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尽管“微细加工”这个术语用在那些尺寸异常小的加工操作中，但Sandia国家实验室(美国新墨西哥州Albuquerque市)的研究者们却不愿意对自己的小规模铣削和车削操作采用该术语。

对他们而言，前缀“微细”隐含着可以生产出尺寸小至1μm的特征之能力。这是他们无法完成的——至少通过铣削和车削操作无法完成。Sandia的刀具更适合生产出尺寸至少为25μm的特征。

换言之，尽管他们避免说“微细加工”，但他们这里的加工几乎比任何其他金属切削厂所进行的加工都要更接近“微细”。

中加工(Meso-machining)是这些研究者们所用的术语。微小的铣刀和车刀是用聚焦离子束通过雕刻硬质合金及HSS毛坯而制成的。

用这种方式制成的立铣刀直径可能小至20 μm左右。车刀可以小至10μm宽。这种刀具正是中加工所需要的，因为对于机床而言，已经存在合适的技术。


前面三个照片是用聚焦离子束生产的立铣刀。
另两个照片是用相同方式生产的一把18μm宽车刀的视图
在这里有Sandia工作比较令人惊奇的一方面。尽管试验刀具必须开发，实验机床并不是使用这些刀具的必需。研究者们在可以从商业供应商处买到的精密机床上有效地使用这些刀具。

研 究中加工的主要原因与核武器有关。Sandia制造工程部经理Gilbert Benavides解释了这之间的联系。他说，现有核武器带有一些有时候需要更换的零件，而这些零件最好换上可以改善的型式。但是，每个零件都具有固定的 尺寸和形状，因为组件中它周围的元件不会改变。因此，添加新特征的唯一选择是在现有空间中压缩进更多特征。中加工可以提供满足这种需求的途径。

到底可以在核武器上添加什么样的新特征，这个问题存在很大的想象空间。但是这方面是Sandia的中加工作业中额外细节的一个选择。

能力

Sandia 已经可以熟练铣削20~30μm宽的槽，材料包括铝、黄铜和4340钢等。典型的切深为1μm。一个采用22μm直径两刃硬质合金立 铣刀、切深1μm、转速18,000r/min对铝进行的加工实验表明这把刀具可以以最高达50mm/min的进给速度高效加工。这把刀具可以铣削6小时 以上(采用不同的进给速度)而不产生裂纹。

车刀被证明具有同样的耐用度。一个代表性的实验表明，一把13μm宽的刀具可以切削总共200mm长、4μm深的铝质螺旋沟槽(如果沟槽为直线而没有卷绕的形式)。

刀具

车刀类似于全尺寸车刀。铣刀却不是这样。当采用离子束加工刀具时，无法产生标准立铣刀一般都具备的沟槽式复杂的几何结构。相反，中加工立铣刀具有简单的几何横截面，如本文照片所显示的那样。

微型刀具是否真正与全尺寸刀具采用相同方式进行切削？答案似乎是肯定的。采用光学显微镜对中加工铣削过程进行观察显示出了从刀具附近弹出的切屑。此外，对铣削零件进行的电子显微镜检测也揭示出了刀具留下的痕迹。

在车削中这种迹象甚至更加明显。正如全尺寸车刀一样，有时候发现中加工车刀在切削后依然有成串的切屑附在上面。

该照片是许多车间会看到的一种现象的微型图。在加工铝后，刀具上仍然附着一片长切屑

上 述铣削试验是在20世纪90年代购买的一台Boston数字式加工中心上进行的。该机床分辨率为1μm，因此可以通过“触摸”方式将微细刀具相对工件定 位——采用机械师在使用手动铣床时会采用的相同方式。也就是，操作员不断一微米一微米地点动，直至出现看起来像切屑的东西为止(通过显微镜观察)，表明刀 具已经与零件接触上。

最近在Willemin-Macodel的一台精密加工中心上进行了更多铣削加工。中加工车削在Moore Tool的一台金刚石车床上进行，尽管Sandia采用的刀具材料不是金刚石。该工厂还采用阿奇的线切割和成形机床通过EDM方式加工出了比较小的特征 (为了覆盖整个范围，激光加工是中加工研究的另一个领域)。

存在的一些挑战

Benavides先生说，当今，中加工车削比中加工铣削更实用。对于铣削，无法复制出普通立铣刀形状是其中的制约之一。另一方面是很难对刀夹中刀具显示足够小从而对20μm刀具合格的跳动水准。

再其次是缺乏金刚石。Sandia的客户还需要可能要采用小于130μm(0.005英寸)的铣刀进行加工的工件。对于诸如微细外部齿轮齿这样的特征，该工厂趋向于采用线切割EDM。但是，如果需要内部齿轮齿，则可能需要采用中加工铣削方式。

但是各种中加工方法的研究还在继续，包括铣削在内。为了解决铣削中刀夹和相关的跳动问题，Sandia正在用无须采用刀夹而旋转刀具的特制主轴进行实验。该主轴在佛罗里达大学开发，最高转速达500,000r/min。

影 响中加工的一个更一般的挑战是实现它所需要的专业知识水准。这些切削不像宏观过程，其中刀具、零件和程序可以在不同机床之间互换。中规模切削需 要操作员理解在不同条件下微细误差的堆积，以及通过诸如速度和进给速度等特定参数的选择如何影响特定机床的精度等。Benavides先生说，对于一名熟 练技师而言，需要几个月的尝试才能获得这种理解力。因为必须具备这种理解力，因此中加工的应用范围存在制约。他说，即使在Sandia的50或60名熟练 技师中，也只有数得着的几个人已成为这种加工的能手。

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几乎二十年以来，高速切削 (HSC) 一直都被认为是高速生产加工的同义词。今天，人们的注意力越来越多地集中到了HPC(高生产率切削或高性能切削)这一新名词上了。

1. 什么是HPC铣削?

通常，HPC铣削被描述为能满足提高金属去除率要求的铣削加工，这是决定一个加工过程性能潜力的关键技术量值，与传统的加工技术相比，要提高200%到5
00%。更广义的解释就是，HPC这一名词还意味着对整个加工工艺链进行优化，目标是将生产成本降低10%到30%。

2. HPC与HSC之间有什么区别?

粗加工的目的主要是使金属去除率达到最大：由于事实上无论增加轴向或径向进给来加工3D曲面，都会严重地受到HSC技术的制约，要想提高加工率，就只有借助于增加切削速度了。然而，还会有其它实际的和技术上的制约。

同时增加轴向和径向的吃刀量，以及增加进给速度(提高vf 的速度并不一定会提高HSC的切削速度)，应该能够对提高加工效率有所帮助。

一 方面，这些铣削工艺的一个结果就是，与传统铣削加工的效率相差无几。另一方面，在一定的切削速度下提高进给速度会导致刀具的每齿进给速度提高，因此，就增 加了铣刀上的机械载荷。不管被选定的切削刃的几何形状和刀具材料如何，在加工过程中都会产生相当高的切削力，这反过来又会提高对机床工作环境的要求。

基于这一背景，提出的主要的问题就是，高切削率粗加工用刀具是否应该采用不同的刃部几何形状。

3. 高性能切削中产生的切削力和磨损现象 我们进行了很多实验，以确定不同形状的切削刃对加工过程中切削力的影响。图1显示用带有轮廓的刀具铣削10秒钟以后，在固定条件下的切削力曲线和具有平滑切削刃的刀具进行切削时的相应的曲线。

图1 使用成形的和非成形的刀具切削刃时的切削力测量

如果两种刀具的算术平均切削力关联设定的话，则通过试验可以确定，有轮廓外形的刀具的切削力降低了23.5%。就最大限度地利用主轴输出功率这个问题来说，设计具有轮廓外形切削刃的HPC粗铣刀似乎是一个极好的选择。

