工方式及 12种刀具材料提供切削参数。德国1971年建立了切削数据情报中心(INFOS)。该中心存储的材料可加工性信息达二百多万个单数据，成为世界上存储信 息最多、软件系统最完整和数据服务能力最强的切削数据库之一。
　　我国建立的切削数据库是从20世纪80年代开始的。目前，国内有成都工具研究所、南京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、上海工业大学、山东大学、哈尔滨理工大学和天津大学等单位，在切削数据库方面开展了一些研究工作。
　 　成都工具研究所在1987年建成了我国第一个试验性车削数据库TRN10，又于1988年从当时的联邦德国引进了INFOS车削数据库软件(在国内运行 后，被称为ATRN90)，并加以改进，向国内推出其修订版的ATRN90E。随后又继续开发并推出了车削数据库软件CTRN90V1.0。CTRN90 与原版INFOS比较，它改进、扩展了系统，增强了功能，增添了中国数据，应用了“可加工性材料组——切削材料副”的概念，实现了软件的汉语化和英语化。 它在汉化的VAX/CVMS操作系统环境中运行，用户界面为人机对话方式，采用多层菜单驱动。软件本身规模约为8MB，带有11个专用子程序库。采用了国 内的机床、刀具和试验数据，同时也包含了部分国外数据。1991年推出了CTRN90V2.0，1992年又推出了CTRN90V3.0。在上述基础上， 1998年开发了在Windows环境下运行的数据库软件。
南京航空航天大学是研究金属切削数据库比较早的高校，早在1986年，南航的张幼桢教 授就对建立金属切削数据库的若干问题进行了探讨，许洪昌等对金属切削数据库又进行了更深一步的研究，近年来，着重研究切削数据的优化和专家系统技术在切削 数据库中的应用。1988年，开发了一个专用切削数据库软件系统NAIMDS，1991年进一步开发了KBMDBS切削数据库系统。
　　北京理工 大学建立了一个主要面向硬质合金刀具材料和涂层刀具生产厂家的切削数据库系统。根据切削数据的不同来源和特点，将其分为三大类：即浓缩型切削数据、离散型 切削数据和资料型切削数据。北京理工大学对切削试验曲线在切削数据库中的存储与绘制进行了研究，并在此基础上实现了刀具磨损、刀具寿命、断屑和切削力等六 种试验曲线的存储和绘制，使金属切削数据库在功能上不仅能够存储数据，而且也能处理曲线。这对于丰富切削数据库的内容，扩大切削数据库的范围，以及工程数 据库的建立都有积极的意义。
　　除了各国均建立自己的切削数据库外，国际学术机构也开展了切削数据库的研究开发工作，如于1995年成立的国际生 产工程学会(CIRP)切削加工模型研究小组，从事切削加工预报模型的研究，为机械制造业提供切削参数，自1998年开始邀请世界著名研究机构加盟其切削 数据库的研究与建立。
　　切削数据库的建立带来的经济效益是非常可观的。在CUTDATA建库的初期，就为工业部门节约了1.6亿美元。 INFOS可使单件生产时间下降10%，生产成本下降10%。SWS经300多家企业应用，平均每年可节约工时15%～40%。据CIRP对切削数据库经 济效益的调查表明，切削数据库可使加工成本下降10%以上。
3 建立切削数据库的核心技术
　　切削数据库的建立包括结构设计和应用软件设计。切削数据库结构设计包括切削数据的采集、处理和评价，切削数据的建立，切削数据的优化，切削数据的输出和信息服务等功能。根据评价后切削数据的特征，可建立离散型切削数据库或浓缩型切削数据库。
　 　离散型切削数据库的数据量十分庞大，涉及到切削方式、工件材料、刀具材料及其几何参数与结构、切削参数、切削液和机床等许多因素，以存储检索的方式管理 该类数据。在数据库概念结构设计中，首先建立切削数据的(实体—关系)模型，然后进行逻辑结构设计和物理结构设计。离散型切削数据库中与切削数据有关的影 响因素一般用代码表示，切削数据库里的关键字由影响切削数据选择的各代码叠加而成。因此，各种切削方式的关键字是不相同的，必须分别建立其相应的子库，这 就是切削数据库的分库技术。各子库既要考虑它能在总控程序下运行，又要保证它能独立运行，它采用模块式结构建立。数据库内部各影响因素的表之间应建立参照 完整性，父表与子表之间具有约束关系，对表进行修改(记录的插入、更新或删除)时，计算机自动对相应的表进行操作，免去重复操作和由此可能引起的错误。
　　浓缩型切削数据库用于存储和管理各种切削数学模型的算式及其系数和指数、产生这些数学模型的切削加工条件等。
　 　切削数据库的应用管理程序应能满足切削数据的输入、更新、删除、检索和输出等基本要求。目前，多采用窗口菜单显示技术，同时在程序编制中采用循环嵌套， 使系统具有相当的容错和改错功能。为防止切削数据库系统被其他人员随便检索和修改，保证数据库的安全性，可对其访问进行控制及用户认证，只有输入正确的用 户名及密码才可拥有数据库的使用权。
4 切削数据库存在的问题及发展方向
　　建立切削数据库的根本目的是为生产实际服务，但已建立的切削 数据库及工艺数据库，付诸实用的还不多，分析其原因是多方面的：①企业对切削数据库的重视不够；②数据的信息量还不够多，且尚未解决与 CAPP、CAM等系统的联接问题；③关键的问题是现有切削数据库本身还存在一些问题，首先是切削数据的可靠性，由于数据的来源较多，有来自工厂的数据、 实验室的数据，还有来自各种手册上的数据，这些数据应经过严格的分析、处理和评估，否则，其应用效果必然不佳。同时，还有计算机软件的问题，软件功能的强 弱对数据库中数据作用的发挥至关重要。为了进一步促进切削数据库的应用，切削数据库正在向集成化、智能化、实用化和网络化方向发展。