除了高速金属切削和优化利用主轴输出功率的要求以外，在铣削加工的经济性中，刀具的使用寿命也是一个关键性的因素。

图2 显示了这两种刀具有代表性的磨损现象。在使用了极短的时间以后，有轮廓外形的硬质合金切削刃上会产生局部切屑现象，特别是在轮廓突出部位切屑量更多。 高的进给速度和HPC铣削中大的吃刀量，再加上轮廓外形突出部位上的切削刃的横向支撑力被降低，超过了当今最先进的微粒碳化物金属品质的刚性极限， 就会产生极大的机械负载。

图2 成形的和非成形的刀具切削刃的磨损演变

当使用硬质合金端铣刀时，以上讨论的成形刀具在金属切削方面的优点，在技术上绝对不能用在HPC切削工艺中。硬质合金端铣刀使用寿命过短，会使刀具的使用成本大大增加，从而会对这种加工方法的经济性产生严重的质疑。

接受加工力量大这一事实，将非成形硬质合金端铣刀的刀具设计成与被加工材料范围相匹配的几何形状，这似乎是适合HPC加工的一个思路。

5. 强度达到68HRC的钢材的粗加工

当 加工具有更高强度值的钢材时，相应的切削刃上不能有过大的机械负荷。此外，当刀具与工件咬合时，由于进刀冲击力的影响，切削刃上就会有产生切屑的危险。 考虑到使用有几何形状的非成形硬质合金端铣刀中产生的这些现象，选定了一个最大的负切削角γ = -10°。使用传统的公差角，允许有大于90°的大楔入角，这会极大地平衡刀具的切削刃。此外，凹槽螺旋角被设计得非常大，可达γ = 55°，以便在“剥皮切削”概念下，加工易碎的硬质材料时，矫正切削接合力。

图3 铣削硬度钢时，HSC-HPC金属切削速度的比较

在图3中，显示了这一刀具使用理论性能潜在的优势，这是一个极好的示例，同时还比较了HPC刀具加工硬度为54HRC的钢材和用HSC铣削加工技术加工同样材料硬度等级的材料时的性能。
尽管有较高的切削速度，以及在这种情况下，较高的HSC加工每齿进给速度，但是通过有效地增加吃刀量，则金属的切削速度就会增加10倍。

6. 钢铁整体加工中的HPC概念

图4 HPC刀具NX, HX,和SX的应用范围

在切削角/切削槽螺旋升角三种不同组合中，采用这一技术方法，就可囊括所有的钢材加工范围(图4)，其具有的高性能加工能力(=金属切削速度)就可以转变为客户的直接受益(=降低了生产成本)。

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物 理学界的研究认为，当材料颗粒不断减小，直到进入凝聚态物理学中的特征长度，如电子的波长，平均自由程长度，将会出现一种物理极限。这时，很多传统的物理 规律将不复存在，而出现光、电、磁、化学、机械性能的奇异变化，构成全新的“介观物理”领域。这时，材料颖粒尺度在100nm以下，直到接近于原子尺寸 0.2nm～0.3nm，这种材料被称为“纳米材料”。

硬质合金是一种重要的刀具材料和模具材料，对工业的发展和社会的进步有着举足
轻 重的作用。但硬质合金是脆性材料，其硬度和强度之间存在着矛盾:硬度高则强度偏低，而强度高则硬度偏低。缓和两者矛盾使二者有效结合起来是人们一直努力的 方向。1984年德国科学家H.Gleiter首次成功研制出纳米晶体材料，这一成果开辟了材料史的新纪元，世界众多科学家竞相对这一“新材料”进行广泛 而深入的研究。研究发现，硬质合金中，在钴相含量不变的情况下，当WC晶粒降到1µm以下时，硬质合金的硬度和强度同时提高，而且这一提高的幅度随着晶粒 度进一步减小而更加明显。当显微结构的尺寸减小到5nm时。合金的性能会发生突变，这为解决硬质合金硬度和强度之间的矛盾提供了一种有效途径。纳米晶硬质 合金是纳米材料中的一个分支，是继发现纳米晶的陶瓷材料在具有较高硬度的同时又具有高的断裂韧性和延展性后，用纳米级的WC/Co粉末作原料，生产出的具 有高硬度、高耐磨性和高韧性的硬质合金材料。纳米级硬质合金的出现是硬质合金领域中的一场革命，由于这种合金具有纳米级的显微结构，因此具有极高的硬度和 韧性，从而实现了过去难以达到的力学性能。纳米级硬质合金的问世，为硬质合金在切削刀具，印刷板电路钻头等方面的发展提供了崭新的前景。

习 惯上人们把WC晶粒在1µ左右的合金称为细晶粒硬质合金，把小于1µ而在0.5µ左右的合金称为纳米晶硬质合金。Co含量在10%以下的纳米合金的耐磨性 是普通合金的3～10倍，10%～20%Co的高钴合金，用于电子工业集成电路板的微型钻，其寿命超过高速钢的50倍。随着世界进入电子时代以及各种难加 工材料的问世，纳米硬质合金的需求量愈来愈大，迄今为止世界上已有90多个纳米硬质合金牌号。

1 纳米晶硬质合金显微组织和力学性能

1) 显微组织

纳 米晶硬质合金的显微组织非常细小，决定了其优良的力学性能。但由于纳米粉末的制备方法、烧结工艺不同。其显微组织也各不相同。Jia等在 1350℃烧结用喷雾转化法制备的纳米WC-Co粉末，得到纳米硬质合金WC晶粒尺寸约为70 nm，其晶粒的边界与普通的硬质合金相同，同样是平直的边界。但其位错密度反而明显少于普通的硬质合金。用不同的制备方法来制备的纳米硬质合金粉末，其粉 末的显微结构有很大的不同，如采用化学法合成与机械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是机械球磨使晶粒发生较大的变形，而且堆积大量的位错。尽管烧结时 位错大部分消除，但仍然有很高的位能。

2) 力学性能

随着粘结相自由程的减小，硬质合金的维氏硬度显著提高:当钴粘结相平均自由程为30 mn时，其维氏硬度高达2300kg/mm²以上。而且裂纹扩展阻力也随着提高，相应提高合金的韧性。

3) 刀具切削性能

纳米晶硬质合金制作的刀具产品具有非常优异的使用性能。比如RTW公司制造的印刷电路板纳米硬质合金钻头与普通硬质合金钻头相比较，钻相同数量的微孔时其磨损量小很多。

2 在硬质合金领域，纳米技术的一些开发和应用方向

1) 纳米晶硬质合金的开发

纳 米晶硬质合金的开发可归纳如下几方面:(1)纳米晶硬质合金的研制打破了常规硬质合金生产中的一些定律，即硬度提高必然伴随韧性下降的结论。 (2)研究和开发还处在初级阶段、工艺与技术有待完善和创新，批量生产还有待突破。(3)根据WC-Co的纳米尺度来推断产品的晶粒度和性能的理论已起 步。(4)纳米WC-Co硬质合金材料烧结过程中晶粒长大迅速，材料中很易出现致密度不高、晶粒粗大。有关添加晶粒生长抑制剂防止烧结过程中晶粒疯长的报 导文献较多，但有关低温烧结纳米硬质合金的报导不多。(5)对于纳米材料晶界的研究多为表象研究，尚未形成明确、深刻、系统的理论，而且对于纳米WC- Co硬质合金材料晶界作用机理的研究报道很少。(6)纳米WC-Co硬质合金的烧结工艺的改进和创新，以及对其烧结特性、烧结机理的研究是今后研究的重 点。

纳米晶或纳米结构以下的硬质合金，将是本世纪的开发重点，会是一次技术革命。目前，将是重点对描述纳米晶硬质合金的专业名词术语进行标准化构想，对晶粒尺寸进行预测，能对硬度和磁性能推导出一个理想模型。对一些合适的经验公式讲行规范化整理，晶粒尺寸测量标准化。

未来纳米晶硬质合金的开发，无金属粘接相的合金开发将是热门。具有高度催化制造WC-Co复合超微粉的构造系统将最有前途。纳米晶硬质合金的开发将给人类带来巨大的效益。纳米晶硬质合金的产业化即将来临。

2) 纳米晶硬质合金的应用

纳米WC-Co硬质合金，因其特殊的耐磨蚀、高硬度，以及优异的断裂韧性和抗压强度被广泛应用于现代科技各个领域，己被制成加工集成电路板的微型钻头、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙钻、难加工材料刀具等。其主要应用概括为以下几个方面：

(1) 金属加工当初，亚微细WC硬质合金的开发是为了解决高温合金等难加工材料的切削加工的需要，现代纳米WC硬质合金在强度和韧性方面优于亚微细合金，因而更 适用于高温合金、钛合金、不锈钢、各种喷涂(焊)材料、淬火钢、冷硬铸铁等的加工。纳米WC硬质合金突破了普通硬质合金的抗弯强度远比高速钢低这个局限， 其应用已延伸到高速钢占统治地位的领域。

(2)电子工业电子工业产品的发展趋势是小型化、集成化、精密化。集成电路板材质是环氧树脂粘结 玻璃纤维或玻璃纤维增强的塑料。这就要求微型钻头有很高的硬度和耐磨性; 而钻头直径很小(一般0.2～0.3mm，甚至0.05mm)、易折断，还要求钻头有高的强度和韧性：并且钻孔需要正确的孔位精度，又要求钻头有高的刚度 (弹性模量)，这些要求相互矛盾。致使普通硬质合金以及亚微细晶粒硬质合金钻头都难以满足这些要求，只有用晶粒度小于0.5µm的纳米晶粒硬质合金才行。 又如点阵打印针，其直径仅有0.2-0.35mm；加工集成电路引线的框架用的多工位跳步模，冲头厚度≤0.2mm,误差仅为0.002mm；另外还有印 刷电路板引线切头用的圆片切刀，以及精密的小模具等，都要求使用纳米晶粒WC硬质合金来制作以实现其功能。

(3)木材加工 早在50年代，硬质合金镶尖工具就被用于木材加工行业。而今，各种材质的板材的出现，对加工精度和外观的要求大大提高，高速切割时的离心力、切削力使普通硬质合金难以满足加工要求，于是纳米晶粒WC硬质合金有了用武之地。

(4)医学应用 医用牙钻是精细仪器，其切口必须锋利，而且要求具有很好的耐磨性和韧性，超细晶粒WC硬质合金以其高强度、高韧性和耐磨性在这一领域得到广泛的应用。

(5) 其它应用纳米晶粒WC硬质合金由于其晶粒细小，作刀具可以磨出精度极高、锋利的切削刃和刀尖圆弧半径;因其高强度就可用于制作大前角、小进给量和小吃刀量 的精细刀具，如小直径立铣刀、小铰刀等；因其高弹性模量、抗磨擦磨损性能，可用于制作高精度模具、冲头等；另外还可用于制作高耐磨、耐冲蚀工具，如高压喷 嘴、阀门、高压枪、玻璃刀、纺织品切刀以及磁带、录相带切刀等等。另外科学家们还正在研制圆形刀具、凿岩刀具以及纳米WC-Co基增强复合材料等。因此开 发纳米 WC硬质合金和寻求更为广阔的应用领域成为发展的热点，而制备的关键技术在于纳米原料粉末的制备及随后的烧结过程。减小粒径是提高WC-Co硬质合金性能 (强度、硬度和抗磨性钧的有效途径，因此研制纳米晶硬质合金是下阶段研究者的开发重点，它将大大拓宽WC-Co硬质合金的应用领域，并因此带动各种精密仪 器、模具、刀具及电子通信技术的飞速发展。研制纳米晶或纳米结构的WC-Co硬质合金的关键是探索新型的制粉和烧结工艺，尤其是在抑制晶粒长大方面的研 究，通过精减工艺，降低烧结温度来进一步降低成本，实现纳米WC-Co硬质合金的产业化。

3 发展与展望

在硬质合金生产 中，新技术不断出现。其中微波的应用，就是明显的例证。微波能与粉末物质相互作用，在物质内部产生热。这种热是通过电磁场与物质的分子和电子相互作用而产 生的。德国埃森市维迪亚硬质合金研究所开发了硬质合金的微波烧结技术。匈牙利科学院的研究人员开发了仲钨酸铵的微波干燥和脱水技术。实验研究结果表明，微 波烧结的特点是能激发物料的离子化和诸如交互置换、氧化、相变等物理化学过程，促使物料中的矿物产生结构变化，令烧结反应能在短时间内完成。

纳 米材料制备技术和应用技术是纳米晶硬质合金的制备和应用的基础，因此纳米粉的制备技术一直深受全球的关注，许多国家都在这方面投入了大量的人力和物力。虽 然现在纳米粉的制备方法多种多样，而且还不断有新的制备技术出现，但这些方法都存在这样或那样的不足。这是由于目前纳米技术的研究还过于基础，尤其是纳米 粉的制备特别具有交叉性，需要物理、化学、生物、表面及工程等众多学科的知识，这就要求各学科工作者的共同参与。今后的研究重点应是寻求行之有效的各种高 纯均匀纳米粉的制备方法，并使之工业化。另外，不管搞什么科技研究与开发最终的目标都是服务于社会，所以开发与推广纳米粉的应用也是今后工作的重点。实验 装备和技术的革新与改进是完善纳米粉制备技术的手段，制备工艺与方法的发展与成本的降低是增强纳米粉应用的前提，应用技术的开发是纳米粉服务于社会的途 径。相信在不久的将来会有更完善、更有效的纳米粉制备技术出现，会有大量结构合理、性能优异的纳米粉应用于实践。

我国的钨和稀土矿资源十 分丰富，钨是生产硬质合金的主要原料。我国是硬质合金生产大国，但其产品平均售价比国外发达国家约低1～2倍，大部分产品仍属于低技术含量和低附加值的初 级产品。纳米晶硬质合金材料，具有优异的力学性能，是目前国内外材料研究和开发的热点之一，也是硬质合金工业发展的重要方向。但是，纳米粉末在烧结过程中 容易长大，致使获得纳米晶粒的硬质合金变得困难。在硬质合金中添加微量稀土元素，不仅可以抑制烧结过程中合金的晶粒长大，而且还能改善合金的力学性能，从 而进一步提高其产品使用寿命。因此，充分利用好我国的钨矿和稀土矿资源，研究和开发纳米稀土硬质合金粉末材料，对提高我国硬质合金工业生产技术水平，开发 高质量高附加值的深加工硬质合金产品，具有十分重要的意义。
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本文通过对小音箱前面板模具的凸模进行三维造型和数控加工的研究，给出了型面三维造型和数控加工技术相结合在模具制造中的应用步骤。造型设计与数控加工有机的结合，对小型模具加工将是很好的选择。

在模具制造中，三维型面的加工一直是一个难点。在传统的加工中，三维型面一直采用大量的研修来实现，这样就必然影响模具的质量和加工效率。如果
能将型面三维造型和数控加工技术相结合，就能够大大提高工作效率和模具质量。