1. 集成化
　　企业为了方便和准确地查询本企业的制造资源，需要建立制造资源数据库，它一般包括工艺基本定义和分类、机床设备、刀具、工艺装备、毛坯种类、材料牌 号、材料规格、工艺规则库、工艺简图库、工艺参数库(切削参数、设备参数、工时定额表)和典型工艺库等。切削数据库与CAPP、CAD/CAM和CIMS 等联机，作为制造数据库的一部分，为这些自动化制造系统提供合理的切削加工数据，由切削数据中心向加工信息中心乃至生产信息中心发展，对加工过程中的规 律、规则、数据和技术进行采集、评价、存储、处理及应用。因此，切削数据库对NC机床、加工中心及CAD、 CAM、CAPP、CIMS等而言，是基础数据的提供者，是CAM、CAPP、GT等先进技术的基础。没有数据库的支持，就没有真正的计算机集成制造系 统，所以集成化是切削数据库发展的必然趋势。
　　意大利比萨大学开发的用于选择刀具的COATS系统，实现了与CAPP系统的联结，其输入数据来自CAPP的其他子系统。一些计算机辅助设计与制造软 件开发商开发了一些切削数据库模块，如UGCAM中包含了一个功能强大的切削数据库，通过数据库的查询，可以定义工件材料、刀具材料、刀具尺寸参数以及切 削方法等，并通过数据库的运算，获得主轴转速和进给速度的数据。UG CAM数据库由五个子库组成：工件材料库、刀具材料库、刀具尺寸参数库、切削方法库和切削速度库。UGCAM数据库的结构如图1所示。刀具材料分为五类： 高速钢、无涂层整体硬质合金、无涂层可转位硬质合金、涂层可转位硬质合金及涂层高速钢。切削方法分为四类：立铣、开槽、面铣和侧铣。刀具类型有：立铣刀、 面铣刀、T形铣刀、鼓形铣刀、UG5参数铣刀、UG7参数铣刀和UG10参数铣刀。工件材料类型有：碳素钢、合金钢、高速钢、不锈钢、工具钢、铝合金和铜 合金。其他CAD/CAM软件，如Pro/E、MasterCAM、Cimatron等，也都开发了各自的切削数据库模块。