模具型面三维造型和数控加工技术是现代化模具生产中不可缺少的一部分，也是CAD/CAM技术在模具生产中应用的核心内容。对模具型面造型和数控加工技术进行研究，具有重要的理论和现实意义。

小音箱前面板的模具，凸凹模形状复杂，造型困难，传统的加工甚至难以实现，即使能够实现也不能保证精度，加工效率极低。本文将利用MasterCAM9.0对小音箱前面板模具的凸模进行三维造型和数控加工研究。

一、小音箱前面板凸模的加工造型设计

小音箱前面板模具，如图1所示。

利用产品曲面模型进行靠破孔填充生成小音箱前面板凸模，造型设计步骤如下：

(1)打开预先作好的小音箱前面板文件；
(2)选择 Main Menu命令回主菜单；
(3)选择Create/surface/trim/extend/fill holes命令，填充靠破孔；
(4)选择Main Menu命令回主菜单；
(5)选择Xform/Rotate/All/Entities命令，旋转所有几何图形；
(6)选择Main Menu 命令回主菜单；
(7)选择create/curve/One edge命令，绘制曲面的一条边界；
(8)选择Main Menu 命令回主菜单；
(9)选择子菜单中的Level命令，系统弹出图层设定对话框，关闭第2～4层，单击OK按钮；
(10)选择Modify/trim/2entities命令，进行两物体修剪；
(11)选择Main Menu命令回主菜单；
(12)选择Xform/Ofs ctour 命令，进行串联偏移；
(13)选择Main Menu命令回主菜单；
(14)选择Create/Surface/Trim/Extend 命令，进行曲面修剪延伸；
(15)选择Main Menu命令回主菜单；
(16)选择子菜单中的Level命令，系统将弹出图层设定对话框，打开第2～4层，单击“OK”按钮，凸模结果如图1所示。

二、小音箱前面板凸模的轨迹生成及虚拟加工

加工前的准备：把图形中心点移到坐标原点，图形最高点移到Z=0处。

1.采用Φ20的圆鼻刀对凸模45°平行粗加工，预留量为1

粗加工步骤如下:

(1)单击顶部工具栏中的俯视构图面按钮；
(2)选择Toolpaths/Surface/Rough/Parallel命令，进行曲面平行粗加工；
(3)选择Boss命令，进行凸体曲面平行粗加工；
(4)选择All/Surface命令，对所有曲面进行平行粗加工；
(5)选择Done命令执行；
(6)系统弹出的曲面平行粗加工对话框，在刀具栏空白区内单击鼠标右键，在弹出的菜中选择[Get Tool Form Library]命令，系统弹出刀具库对话框，选择一把φ20的圆鼻刀，单击“Ok”按钮；
(7)在刀具参数设定对话框内，选择[Parameters]选项卡，输入相关参数，单击Ok按钮；
(8)选择曲面平行粗加工对话框中的[Surface Parameters]选项卡，输入相关参数；
(9)选择曲面平行粗加工对话框中的[Rough Parallel Parameters]选项卡，输入相关参数，单击“确定”按钮；
(10)选择Done命令；
(11)系统产生平行粗加工刀具路径；
(12)选择Backup命令，返回上一层菜单；
(13)选择Job Setup命令，进行工件参数设定，在弹出的工件参数设定对话框中输入工件设定参数，单击“Ok”按钮；
(14)选择Operations命令，系统弹出加工操作管理对话框；
(15)单击Verify 按钮，进行实体加工模拟，系统弹出实体加工模拟播放对话框，单击执行按钮，Φ20的圆鼻刀对凸模平行粗加工；
(16)单击实体加工模拟播放对话框右上角的关闭按钮，关闭实体加工模拟。

2.采用Φ20的平铣刀对凸模45°浅平面精加工

主要步骤如下：

(1)选择Surface/Finish/Shallow命令，进行曲面浅平面精加工；
(2)选择All/Surfaces命令，对所有曲面进行浅平面精加工；
(3)选择Done 命令执行；
(4)系统弹出曲面浅平面精加工对话框，在刀具栏空白区内单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择[Get Tool From Library]命令，系统弹出刀具库对话框，选择一把φ20的平铣刀，单击“Ok”按钮；
(5)在刀具参数设定对话框内，选择[Parameters]选项卡，输入刀具参数，单击“Ok”按钮；
(6)选择曲面浅平面精加工对话框中的[Surface Parameters]选项卡，输入参数；
(7)选择曲面浅平面精加工对话框中的[Finish Shallow Parameters]选项卡，输入参数，单击(确定)按钮；
(8)选择Done命令执行；
(9)单击顶部工具栏中的屏幕刷新按钮，系统产生浅平面精加工刀具路径；
(10)选择Backup命令，返回上一层菜单；
(11)选择Operations命令，系统弹出加工操作管理对话框；
(12)实体加工模拟同上。

3.采用Φ6的球头刀对凸模45°平行精加工

(1)选择Surface/Finish/Parallel 命令，进行曲面平行精加工；
(2)选择All/Surfaces命令，对所有曲面进行平行精加工；
(3)选择Done命令执行；
(4)系统弹出曲面平行精加工对话框，在刀具栏空白区内单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择[Get Tool From Livrary]命令，系统弹出刀具库对话框，选择一把φ6的球头刀，单击“Ok”按钮；
(5)在刀具参数设定对话框内，选择[Parameters]选项卡，输入参数，单击“Ok”按钮；
(6)选择曲面平行精加工对话框中的[Surface Parameters]选项卡，输入参数，单击[Check Surface/Solid]选项中的[Select]按钮，按组合键Alt+T关闭刀具路径显示，选择Add命令，选择如图2所示的平面p27为干涉面；

图2 干涉面选择

(7)选择Done命令，结束干涉面选择；
(8)选择Done命令执行，系统返回曲面平行精加工对话框；
(9)选择曲面平行精加工对话框中的[Finish Parallel Parameters]选项卡，输入的参数，单击[确定]按钮；
(10)选择Done 命令执行；
(11)按组合键Alt+T打开刀具路径显示，系统产生如图3所示的平行精加工刀具路径；
(12)选择Backup命令，返回上一层菜单；
(13)选择Operations命令，系统弹出加工操作管理对话框；
(14)单击Select All 按钮，即选择所有的加工操作；
(15)单击Verify按钮，进行实体加工模拟，系统弹出实体加工模拟播放对话框，单击执行按钮，Φ6的球刀对凸模平行精加工结果如图3所示；
(16)单击Post按钮，自动生成全部加工程序(限于篇幅程序略)。

图3 总刀具加工路径

三、程序修改、程序传输和数控加工

1. 程序修改

CAD/CAM在加工中心上的应用是以程序为纽带的，而生成的NC程序，有的指令或符号往往与加工中心或数控机床不兼容，这就需要根据采用的系统进行程序修改。我们采用的是SIMENS802D系统，对生成的程序作如下修改：

(1)将生成的NC程序中的半径符号R，改为CR=；
(2)根据零件的实际要求和机床的实际情况，对主轴速度S、进给率F、有无切削液等参数进行适当修改；
(3)生成的NC程序有很多说明性的部分(在括号内的部分)，这可以增加程序的可读性，便于操作员管理程序，在不影响加工结果的情况下也可删去。

2. 程序传输

数控程序的传输可以利用CAD/CAM软件的通信功能，通过接口与数控机床进行通信，也可以通过专用的通信软件，如DNC软件进行传输。本例采用软件的方式传输。

通过控制系统的RS232接口，可以从机床中读出数据并传输到外部设备中，同样，也可以从外部设备把数据再读入到机床中。

读入操作步骤：

(1)打开“程序管理器”，进入NC程序主目录；
(2)按“读入”键，按此键通过RS232接口装载零件程序；
(3)在PC机上选定程序，按“回车”键；
(4)按机床上的“启动”键，用此键启动输入过程。