图1 UG CAM切削数据库的结构
2. 智能化
　　传统开发的切削数据库和刀具管理系统所提供的数据，大多只是“静态”的原始数据，比较具体、确定，从根本上来说，只能算作电子手册，对于生产现场出现 的种类繁多的加工方式、性能千变万化的工件材料和刀具材料，仅靠“静态”数据库往往难以解决。目前，切削数据库正朝着智能化方向发展，利用人工智能的方法 来建立切削数据库，使其具有“动态”特性。由于数据库管理系统不能从存储的数据中进行逻辑推理或作启发性判断，因而存储数据的价值得不到充分发挥，而人工 智能的优势却可以解决这一难题。把人工智能与切削数据库结合起来，可以解决切削数据库中一些难以解决的问题。智能化是20世纪80年代以来切削数据库研究 的重点，也是切削数据库今后的发展方向。
　　智能化就是将切削专家的经验，切削加工的某些一般规则与特殊规律存储在计算机中，实现运行与决策。很多切削技术及其专家的经验很难用严格的数学模型表达，如果将数据库与人工智能技术结合，则是解决这类问题的最好方法。
　　专家系统由知识库、推理机和人机界面三部分组成，其中最关键的部分是知识库和推理机。COATS系统的知识表示采用了产生式规则。为了避免推理过程中 出现多条规则同时满足的不确定情况，给每条规则赋予一定的权重。刀具参数的选择主要依靠知识库中的规则及其权重，通过一定的算法运算来得到。COATS系 统大约有300条规则，用PROLOG语言写成。宾夕法尼亚州立大学开发的切削加工参数选择专家系统ESMDS的推理方式为正向推理，系统的开发语言为 FORTRAN77。加拿大温莎大学开发了基于零件特征的机床和刀具选择专家系统，该系统用专家系统开发工具EXSYS开发，知识表示采用产生式规则(共 122条)，推理方式为逆向推理。南斯拉夫开发了产生式规则和矩阵方法表示知识的刀具自动选择专家系统。国家“863”计划资助北京理工大学开发的 CIMS 环境下的切削数据库和专家系统(BYJC-CIMS-MDES)，将切削数据库和专家系统服务多种功能加以集成，把专家系统中知识库的设计与数据库相结 合，取得了较好的效果。
　　专家系统采用规则匹配推理，适于容易找到因果关系的领域，切削加工中的有些现象却很难用规律性的知识和因果关系来描述，规则匹配推理也需解决规则冲突 问题。此外，还有利用人工神经网络、模糊算法、基因遗传算法等，用于切削数据的计算推理，英国开发了基于实例推理的智能磨削参数选择系统，山东大学正在开 发基于实例推理的刀具材料与切削参数选择的高速切削数据库。
　　根据人工智能学说，智能系统的智能越高，系统开发的成本就越大，所以，智能化切削数据库的开发研究，应充分利用目前智能技术和信息科学等领域已有的科 研成果，综合人与计算机的各自特点，从而开发出新型的智能切削数据库，以满足企业对切削数据合理使用的要求。
3. 实用化
　　通用切削数据库提供针对不同机床、不同切削方法、不同刀具材料的切削工艺参数，能够根据不同的加工条件，提供优化的刀具角度、切削速度、进给量等切削 用量和切削液等一系列切削参数。但是，建立通用切削数据库是一项巨大的工程，要耗费大量的人力、物力和资金。作为一个公司、一个行业范围来说，它用到的刀 具、工件材料是有限的，基本切削数据可以通过资料获得并经实践检验。因此，建立一个公司自己的数据库是有必要的，并且不会太困难。
　　许多刀具生产商和研究机构开发了计算机刀具数据管理(Tool Data Management，TDM)系统，如德国Walter公司的TDMeasy软件，向用户推荐该公司的各类刀具加工不同工件材料时的切削参数。 Walter公司的TDM刀具管理软件具有缩短计划时间、使调整时间和工序间断时间降至最低、减少刀具种类、促进刀具标准化、减少刀具库存，以及对刀具订 货进行控制的功能等。SandvikCoromant公司开发的AutoTAS刀具管理软件，有11个集成模块。软件可为该公司提供3000多种刀具的 CAD模型(几何尺寸、检测、装配)，可自动选择该公司样本与电子样本中的刀具使用，提供各种刀具的库存位置、成本、供应商、切削性能、刀具寿命及要加工 工件的信息。AutoTAS刀具管理软件还提供刀具库存管理、购买、统计分析，报表，刀具室计划与质量控制等功能。
　　Kennametal公司也开发了自己的刀具管理软件KATMS与ToolBoss。Datos计算机公司推出的刀具供应软件收录有30多种刀具，并 提供大量的信息，本身计算出的或获取的切削数据可以集成在软件内。Mapal公司推出的全球刀具管理系统可为用户提供正确的刀具品种和数量，可为用户建立 服务部，负责刀具的重磨、调整、发放等业务，帮助用户分析、评价加工过程等。Gunther公司和Seco公司的刀具电子样本可帮助用户正确选择和使用切 削刀具。EMUGE FRANKEN公司的刀具电子样本可计算和分析加工成本，还可对多功能刀具(如钻-铣螺纹刀具)提供编程指南和G代码的运行程序。
德国CIM公司研制了金属切削刀具的电子信息系统(在CDROM盘上，一般称为CIMSOURCE)，包括世界17个主要刀具公司生产的115000种以 上的刀具数据。 CIMSOURCE系统对刀具用户的服务，包括为刀具用户提供标准化图形、优化控制刀具业务和优化组织大批或成批的刀具供应。CIMSOURCE系统的电 子目录可帮助用户了解世界刀具市场推出的品种繁多的产品，并可获得较深入的信息，以便进一步用来准备具体的加工工艺过程。刀具供应商采用 CIMSOURCE系统，可保证做到：①精确、按时地将刀具提供给用户；②因供应的刀具是以电子产品形式的，故价格最佳；③可扩大市场和便于用户进入全球 性贸易网络。
　　国内许多研究机构和企业对刀具管理系统进行了研究开发，如国家“863”计划资助清华大学开发的面向CIMS的计算机辅助刀具管理系统，济南轻骑发动 机厂开发的适合自己企业的计算机刀具管理系统等。西北工业大学还开发了14种常用钛合金的车削数据库。上海工业大学建立了一个适合石油行业的车削数据库。 航空工业部进行了航空金属材料切削数据库的筹建工作。哈尔滨理工大学开发了PCBN 刀具切削数据库。山东大学正在筹建高速切削数据库和陶瓷刀具切削数据库及模具切削加工数据库。天津大学与汽车厂家合作，建立了一个针对汽车厂家使用的金属 切削数据库。上海交通大学建立了旋转刀具/切削数据库。
4. 网络化
　　迅速发展的Internet技术，给切削数据库应用领域带来了新的活力，网络化强调数据交换和资源共享，将是未来切削数据库技术发展的主要趋势。
　　目前，世界著名刀具制造公司纷纷开设了自己的网站，通过访问这些网站，用户可以了解该公司的概貌、目前的生产科研情况、新产品目录、特点、报价和出版 物等，有的还可以提供切削参数，有的可以下载软件，如下载刀具制造的标准程序和刀具选择软件，以及刀具CAD图纸等。如Guhring公司在网上提供免费 的刀具管理软件。CIMSOURCE也已纳入Internet，并以对话方式工作，将全世界的用户联系起来，不断获取关于切削刀具的信息。 CIMSOURCE可帮助解决下列刀具制造和使用问题：切削刀具的选择、切削加工工艺、提供信息网络内的订单、刀具的图形信息、刀具的生产和刀具的出口数 据。


　　切削数据库在向着集成化、智能化、实用化和网络化方向发展的同时，一方面需要进行信息模型、数据模型、开发设计理论与模式等方面的基础性研究；另一方面还应进行切削数据的标准化工作，切削数据的标准化是切削数据库技术推广应用和稳定发展的保障。
5 结论
　 　结合国内外切削数据库研究开发现状，本文分析了切削数据库研究及应用过程中存在的问题，着重探讨了切削数据库的发展趋势，指出了切削数据库的未来研究方 向：切削数据库应向集成化、智能化、实用化和网络化方向发展；要开展切削数据库信息模型、数据模型、开发设计理论与模式等方面的基础性研究；同时，还应进 行切削数据的标准化工作，切削数据的标准化是切削数据库技术推广应用和稳定发展的保障。
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摘要：将有限元分析方法引入螺旋刃刀具CAD的强度、变形计算，对麻花钻螺旋沟槽的网格划分、单元节点设置及受力情况进行了分析，对不同直径麻花钻各主要参数的变化对扭转刚度的影响进行了计算。
图1 麻花钻结构及几何参数
图2 麻花钻切削时
　 　由于螺旋刃刀具结构复杂，传统的设计方法无法对刀具进行精确的强度、刚度及应力分析。在螺旋刃刀具CAD中，我们采用有限元法对刀具进行分析计算，从刚 度、强度和应力观点研究刀具几何参数的合理性，在满足切削条件的前提下，以变形最小、刚度最大为目标，获得最佳刀具几何参数，从而提高其切削性能。我们分 析的螺旋刃刀具包括麻花钻、立铣刀、绞刀及各类非标刀具，本文以麻花钻为例介绍有限元分析过程。
一、麻花钻的结构特点及受力情况