3．数控加工

根据工件的特点和机床的情况，选用压板夹具夹紧毛坯，再进行合理的对刀，启动机床运行程序，即可完成加工。

四、结束语

为 了提高模具的质量、精度和生产效率，人们在模具生产过程中越来越广泛地使用CAD/CAM设计和CNC数控加工相结合的制造方式。如何使模具结构更合 理，数控加工效率和精度更高，一直是模具设计和制造人员努力研究的方向。特别是对三维型面的造型和加工，传统的造型和加工方法很难实现，即使能够实现效率 和精度也很低，因此将造型设计与数控加工有机地结合起来，对小型模具加工将是很好的选择。

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随着“镁合金应用开发与产业化”项目的深入实施，企业在实际生产中出现了不少问题，如工艺和安全方面的问题，这是因为国内大多数镁合金压铸企业第一次接触镁合金。因此，本文将对镁合金压铸零件的机械加工工艺及安全操作规程进行了概括性的介绍，以供参考。

1 镁合金的机械加工

密度为1.8g/cm3的镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%，被公认为是质量最小的结构
金 属材料。小批量镁合金零件的机械加工可在手动操作的小型机床上进行；大批量高效率加工镁合金零件时，采用专用的大型自动化机械加工中心或计算机数控机床将 更加经济。与那些机械加工性能较差的金属材料相比，切削性能良好的镁合金具有十分突出的优点。对于镁合金，可以在高切削速度和大进给量下进行强力切削，这 样机加工工时数就可以减少。因此，在完成同样的工作任务时，若采用镁合金作原材料，可以减少加工设备的台数，节约基建投资，减少占地面积，降低劳动力成本 和管理费用。

1.1 镁合金的切削功率消耗

对镁合金零件进行加工时，单位体积切削量的功率消耗比其他常见金属都要低。在几种典型的切削加工速度下，各种金属相对于镁的功率消耗如表1所示。

由于镁合金导热性好、切削力小，故在加工过程中的散热速度很快，因而刀具寿命长，粘刀量少，从而可以降低刀具费用，缩短更换刀具所需的停机时间。因为镁合金易切削，其断屑性能十分良好，一般清况下只需经过一次精加工便可达到所要求的最终表面粗糙度。

1.2 镁合金材料对加工性能的影响

1.2.1 对切屑形成的影响

在 机械加工过程中所形成的切屑类型，与材料成分、零件形状、合金状态及进给速度等因素相关。当采用单刃刀具进行镁合金的车、膛、刨、铣时，所产生的切屑可 以分为3大类:a.在大进给量下形成粗大和断屑良好的切屑:b.在中等进给量下形成长度短和断屑良好的切屑；c.在小进给量下形成长而卷曲的切屑。

1.2.2 对扭曲变形的影响

由于镁的比热高、导热性良好，摩擦产生的热量会迅速地扩散到零件的各个部分，因此对镁合金进行切削加工时并不会产生较高的温度。但是，在高切削速度和大进给量的情况下，零件所产生的热量也是相当高的，很可能因为温度过高而发生扭曲变形。

1.2.3 对热膨胀的影响

如果对成品零件的尺寸公差要求比较严格，则在设计中必须考虑到镁的热膨胀系数这一影响因素。如果在上述加工条件下产生了相当多的热量，则很可能会影响到零件的加工精度。镁的热膨胀系数略高于铝，明显高于钢，在20200℃范围内为26.6-27.4μ m/m℃。

1.2.4 对冷变形的影响

在机械加工过程中，镁合金零件很少发生因为冷变形引起的扭曲变形或翘曲。但刀具太钝、进给速度太慢以及刀具在加工过程中有停顿等不利因素时，也可能造成扭曲变形或翘曲。

1.3 刀具对镁合金零件机械加工的影响

1.3.1 刀具材料的影响

加工镁合金的刀具材料的选择取决于所需完成的机加工作量。小批量加工时，一般使用寿命特别长的普通碳钢刀具；大批量加工时，通常优先选用镶嵌硬质合金的刀具；当加工批量大和公差要求很严时，可以使用成本较高的镶金刚石刀头来省去繁琐的复位补偿调整工作。

1.3.2 刀具设计

加工钢和铝的刀具通常也适合于镁合金的加工。但是，由于镁的切削力小，热容量也相当低，故其加工刀具应当具有较大的外后角、较大的走屑空隙、较少的刀刃数和较小的前角。另外，保证刀具的各个表面很平滑也是十分重要的。

1.3.3 刀具刃磨

对镁合金进行机械加工的一条重要原则是，应当使刀具保持尽可能高的锋利和光滑程度，必须没有划伤、毛刺和卷刃。如果刀具切削过其他金属，即使切削角没有改变，也应进行重新刃磨和晰磨。

刀 具初磨可采用中等粒度的砂轮，然后使用精细粒度的砂轮进行刃磨，并在必要时再用细油石或超细油石进行手工珩磨。对于高速钢刀具，采用100目的 氧化铝砂轮进行精磨即可获得满意的效果；对于刃磨镶嵌硬质合金的刀具，一般采用320目的碳化硅砂轮或200300目的金刚石砂轮。

1.4 切削液对机械加工的影响

切削液有两大功能即冷却和润滑。由于镁的散热速度很快，可使被加工表面保持在较低的温度水平上，此外镁的易切削性使其不易与钢发生胶合，切削加工时一般不需要润滑。

加 工镁合金零件时，无论用高速或低速的切削速度，用或不用切削液，都可以获得平滑的加工表面，而使用切削液主要是为了冷却工件，尽可能减少零件发 生扭曲变形及切屑着火的可能性。因此，在镁合金零件的机械加工中，切削液一般被称作冷却液。在生产批量很大时，冷却液是延长刀具寿命的因素之一。

冷却液一般使用的是矿物油。矿物密封油和煤油已被成功地用作镁合金加工的冷却液。为了达到更好的冷却效果，切削油应当具有较低的粘度。为了防止镁合金零件腐蚀，切削液中的游离酸含量应低于0.2%。

2 机械加工安全操作规程

2.1 机械加工过程中的不安全因素

在 对镁合金进行机械加工的过程中，产生的切屑和细粉末都有燃烧或爆炸的危险。初加工阶段产生的切屑尺寸较大，由于镁的导热率很高，产生的摩擦热可 迅速散失出去，故难以达到燃点温度，此阶段事故发生较少。但在精加工阶段，由于所产生的细小切屑和细粉末具有很大的比表面积，因而很容易达到引燃温度而造 成燃烧或爆炸事故。

在镁合金的加工过程中，使切屑升温到达闪点或燃烧的影响因素如下。

a.加工速度与切削速率之间的关 系。在任何一组给定条件下，都存在一个可能引起燃烧的加工速度和进给速率范围。进给速率提高，切屑厚度增大，从而 更不容易达到燃点温度。加工速度只要足够低，任何尺寸大小的切屑都不可能被引燃。如果加工速度足够高，由于切屑与刀具的接触时间很短，故不可能将任何尺寸 大小的切屑加热到引燃温度。
b.环境的相对温度。相对温度越高，则失火的可能性越大。
c.合金的成分与状态。与多相合金相比，单相合金更不容易失火。合金状态越均匀，则失火的可能性越小。
d.其他因素。进给速率或吃刀量太小；加工过程中的停顿时间过长；刀具的后角和容屑空间过小；在没有使用切削液的情况下采用了很高的切削速度；刀具与嵌套在铸件中的异种金属芯衬相撞时可能产生火花；镁切屑在机床周围或下方积聚等。

2.2 机械加工的安全操作规程

a.切削工具要保持锋利，并磨出较大的后角与离隙角；不允许使用钝的、粘有切屑的或破裂的刀具。
b一般情况下，尽量使用大进给量进行加工，避免使用微小的进给量，以产生较大厚度的切屑。
c.不要让刀具中途停顿在工件上。
d.使用微小切削量时，要使用矿物油冷却液来减少降温。
e.如果镁合金零件中有钢铁芯衬时，要避免与刀具相碰产生火花。
f.保持环境整齐、干净。
g.严禁在机加工工作区内吸烟、生火、电焊。
h.工作区域内应存放足量的灭火器材。

2.3 磨削加工中的安全问题

镁粉很容易燃烧，悬浮在空气中时会引起爆炸。应采取一切可能的措施，确保镁磨削粉尘的正确收集与处置。

在对镁合金零件进行干法磨削时，必须用设计得当的湿法吸尘系统将镁渣立即从工作区域中清除出去。吸尘器与磨床之间的连接管应当短而直，吸尘器应保持清洁，并将其排风口设在室外。需及时将吸尘器中的镁渣清理出去，以防止其过多积聚。在对淤渣进行处理之前，应将其保存在水中。

随时保持工作环境的整洁，对于保证磨削镁合金零件的安全至关重要。每天必须对砂轮与吸尘器之间的连接管进行至少一次检查和清理，每个月应对整个吸尘系统至少进行一次彻底的清理。不得让镁粉聚集在座椅、窗户、管路和其他水平面上。

不应将太多的吸尘设备与一个集中排放系统相连接。干燥管路很长的中央吸尘系统和带过滤器的普通吸尘系统，都不适合于收集镁粉。

如果要在带式打磨装置或圆盘式磨床上对镁合金零件进行湿法磨削，应当使用足量的切削液来收集所有粉尘，并将其输送到收集点。
因此，对镁合金零件进行磨削加工时必须采取下列预防措施。

a.必须有专门用于镁合金零件加工的磨床，并贴上“镁专用”标签。在对砂轮进行修整之前，应对吸尘器做彻底清理。
b.对用铬酸盐蚀洗过的镁合金零件表面进行返工磨削时，有可能引起火花，因此要特别小心，绝不允许有粉尘聚集在附近。
c.磨削设备操作人员应当使用平滑的帽子、平滑的手套与无口袋和袖口的平滑阻燃服，所用的围裙或防护服应当清洁无尘和易于脱下。
d.警告标志应当放置在显眼的地方。
e.工作区域内应存放足量的灭火器材。

2.4 镁屑与微细粉末的处理

干燥切屑应放置在清洁和密封的钢制容器中，并存放在不会与水接触的地方。

湿切屑与淤渣应存放在置于偏僻处的通风钢制窗口中，且必须有足够的通风量，以便使氢气逸出。把湿的切屑和细粉末装在盖紧的容器中特别危险，因为高浓度的氢气集聚易发生爆炸。

目 前，镁屑、镁粉末与淤渣的常用处理方法是，用5%的氯化铁溶液进行溶解(一般1kg干燥镁使用0.6kg氯化铁)，可在数小时内使绝大多数镁转 化成不燃烧的氢氧化镁和氯化镁残渣。由于在这种反应中会产生氢气，故应在室外的敞开容器中进行处理，并严禁在反应器的周围生火吸烟或焊接作业。在配制5% 的氯化铁溶液时，应将淤渣中的水考虑进去。

2.5 镁屑燃烧的灭火

a.D级灭火器。其材料通常使用氯化钠基粉末或一种经过钝化处理的石墨基粉末，其原理是通过排除氧气来闷熄灭火。
b.覆盖剂或干砂。小面积着火可用其覆盖，其原理也是通过排除氧气来闷熄灭火。
c.铸铁碎屑。在没有其他好的灭火材料的情况下也可用之，主要作用是将温度降到镁的燃点以下，而不是将火闷熄。

总之，无论在什么情况下，都不能用水或任何其他标准灭火器去扑灭由镁引起的失火。水、其他液体、二氧化碳、泡沫等都会与燃烧着的镁起反应，并且是加强火势而不是抑制火势。

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摘　要：研究了真空热处理对硬质合金性能的影响，硬质合金刀片和冲模热处理后均得到整体强韧化，特别是抗弯强度σbb明显提高。通过生产试验，能成倍提高使用寿命。
关键词：硬质合金；真空热处理；强韧化；抗弯强度

1 前言

硬质合金作为机械、矿山、电子、标准件等行业的工模具材料，虽然具有高硬度、耐磨、耐腐蚀等优良性能，但在矿山钻采和金属切削刀具
的 使用中，普遍存在的因韧性差导致严重崩刃脆断和早期磨损失效两大难题，限制了它的使用范围，特别在受冲击载荷的场合，如矿山凿岩、地质钻探、冷冲冷锻、粗 铣等工模具材料中，不仅要求高硬度、耐磨，重要的还需要整体强韧性好。近十几年来，我们对硬质合金热处理作了比较系统的研究。80年代末，研制出新一代矿 山用硬质合金，已得到了广泛应用［1］，取得了显著的经济效益和社会效益。为了进一步拓宽与开发热处理硬质合金的使用领域，形成热处理硬质合金系列化，是 今后研究的方向。这里重点对铣削和冲模用硬质合金的真空热处理进行了研究，并获得明显的效果。

2　试验方法

2.1　热处理方式

以 前，硬质合金热处理方式是仿效钢材的热处理，即在硬质合金制品烧结后，再进行二次升温淬火，然后回火。而今我们用一种新的热处理方式来取代它，这种方式就 是烧结淬火，即产品烧结后，不随炉冷却至室温，而是在烧结温度或冷却到一定的温度直接淬火，免去二次升温过程，从而达到省时、省力、降低能耗及提高效率的 目的。

2.2　原料及合金牌号

本试验配制两种系列硬质合金：

①模具系列：YG15C、YG20C；
②铣削系列：YG6、YG8、YS30、YT14、YT5、YW2。

还配制了作某些条件对比试验用YG6C、YG8C、YG15合金。

配制以上合金所用WC、（TiW）C及Co粉均取自株洲硬质合金厂。

2.3　试验设备

硬质合金配料混合及压制直至脱蜡均采用常规生产设备，烧结淬火在WZS-20型和WZS-45型真空烧结淬火两用炉中进行。

在WZS-20炉做工艺试验，在WZS-45炉进行工业生产应用。两台真空炉均可完成真空烧结、真空淬火、气冷淬火等多种工艺。淬火工艺的全过程可按预先给定的程序自动进行，还可手动操作。

3　试验内容

常规检测项目采用的标准试样是5mm×5mm×30mm抗弯强度试样，用A116刀片测试合金密度、硬度和矫顽力。压制好的试样，经脱蜡后，做以下试验。

3.1　两种热处理方式的对比

分别对YG15C和YT14合金进行了烧结后二次升温淬油和烧结后直接淬油，两种热处理方式对比试验。

在两种热处理方式中，各取一个效果最佳的工艺对YG6、YG8、YG11C、YG15C、YG20C、YS30、YT14、YT5、YW2合金进行处理，试验结果均为经回火后的最后检测结果，见图1（抗弯强度增量为与烧结态对比的相对增量，以下各图均同）。