1. 麻花钻的结构特点
　　普通麻花钻是最常用的螺旋刃孔加工刀具，其结构及几何参数如图1所示。麻花钻的直线型主切削刃很长，几乎延伸到钻头的中心；刀齿数目少，只有2个，两 主切削刃由横刃连接；两条容屑沟槽为螺旋形，以便于排屑；两个后刀面为圆锥面或螺旋面的一部分。麻花钻的主要几何参数：直径D、工作部分长度L(包括切削 部分长度L0和导向部分长度L1)、螺旋角q、顶角2f、横刃斜角y、后角a和钻芯直径d。
2. 麻花钻受力情况
　　麻花钻切削时的受力情况较复杂。钻削时，麻花钻受力主要有工件材料的变形抗力及的受力情况麻花钻与孔壁和切屑间的摩擦力，每个切削刃上都将受到Fx、 Fy、Fz三个切削分力的作用，如图2所示。理想情况下，Fx基本上互相平衡，其余的力为轴向力和圆周力。圆周力构成扭矩，消耗主要功率。麻花钻在切削力 的作用下产生横向弯曲、纵向弯曲及扭转变形，其中扭转变形最为显著。扭矩主要由主切削刃上的切削力产生，约占总扭矩的80%；横刃长度较短，产生的扭矩约 占10%。轴向力主要由横刃产生，约占50%～60%；主切削刃上的轴向力约占40%。

二、有限元分析

　　我们采用北京大学力学系研制的SAP5P软件，分析计算麻花钻切削时的变形情况。

1. 等参元的选择
　　SAP5P程序提供了多种单元类型。由于麻花钻为三维实体结构，故选用八类节点数可变的三维等参单元，每个单元根据需要取8～21个节点进行计算。
2. 单元的划分
　　麻花钻切削锥部为主要受力体，载荷主要作用在主切削刃上，因此，划分单元时可将切削锥部划分得细一些，而导向部分可划分得粗一些，并从锥部与导向部分 连接处开始逐渐由密到疏。麻花钻的单元划分如图3所示。由于切削锥部近似为圆锥体，而横刃仅为一条直线，因此必然存在单元间的过渡连接问题。如图4所示， 在锥部中间构造一节点(节点28)，过此节点与横刃、两后刀面及两沟槽构造一六面体，将此六面体划分为8个单元，在锥部与导向部分连接处作一横截面，在此 横截面与六面体之间构造8个单元，这样切削锥部共划分为16个单元。

图3 麻花钻单元划分图
图4 切削锥部单元划分图
图5 主切削刃载荷分布图
　　导向部分为带两条螺旋沟槽的圆柱体。沿轴向截取不同高度的实体段，每段划分8个20节点单元。根据计算机容量和麻花钻切削长度选择相应的实体段数及单元数。
3. 节点数学模型的建立
　　根据麻花钻切削锥部的实际结构计算节点坐标。
导向部分外径基本相同，只是实体段上层相对于下层沿螺旋线旋转了一定角度。设任一单元下层节点坐标为X(i)，Y(i)，Z(i)；上层节点坐标为X(j)，Y(j)，Z(j)，则
X(j)=X(i)cosf - Y(i)sinf
Y(j)=X(i)cosf + Y(i)sinf
Z(j)=Z(i)+h
其中，f＝(h/r)tgw，h为单元厚度(即实体段高度)，r为钻头外圆处半径，w为螺旋角，为单元下层节点沿螺旋线旋转的角度。
4. 载荷的简化及计算
　　麻花钻的受力情况较复杂，因此可对载荷作一些简化。下面分两种加载方式进行计算。
1. 载荷以集中力的形式作用于主切削刃最外端。假设麻花钻只受扭矩作用，设扭矩为M(N·mm)，麻花钻最大外径为D(mm)，则作用在主切削刃最外端的力F为
F＝M/D
2. 载荷按实际情况作用于主切削刃相应节点上，如图5所示。
设P为单位半径长度载荷，则

图6 有限元计算流程图
图7 麻花钻变形图
切向力 Pt＝9．81HBf/2
法向力 Pn＝(0.5～1.0)Pt
径向力 Pr＝Pncosf
轴向力 Pa＝Pnsinf
　　其中，HB为被加工工件材料的硬度，f为钻削进给量(mm/r)。则主切削刃相应节点所分配的载荷近似为
P1＝PR/6
P2＝4PR/6
P3＝PR/6
5. 约束条件
　　采用SAP5P程序对麻花钻进行分析计算时，只对切削部分及导向部分进行计算，忽略了柄部的影响。因此，在整体分析中，应对柄部与导向部分连接处的节 点加上固定端约束条件，限制其六个方向的自由度；对其它节点则给以X，Y，Z三个方向的平移自由度，限制X，Y，Z三个方向的转动自由度。
6. 前处理通用接口程序
　　我们用Borland C语言编写了前处理通用接口程序，用户只需输入麻花钻的主要几何参数，通过运行前处理程序，即可自动划分网格，自动生成供SAP5P运行的数据文件。有限元计算流程如图6所示。