从图1可见，直接热处理是可行的，用该方法处理WC-（TiW）C-Co合金优于二次升温热处理。

图1　各合金牌号两种热处理方式对比试验结果
1.烧结后直接油淬　2.烧结后二次升温油淬

3.2　不同淬火介质试验

硬质合金真空淬火采用油淬和气淬。气淬选用氮气，比较经济。图2、图3为YG8、YW2合金经不同介质淬火后的效果。

图2　YG8合金经不同介质淬火增量后抗弯强度
1.油淬　　2.气淬

图3　YW2合金经不同介质淬火增量后抗弯强度
1.油淬　　2.气淬

从 图2可见YG8合金直接油淬比直接气淬抗弯强度增量明显，而从图3可见，YW2合金直接气淬比直接油淬抗弯强 度增加明显。因此，不同牌号的合金应采用不同的淬火介质，即不同的合金，要求不同的淬火冷却速度，以使合金中W、C在钴相的溶解量和钴相的马氏体转变以及 由于合金各组分的热膨胀系数不同所导致的热应力达到最佳组合。

3.3　不同钴含量合金的对比

图4为不同钴含量的合金热处 理后抗弯强度的比较。图4表明，热处理后的合金抗弯强度的最大值随合金中钴含量的升高而升高，这与热处理使钴相强韧化 的机理相一致，并随着钴含量的升高，合金抗弯强度峰值对应较高的最佳淬火温度（Tq）。Tq升高的趋势是由于钴含量增加，合金的应变松弛能力增强，从而使 W、C在钴相中的溶解量、钴相马氏体相变及热应力的最佳组合温度升高。

图4　不同钴含量合金热处理效果比较
1.YG15C　2.YG11C　3.YG6C　4.YG8

3.4　淬火温度

硬质合金真空烧结淬火工艺，在热处理方式、淬火介质确定以后，淬火温度的选择就至关重要。从上述试验看出，合金牌号不同，最佳淬火温度（Tq）也不同。Tq主要取决于合金的成分（如图4），随着钴含量增加，Tq趋于升高，通过反复试验最后确定Tq。

3.5　回火温度的选择

由 于硬质相（WC）与粘结相Co的膨胀系数相差约3倍，故淬火后的合金内部存在应力，这种应力可能导致合金产生择回火温度（Tt）主要考虑两点，一是尽量 消除合金的应力，另外是使钴相的析出降到最低。因此，回火温度应该是选择两者俱佳的温度。在低温阶段回火，随着Tt升高，抗弯强度增大。这时的回火主要是 要消除应力过程，而Co相析出物很少。根据Co相析出强化原理，微量Co析出物导致弥散强化。但随着Tt的继续升高，Co相析出物增多，合金矫顽力迅速增 加，析出产物如Co3W3C、Co7W6、Co3W、Co7W2为脆性相，使合金组织结构严重恶化，故使抗弯强度急剧下降。因此，对低钴和中钴合金，Tt 应选择高一些，高钴合金Tt应选择较低。如图5所示，YG15合金回火时间在4～30h之间，抗弯强度、硬度及矫顽力都变化不大，因此，延长回火时间意义 不大。

图5　回火时间对YG15合金性能的影响
（以烧结态为基准）

4　生产试验

4.1　切削刀具

生 产试验表明，所有牌号的硬质合金刀片经热处理后其性能明显优于烧结态，其使用寿命倍增，见表1所示。如北京内燃机厂试验的热处理刀片其耐磨性、韧性和使 用寿命明显提高。所有试验单位的现场操作人员都反映硬质合金热处理刀片较之未热处理的刀片光洁度高，耐用度好，使用寿命长。

表1　硬质合金刀片现场铣削试验结果

*每刃加工时间　1＃　2＃为不同热处理制度4.2　冲模

上 海钢球厂是我国较大的钢球生产专业厂，对19／32″规格的钢球冲模进行了试验，经热处理比未热处理模具寿命提高1倍以上，比原用Cr12Mo钢模寿命 提高10倍。目前用的钢模寿命短、工效低，因此，又试制了3套11／16″规格的模具，热处理比未热处理的模具寿命提高4.2倍，比Cr12钢模提高十几 倍。现场试验结果见表2，热处理后的硬质合金模具的寿命普遍提高。

表2　硬质合金钢球冲模现场试验结果

5　结论

（1）　使用WZS-20和WZS-45型真空烧结淬火炉能够实现硬质合金烧结后直接淬火，省时、省力、节能降耗。

（2）　各种用途的硬质合金经适当的工艺热处理，其性能均能不同程度地提高，铣削和冲模用硬质合金经热处理后，可以成倍提高使用寿命。

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1 范围

本标准规定了低压和中压锅炉用无缝钢管的尺寸、外形、重量、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志和质量说明书。