三、计算结果

　　选取如表1所示的三组麻花钻参数进行计算。弹性模量E＝2.15×105/mm2，剪切弹性模量G＝8.05×104N/mm2，波桑系数µ＝0.25，载荷计算取HB＝200，f＝2.5mm/r，Pn＝0.75Pt。
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铝是很活泼的金属，在其表面上容易发生化学反应。但是铝的表面能与空气中的氧结合生成致密的氧化膜，这种致密的氧化膜对铝的内部有良好的保护作用，使其在 空气中不再被腐蚀。铝合金表面在各种热处理、机械加工、运输及保管过程中，不可避免地会被氧化，产生一层厚薄不均的氧化层。同时，也容易受到各种油类污染 和吸附一些其他的杂质。油污及某些吸附物，较薄的氧化层可先后用溶剂清洗、化学处理和机械处理，或直接用化学处理。对于严重氧化的金属表面，氧化层较厚， 就不能直接用溶剂清洗和化学处理，而最好先进行机械处理。

一、用铝合金除油清洗液：

因碱溶液对铝合金有强烈的腐蚀作用，而有机溶剂成本高昂，故当需加工、清洗较多的铝合金零件时，可配置铝合金清洗液进行清洗。推荐采用河南恒生化工有限公 司生产的AWD320/HS168新型强效铝材清洁光亮剂，主要用于清洗各类铝合金材料，它能迅速而有效地清除铝合金材料内外表面的污垢及油污，清洗效果 好，使用成本较低。超声波清洗和加温到40～50℃可获得最佳清洗效果


1.使用安全，对铝合金材料没有影响。
2.除污垢迅速，使用方便。
3.铝合金清洗后，其强度不受影响。
技术指标：
外 观：无色透明液体

去油率（30±2℃）:≥98.0%
比 重：1.06±0.05

PH 值：12.8±1.0
铝片试验（70±2℃，2h）：重量变化≤±2mg



用途及用法：
广泛用于各类铝合金材料的设备、管道、零部件、型材等内外表面的除垢、除油污。主要根据被洗物污垢程度和大小形状、结构等可采用浸泡清洗和循环冲洗及超声波清洗等方法。

使用方法：

1：浸洗法:将本品原液注入适当的容器内，一般可用纯水稀释10至20倍，然后可刷洗或清水漂洗几遍，擦干或用压缩空气吹干。

2：喷洗法：用适当压力的喷枪加注纯水后，吸入一定流量的AWD320/HS168清洗剂，直接喷射所需清洗的表面，清洗后再单独用纯水冲净，然后用压缩空气吹干或自然晾干。

二、铝合金酸洗光亮剂
本品性能优异，使用方便，能迅速有效地除去铝合金表面的锈斑及高温氧化皮等，对铝材料不会产生“氢脆”和“过腐蚀”，不会造成内在质变。处理后的铝材面平整、光洁、浸泡168小时腐蚀失重率≤2g/m2h。常温下对0.15mm厚度的氧化皮6－20分钟即能除去。

特点：

高效强力：在常温下，能迅速除去霉斑和氧化皮，去除率达98％；兼有除油功效；安全可靠：安全可靠：采用环保有机酸，本品不燃，不爆，不含有害物质，除眼睛外，人体任何部位溅到本品均无不良反应。对人体安全，优良的缓蚀配方，使本清洗剂对金属更安全、应用范围面更广。

经济方便:可采用喷、涂、浸、刷等各种方法，根据不同锈迹情况，可稀释使用。铜、铝材除锈后，用清水洗净，用干布擦亮。请进行常规防锈处理。塑料桶包装，便于运输储放。

用途：

适用于铜、铝材制品的行业，能去除一切铜、铝材合金制品的氧化皮及铜锈。

1：有严重油污的工件，一般应首先进行脱脂处理。

2：工件浸入本剂，应根据大、中、小、厚、薄、锈蚀程度的不同，掌握处理时间。



使用方法:

配制成10-20%的水溶液，在常温(20~35℃)下浸泡刷洗或用泵循环清洗，也可连续压力冲洗或超声波清洗。清洗时的温度和时间、浓度均按零部件的锈垢程度而定。



注意事项：

※ 酸性品，请使用眼镜、手套等劳防用品；

※ 避免溅入眼中，不可吞服。

※ 清洗后，一定要进行中和、漂洗和钝化等处理。



主要功能:清除铝或铝合金表面及焊接处氧化物.

三、铝合金专用切削液：

1 .专业性强：

所含独特的缓蚀剂系统，针对铝合金、铜合金及合金钢有优良的保护作用。本品不含氯离子成分添加剂，对合金结构无任何影响。不仅适用数控加工中心的高速、高效率加工要求，同时也适合于普通车、洗、钻、镗、攻丝，拉削等多种切削工艺。

2．低污染：

本切削液不含硫、磷、氯、酚类添加剂。其主要组份可以生物降解。污染指标CDO、BOD比同类产品降低40％左右。

3．优良的防锈性能：

本切削液含有吸附性较强的双组份润滑防锈添加剂，具有优良的润滑、防锈、清洗、冷却等性能。能适应各种切削工艺要求，尤其对合金件的切削加工能保持较长的抗氧化期。

4．有利于加工：

切削液清晰透明，便于观察加工情况，对于机床、刀具和工件有极好的清洗性，不污染工作环境。

5．提高加工效率:

能代替进口专用冷却液，达到进口机床各项切削工艺要求。和乳化油比较，冷却液使用寿命延长4－5倍，减少换水次数，明显减少冷却液的消耗，节约开支，同时，由于还能提高加工效率、受到用户的广泛欢迎。


四、铝合金加工或清洗后的后续处理：

许多客户咨询为什么铝合金切削加工或清洗后还会发生变色、长霉斑的现象？

铝是很活泼的金属，在其表面上容易发生化学反应。但是铝的表面能与空气中的氧结合生成致密的氧化膜，这种致密的氧化膜对铝的内部有良好的保护作用，使其在 空气中不再被腐蚀。所以，铝合金清洗后，将工件表面漂洗干净、快速干燥是最重要的步骤！工件表面越干净，干燥速度越快，生成的氧化膜越均匀、致密。

铝合金在切削加工后，由于许多用户使用的不是铝合金专用的切削液，皂化油含油量高，油基物质会对铝合金造成快速氧化，所以很快就会有黑点、黑斑等氧化物生 成。所以，建议用户使用铝合金专用的切削液进行加工处理，可以防止这类现象的出现。在前道工序就注意了防止氧化、变色，就省却了后道工序的清洗的时间和清 洗材料，何乐而不为呢？

即使用户使用铝合金专用的切削液进行加工处理，我们建议在条件许可的情况下，最好在最短的时间内，将工件进行清洗，（因为如果铝合金表面有残留的物质，还会产生一层厚薄不均的氧化层）。清洗只需用水漂洗即可。

一旦发生了油污或氧化，就需要清洗了。清洗后一定要在漂洗后，再单独用纯水冲净，然后用压缩空气吹干是确保铝合金材料不变色、没有霉斑的重要的简单有效的手段。

干燥、干净环境的存放，是防止铝合金材料再次发生氧化的前提。

五、清洗后的废液处理：

清洗铝合金表面后，所排出的废水溶液，为了环保，请使用者将废水集合于水池，然后用石灰、炭酸钠（苏打）、氢氧化钠中和在PH值7～8时排放。
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以下にYCuTと他のバネ用銅合金について、機械的特性/物理的特性の比較を行います。
*下記の合金記号(C5210:ばね用りん青銅、C1720:ばね用ベリリウム銅)及び質別記号(1/4H,EHなど）はJISの表記によります。

代表的バネ用合金の機械的特性比較

時効温度℃ 引張強さ
N/mm2 0.2%耐力
N /mm2 伸び
％(50mm) ビッカース硬度
HV Kb値N/mm2 弾性係数GPa W曲げ最小半径GW
R/t W曲げ最小半径ＢW
R/t 比重(20℃）

YCuT-M-1/4H ― 735～ 930 700 10～30 250～300 ≧635 127 1t 1.5t 8.7
YCuT-M-1/2H ― 785～980 760 8～25 270～320 ≧685 125 1.5t 2t 8.7
YCuT-M-H ― 835～1030 810 8～25 280～330 ≧735 122 1.5t 3t 8.7
YCuT-M-EH ― 885～1080 900 ５～20 300～350 ≧785 117 2t 6t 8.7
YCuT-M-SH ― 930～1130 990 3～10 310～350 ≧885 108 3t ― 8.7

YCuT-T-1/4H ― 440～ 590 420 10～30 140～190 ― ― 0.5ｔ 1t 8.7
YCuT-T-H ― 590～ 786 610 １～５ 200～250 ― ― 1.5t ― 8.7
YCuT-T-EH ― 685～ 885 750 １～４ 230～360 ― ― 2.5t ― 8.7
YCuT-T-1/4HT 465℃ 735～ 930 700 10～30 250～300 ≧635 127 ― ― 8.7
YCuT-T-HT 415℃ 885～1080 900 ５～20 290～340 ≧785 117 ― ― 8.7
YCuT-T-EHT 390℃ 930～1130 950 ２～10 310～360 ≧885 108 ― ― 8.7

C5210R-H ― 590～ 705 570 ≧20 185～235 ≧390 98 0.5t 1.5t 8.8
C5210R-EH ― 685～ 785 675 ≧11 210～260 ≧460 98 2t 4t 8.8

C1720-1/4H ― 510～ 620 450 ≧10 145～220 ― ― 0.5t 1t 8.3
C1720-H ― 685～ 835 700 ≧2 210～270 ― ― 2.5t 4t 8.3
C1720-1/4HT 315℃ ＞1180 1150 ≧2 350～430 ≧835 118 ― ― 8.3
C1720-HT 315℃ ＞1270 1200 ― 380～450 ≧930 118 ― ― 8.3

C1720-1/2HM ― 815～1010 910 ≧8 ≧240 ≧540 118 1t 2t 8.3
C1720-HM ― 910～1110 1050 ≧6 ≧270 ≧635 118 2.5t 4t 8.3
C1720-XHM ― 1100～1300 1150 ≧4 ≧320 ≧830 118 5t 8t 8.3
・これらの値は、設計上の参考値としてください。


代表的バネ用合金の物理的特性比較

導電率
%IACS 体積抵抗率
μ ･cm 熱伝達率
W/(m･K) 線膨張係数
*×10-6/℃ 時効による寸法収縮率
% ポアソン比
加工硬化指数
n値 融点
凝固点/融解点
℃

YCuT-M-1/4H 14 12.3 60 17.6 ― 0.33 0.10 980/1075
YCuT-M-1/2H 13 13.4 60 17.6 ― 0.33 ―
YCuT-M-H 12 14.0 50 17.6 ― 0.33 ―
YCuT-M-EH 12 14.4 50 17.6 ― 0.33 0.06
YCuT-M-SH 9 18.3 45 17.6 ― 0.33 ―

YCuT-T-1/4H ― ― ― ― 0.02 0.33 ― 980/1075
YCuT-T-H ― ― ― ― 0.04 0.33 ―
YCuT-T-EH ― ― ― ― 0.05 0.33 ―
YCuT-T-1/4HT 14 12.3 60 17.6 ― 0.33 0.10
YCuT-T-HT 12 14.4 50 17.6 ― 0.33 0.06
YCuT-T-EHT 10 18.3 40 17.6 ― 0.33 ―

C5210R-H 12 14.4 55 18.2 ― 0.33 ― 880/1020
C5210R-EH 12 14.4 55 18.2 ― 0.33 ―

C1720-1/4H ― ― ― ― 0.23 0.3 0.17 865/980
C1720-H ― ― ― ― 0.22 0.3 0.07
C1720-1/4HT 22 7.8 90 17.8 ― 0.3 ―
C1720-HT 22 7.8 90 17.8 ― 0.3 ―

C1720-1/2HM 20 8.6 70 17.8 ― 0.3 ― 865/980
C1720-HM 20 8.6 70 17.8 ― 0.3 0.06
C1720-XHM 20 8.6 70 17.8 ― 0.3 ―
・これらの値は、設計上の参考値としてください。
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ベ リリウム銅は高強度、高導電性ばね材としてコネクタ、スイッチ、リレーなどの電子部品に広く使用されています。これらはいずれも一定あるいは変動荷重が負 荷された状態で長期に亘り、その接触圧を維持することが求められています。一方これらの電子部品のばね材は使用環境温度あるいは通電による発熱の影響を受 けることが多く、その場合応力緩和現象による接触圧の低下が予想されます。

図1にベリリウム銅、りん青銅の応力緩和特性を示します。応力緩和特性の測定は片持梁方式で固定した材料の一端に変位を与え、所定の温度、時間を経過した後、材料の変位を開放し永久変形量を測定して行い、これを残留応力に換算することによって表しています。

ベリリウム銅は高強度型合金、高電導度型合金ともにりん青銅に比べ応力緩和現象ははるかに少なく、耐熱性にすぐれていることがわかります。

応 力緩和試験は一種のクリープ試験です。しかし、長時間の試験を行うのは実態にそぐわないため、普通は短時間の試験結果から長時間の特性を推定します。一般 には Larson-Miller法が精度が高いので良く使用されています。Larson-Millerの実験式を (1) 式に示します。

T：温度℃　ｔ：時間hr

図2は、ベリリウム銅の残留応力とLarson-MillerパラメーターのPとの関係を示したものです。この曲線により所定の残留応力に対するPを求め、このPの値から設計上必要とする温度、時間の組合わせに対する残留応力を自由に推定することができます。

図1

図2

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摘 要：本文主要从三角开关凸模的曲面特点及加工难点出发，分析了如何使用MasterCAM软件编制合理的刀具路径，使加工质量大为改善。

　 　前 言：使用CAM软件编程，走刀路径是否合理直接影响加 工质量。MasterCAM的曲面精加工刀具路径难以同时保证平坦面与陡峭面的加工质量，加之加工中心加工不宜使用过小的刀具，那么对于刀具难以加工到的 地方和既含有平坦面又含有陡峭面的零件，应如何编制刀具路径以达到加工质量的要求呢？

　　MasterCAM是一种应用广泛的CAD/CAM软件，由美国CNC Software公司开发，该软件操作简便实用。

　 　MasterCAM8.0提供了多种粗加工技术和丰富的曲面精加工功能。精加工走刀形式直接影响加工出来的表面质量，要达到图纸要求的尺寸精度和表面精 度，需在编制刀具路径时针对曲面特点合理选择走刀方式。对于同一个零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式，对于零件两个面之间的衔接部分，还需要用专 门的清根刀路。此外，还要合理选择刀具，优化走刀路径，减少提刀、空刀及不必要的重覆路径，在改善加工质量的同时使加工效率有所提高。

　　一、曲面特点及技术要求

　 　（一）曲面特点：三角开关是一个比较典型的零件，曲面的外形尺寸50x60x15.6mm。图形的上部分曲面比较平坦，在MasterCAM中称之为浅 平面，这种曲面适合选择平行刀路。下部分曲面陡峭，在 MasterCAM中称之为陡斜面，这种曲面适合选择等高刀路。曲面与曲面之间是R2mm的圆角过渡。此处圆角半径为R0.4mm ，高度是1.15mm。

　　（二）加工三角开关凸模的技术要求：

　　1、所有表面粗糙度要求Ra3.2 ；
　　2、工件表面无缺陷，圆角部位无残料；
　　3、曲面与分模面之间要求清根。

　　二、加工三角开关凸模工艺分析

　　1、材料：45#钢，这种钢具有较高的强度和较好的切削加工性，经调质以后可获得良好的综合力学性能，是塑料模具中应用最广泛的钢种之一。毛坯尺寸：70x80x30mm。
　　2、刀具材料：根据加工材料，选择YT15的硬质合金刀具。
　　3、设备：加工中心，型号：VMC800
　　4、工艺分析及刀具选择：