本标准适用于制造各种结构低压和中压锅炉及机车锅炉用的优质碳素结构钢热轧（挤、扩）和冷拔（轧）无缝钢管。

2 引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

GB/T222—1984 钢的化学分析用试样取样法及成品化学成分允许偏差

GB/T223.5—1997 钢铁及合金化学分析方法 还原型硅要钼酸盐光度法测定酸溶硅含量

GB/T 223.12—1991 钢铁及合金化学分析方法 碳酸钠分离-二苯碳酰二肼光度法测定铬量

GB/T 223.19—1989 钢铁及合金化学分析方法 新亚铜灵-三氯甲烷萃取

GB/T 223.23—1994 钢铁及合金化学分析方法 丁二酮肟分光光度法测定镍量

GB/T 223.62—1988 钢铁及合金化学分析方法 乙酸丁酯萃取光度法测定磷量

GB/T 223.63—1988 钢铁及合金化学分析方法 高碘酸钠（钾）光度法测量锰量

GB/T 223.69—1997 钢铁及合金化学分析方法 管式锅炉内燃烧后气体容量法测定碳含量

GB/T 223.72—1991 钢铁及合金化学分析方法 氧化铝色层分离-硫酸钡重量法测定硫量

GB/T 226—1991 钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法

GB/T 228—1987 金属拉伸试验方法

GB/T 241—1990 金属管液压试验方法

GB/T 242—1997 金属管 扩口试验方法

GB/T 244—1997 金属管 弯曲试验方法

GB/T 245—1997 金属管 卷边试验方法

GB/T 246—1997 金属管 压扁试验方法

GB/T 699—1999 优质碳素结构钢

GB/T 2102—1988 钢管的验收、包装、标志和质量说明书

GB/T 5777—1996 无缝钢管超声波探伤检验方法

GB/T 7735—1995 钢管涡流探伤检验方法

GB/T 12606—1999 钢管漏磁探伤方法

GB/T 17395—1998 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差

YB/T 5222—1993 优质碳圆管坯

3 尺寸、外形、重量

3.1 外径和壁厚

3.1.1 钢管的外径、壁厚及理论重量应符合GB/T 17395—1998表1的规定。

经供需双方协商，可供应GB/T 17395—1998表1规定以外规格的钢管。

3.1.2 外径和壁厚的允许偏差应符合表1的规定。

当需方要求按高级精度供货时，应在合同中注明。

经供需双方协商，并在合同中注明，可生产表1规定以外偏差的钢管。

表1 外径和壁厚的允许偏差

3.2 长度

3.2.1 通常长度

钢管的通常长度规定如下：

热轧（挤、扩）钢管……………………………………………………………4000～12000mm；

冷拔（轧）钢管…………………………………………………………………4000～10500mm。

经供需双方协商，可交付长度不短于3000mm的钢管，但其重量不得超过该批钢管交货总重量的5%。

3.2.2 定尺长度和倍尺长度

定尺长度和倍尺长度应在通常长度范围内，全长允许偏差为mm。

每个倍尺长度按下述规定留出切口余量：

外径≤159mm……………………………………………………………………5～10mm；

外径＞159mm……………………………………………………………………10～15mm。

3.2.3 范围长度

范围长度应在通常长度范围之内。

3.3 弯曲度

钢管的弯曲度不得大于如下规定：

壁厚≤15mm……………………………………………………………………1.5mm/m；

壁厚＞15mm……………………………………………………………………2.0mm/m；

外径≥351的热扩管…………………………………………………………3.0mm/m。

3.4 端头外形

钢管的两端端面应与钢管轴线垂直，切口毛刺应予清除。

3.5 不圆度和壁厚不均

根据需方要求，经供需双方协商，并在合同中注明，同一截面钢管的不圆度和壁厚不均应分别不超过外径和壁厚公分的80%。

3.6 交货重量

钢管的交货重量应符合GB/T 19395的规定。钢的密度按7.85kg/dm^3计算。

3.7 标记示例

用牌号为10号钢制造的外径76mm、壁厚3.5mm的钢管：

a）热轧钢管，外径和壁厚为普通级精度，长度为3000mm倍尺

10-76×3.5×3000倍—GB 3087—1999

b）冷拔（轧）钢管，外径为高级精度，壁厚为普通级精度，长度为5000mm

冷10-76高×3.5×5000倍—GB 3087—1999

4 技术要求

4.1 钢的牌号和化学成分

4.1.1 钢管用牌号为10号、20号的钢制造，化学成分（熔炼分析）应符合GB/T 699的规定。钢管按烯炼成分验收。

4.1.2 如需方要求进行成品分析时，应在合同中注明。

成品钢管的化学成分允许偏差应符合GB/T222的规定。

4.2 制造方法

4.2.1钢的制造方法

钢应采用电炉、氧气转炉或平炉方法制造，需方指定某一制造方法时，应在合同中注明；直接采用连铸坯制管的钢必须经过炉外精炼。

4.2.2 管坯的制造方法

管坯可用热轧方法制造，也可采用连铸坯或钢锭。热轧管坯应符合YB/T 5222的规定。

4.2.3 钢管的制造方法

钢管可采用热轧（挤、扩）或冷拔（轧）无缝方法制造。需方指定某一种制造方法时应在合同中注明。

4.3 交货状态

钢管应以热轧或热处理状态交货。热轧状态交货的钢管终轧温度应不小于Ar3。

4.4 力学性能

4.4.1 交货状态钢管的纵向力学性能应符合表2的规定。

表2 钢管的纵向力学性能

4.4.2 用于中压锅炉过热蒸气管用钢管的高温瞬时性能（σ）应符合表3的规定，需方在合同中应注明钢管的用途。

根据需方要求，经供需双方协商，并在合同中注明试验温度，供方可提供钢管的实际高温瞬时性能数据。

表3 钢管在高温下的屈服强度最小值（σ）

4.5 工艺试验

4.5.1 液压试验

钢管应逐根进行液压试验，试验压力按式（1）计算（10号钢最在试验压力为7MPa，20号最大试验压力为10MPa），稳压时间不得少于5s。在试验压力下，钢管不得出现渗漏。

…………………………………………………………（1）

式中：P—试验压力，MPa；

S—钢管的公称壁厚，mm；

D—钢管的公称外径，mm；

R—允许应力，为表2规定屈服点的60%，MPa。

供方可以用涡流探伤代替液压试验。经供需双方协商，也可用超声波探伤或漏磁探伤代替液压试验。用涡流探伤时应采用GB/T 7735—1994的A级孔；用超声波探伤时，对比样管外表面纵向缺口槽深度等级应符合GB/T5777—1996中C8的规定；用漏磁探伤时，对比样管 外表面纵向缺口槽应符合GB/T 12606—1999中N12.5的规定，最小深度为0.5mm，最大深度为1.5mm。

4.5.2 压扁试验

外径大于22mm至400mm，并且壁厚不大于10mm的钢管应进行压扁试验，钢管压扁后平板间距离按式（2）计算：

………………………………………………（2）

式中：H——平板间距离，mm；

S——钢管的公称壁厚，mm；

D——钢管的公称外径，mm；

a——单位长度变形系数，为0.08，当S/D≥00.125时，为0.07。

压扁试验后试样上不得出现裂缝或裂口。

4.5.3 卷边试验

根据需方要求，经供需双方协商，并在合同中注明，用10号钢制造的钢管可进行卷边试验。

卷边宽度（由内壁量起）不得小于公称内径的12%，亦不得小于公称壁厚的1.5倍，卷边角为90°，卷边后在试样卷边外不得出现裂缝或裂口。

4.5.4 扩口试验

根据需方要求，经供需双方协商，并在合同中注明，壁厚不大于8mm的钢管可进行扩口试验，顶心锥度为30°、45°或60°中的一种。扩口后试样上不得出现裂缝或裂口。

扩口后试样外径扩口率应符合表4的规定。

表4 钢管外径扩口率

4.5.5 弯曲试验

外径不大于22mm的钢管应进行弯曲试验，弯曲角度为90°，弯心半径为钢管外径的6倍。弯曲处不得出现裂缝或裂口。

根据需方要求，经供需双方协商，并在合同中注明，机车锅炉用钢管可进行弯曲试验。弯曲角度及弯心半径由供需双方协商。

4.6 低倍检验

采用连铸坯或钢锭直接制造的钢管，供方应保证钢管或坯料的横截面酸浸低倍组织试片上无白点、夹杂、夹渣、翻皮、分层和皮下气泡。

4.7 表面质量

钢管的内外表面不允许有裂纹、折叠、轧折、结疤、离层，这些缺陷应完全清除。清除深度不得超过公称壁厚的负偏差，其清理处实际壁厚不得小于壁所允许的最小值。

直道允许深度：

冷拔（轧）钢管：不大于壁厚的4%，最大深度为0.3mm；

热轧（挤、扩）钢管：不大于壁厚的5%，最大深度为0.5mm。

深度不超过壁厚负偏差，并且剩余壁厚不小于壁厚允许的最小值的其他缺陷允许存在。

4.8 无损检验

根据需方要求，经供需双方协商，并在合同中注明，钢管可逐根进行超声波检验，对比样管外表面纵向缺口槽深度等级应符合GB/T 5777—1996中C8的规定。

5 试验方法

5.1 钢管尺寸应采用符合精度要求的量具逐根进行测量。

5.2 钢管的内外表面应逐根进行目视检查。

5.3 钢管的其他检验项目应符合表5的规定。

表5 钢管的检验项目、取样数量和试验方法

6 检验规则

6.1 检查和验收

钢管的检查和验收应符合GB/T 2102的规定。

6.2 组批规则

钢管按批进行检查和验收。每批应由同一牌号、同一炉（罐）号、同一规格和同一热处理制度（炉次）的钢管组成。

从倍尺长无缝钢管截取的所有管段应视为一根。

每批钢管的根数不超过如下规定：

外径不大于76mm，并且壁厚不大于3mm…………………………………………………………400根；

外径大于351mm……………………………………………………………………………………50根；

其他尺寸钢管………………………………………………………………………………………200根。

剩余钢管的根数不小于上述规定的50%时，则单独列为一批；小于上述规定的50%时，可并入同一牌号、同一炉（罐）号、同一规格和同一热处理制度（炉次）的相邻一批中。

6.3 取样数量

每批钢管各种检验项目的取样数量按表5的规定。

6.4 复验和判定规则

钢管的复验和判定规则应符合GB/T 2102的规定。

7 包装、标志和质量说明书

钢管的包装、标志和质量说明书应符合GB/T 2102的规定。