　　三角开关凸模加工整体思路是先粗加工、再半精加工、精加工，最后清角加工，具体分析如下：

　　（1）粗加工 粗加工是为提高生产效率，迅速去除多余材料，曲面与分模面一起开粗，刀具要求有足够的强度，因此尽量选择一把比较大的刀具，根据工件材料、曲面外形尺寸50x60x15.6mm及毛坯尺寸选择圆角半径R1mm直径10mm的圆鼻刀。

　 　（2）半精加工由于粗加工刀间距和切削深度较大，残料过多，半精加工是为了去除过多的残料，使精加工余量均匀，刀具选择应考虑承受粗加工所留残料而不至 断刀，且不会留下过多的残料而给精加工造成困难。分模面是平面，用平刀加工较好而曲面用球刀加工，故曲面与分模面分开做半精加工及精加工。曲面半精加工， 选择6mm球刀，分模面上残料较少且余量均匀，可不必做半精加工。

　　（3）精加工 精加工需达到要求的尺寸精度和表面精度，同时兼顾效率，选择刀具时要考虑刀具强度及是否会留有残料或过切，曲面上有R2mm的圆角多处，故选择3mm球刀精加工曲面，分模面精加工选用4mm平刀。

　　（4）清角加工 清角加工是为了去除在较小圆角或直角的地方，由于精加工刀具进不去而留下的残料，刀具选择应考虑加工效率、刀具强度及能否去除残料。R0.4mm圆角处选择圆角半径R0.3mm直径4mm的圆鼻刀加工，曲面与分模面清角选择4mm平刀加工。

　　三、加工难点分析

　　基于以上工艺分析、曲面特点及技术要求，加工三角开关凸模难点有两个：一是浅平面与陡斜面问题，二是清角问题。

　　1、浅平面与陡斜面问题

　　精加工要保证整个曲面的加工精度，解决浅平面与陡斜面问题，且精加工用时最长，在解决加工质量问题的同时还要兼顾效率。因此，合理选择精加工方法至关重要。

　　MasterCAM8.0提供了十种曲面精加工方法，针对这一问题，编制刀具路径时大多采用以下几种方法：

　 　（1）平行铣削+陡斜面加工平行铣削加工采用X、Y方向的最大间距来控制刀具路径的细密程度，由于陡斜面的坡度很陡，同样的切削间距，在陡斜面上形成的 刀痕要比在平面或平坦的曲面上大得多，使陡斜面的加工质量较差。因此，多会在平行铣削加工之后添加陡斜面加工刀路，如果陡斜面刀路的切削方式选择双向切 削，则在刀具沿Z轴上升时由于刀具受力不均，导致加工质量下降，若选择单向切削，则刀具路径中提刀路径过多，严重影响加工效率。

　　 （2）等高外形+浅平面加工等高外形加工是用最大Z轴进给量控制刀具路径的疏密程度，在比较平坦的表面上，Z下降相同的距离要比陡峭表面的路径间距大得 多，无法保证浅平面的表面质量，因此在编制刀路时大多在等高外形加工之后添加浅平面加工刀路，由于曲面上浅平面区域不连续，使加工顺序不理想，影响加工质 量，且浅平面刀路中有很多提刀路径，此方法加工效率较低。

　　（3）环绕等距加工 环绕等距加工是生成一组环绕工件曲面的刀具路径，路径计算时间长，生成的NC文件大。对于形状不规则的曲面，在路径转向地方的路径间距大于其它位置的路径间距，会在工件表面形成刀具路径转折的刀痕，影响加工质量。

　 　以上三种加工方法均使工件局部表面达不到加工质量的要求。根据曲面特点及MasterCAM精加工刀路特点，可采取分区域加工，即将浅平面与陡斜面分开 加工，平坦的表面选择平行刀路加工，陡峭的表面选择等高刀路加工。三角开关曲面上部分平坦，下部分陡峭，可用切削深度确定平行铣削与等高外形的加工区域。 这种加工方法与前面所述三种方法比较，在加工参数选择相同时，加工质量最好，加工效率也有所提高。

　　2、清角问题

　　（1）对于R0.4的圆角，可使用平刀或圆角半径略小于0.4mm的圆鼻刀加工，常选择以下几种加工方法：

　　○1使用交线清角加工，刀具选择R0.4mm的圆鼻刀，由于交线清角只能沿曲面交线的地方走一刀，若精加工所用刀具半径大于0.4mm，则会在两把刀都加工不到的区域留下残料。

　　○2使用放射状加工 设置起始补正距离为4.4mm，设定切削范围，只加工残料区域，此方法能够达到加工质量的要求，但加工路径往返较多。

　　○3使用环绕等距加工 可设定切削范围，使用圆角半径R0.3mm的圆鼻刀加工可去除全部残料，路径连续，提刀少，能够达到表面质量要求且效率高。

　　通过以上分析，加工R0.4mm圆角选择环绕等距刀路更为合理。

　 　（2）球刀精加工之后会在曲面与分模面相交的部位留下圆角，应使用平刀清角，曲面上有5°的拔模角度，与上面所述情况相同，所以选用环绕等距或等高外形 刀路，用切削深度限定加工区域，仅加工有残料的地方，此处残料高度为精加工所用刀具刀尖圆弧半径，故切削深度范围略大于此半径值即可。

　　四、编制刀具路径

　　基于以上分析，比较几种加工方法，提出以下加工方案。

　　结 束 语：

　 　根据三角开关凸模特点及加工难点，对其走刀路径进行分析对比，提出最佳加工方案。使用以上方法加工，整个零件的表面精度均可达到Ra3.2，在加工参数 设置完全相同的情况下，加工效率略有提高。由于走刀路径合理，因此还可提高进给率，在保证加工质量的前提下，进一步提高加工效率。
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