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個人分類：學術研究

Mar 19 Wed 2008 02:53
计算机辅助夹具设计系统中的数据库技术www.tool-tool.com

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.

摘要：针对槽系组合夹具和专用夹具的设计特点，以Visual Foxpro 6.0为数据库平台，在Unigraphics为CAD平台上以VC++6.0为集成开发环境，开发了基于特征造型、参数化驱动的三维夹具设计CAD系统。系统介绍了夹具CAD系统研制中夹具数据库的系统原理、数据库的建立、库的操纵及其实现的技术方案。
关键词：夹具设计；数据库；参数化驱动；功能树；装配模型

1 引言

槽系组合夹具的设计、装配比较灵活，装配的形式多样，难度较大。在研究开发夹具CAD系统时以槽系组合夹具为基础，同时兼顾专用夹具，做到通用与专用相结合，可以较好地满足夹具设计的需要。

夹具数据库的设计是夹具设计的基础和关键部分，无论是组合夹具还是专用夹具的设计，夹具元部件库、组件库和夹具体库的设计与操作的优劣都直接影响着夹具设计的质量和效率。作者在开发计算机辅助夹具设计CAD系统时，借助Visual Foxpro6.0为数据库平台，在UGII的CAD平台上以Visual C++6.0为集成开发环境较好地解决了夹具设计中数据库建立与操作的问题。

2 夹具CAD系统的核心模块

夹具设计系统的核心模块为夹具设计平台的子模块，其功能模块如图]所示。

图1系统的核心模块

夹具设计平台的工作原理：首先由服务器端获取产品信息和制造工艺，通过功能结构与制造资源、工艺信息的映射推理对数据库中的功能组件进行查询。在获取可选的功能元部件和组件之后，在其基础上通过一定程度的改进得到各子功能结构的定位夹紧方案，从而得到夹具的初始方案。然后在初始方案的基础上进行精度分析、虚拟装配测试、结构的优化设计得到合理的夹具设计方案。在此功能模块中有两大核心任务：建立夹具元部件库、组件库、夹具库及功能结构与制造资源、工艺信息的知识推理库；精度分析、结构优化与仿真测试。

3 夹具数据库的系统原理

3.1 资源库与知识库

通过对组合夹具元部件的几何特征、功能信息进行分类记录和整理，可以建立夹具元部件库。同时根据夹具元部件的功能特征以及元部件之间的装配关系，建立夹具组件库。详细分析待加工产品工艺信息、加工精度要求及夹具应用方式建立知识推理库。图2是夹具设计过程涉及的资源库与知识库信息模型。

图2 资源库与知识库信息模型

3.2 夹具元部件库系统的原理

建立夹具元部件库的关键是按其信息模型生成具有参数化特性的夹具元部件设计信息，并以有效的组织方式存储于数据库中，供用户使用。夹具元部件库系统的核心是其信息模型，包括功能模型、特性模型、参数化特征模型、应用模式、材料与精度模型等五方面的内容。用户通过交互界面建立夹具元部件信息模型。输入的内容分为两类，一是三维参数化特征实体模型和特性数据；二是材料、精度、应用模式等信息。它们以一定的结构存贮于数据库中，提供对夹具元部件的完整描述。

夹具元部件主要应用于夹具的组装设计，设计者可方便根据功能和分类检索夹具元部件，并根据应用模型定义的装配定位方法将元部件置于合适的位置。对于组合夹具，系统提供生成装配示意图的功能，也就是装配爆炸图的工具，以及生成元部件明细表的工具。装说爆炸图可以用UG的功能二次开发实现。生成明细表时，则要读入夹具的装配模型，并从元部件库中引入元部件特征生成零件明细表。如图3所示。

图3 夹具元部件库系统原理图

3.3 夹具库系统的组成

根据对夹具元部件库系统功能的分析，系统采用了图4所示的结构。夹具库管理系统由创建夹具元部件库、创建夹具组件库、创建夹具体库、增加新元部件、删除元部件、修改元部件、元部件分类查询、建库支持工具、语义字典管理和精度分析算法库等模块组成。

4 夹具数据库的建立

对于组合夹具的设计主要集中在夹具体的概念设计、零部件的结构装配设计和结构优化设计等功能的基础上，概念设计完成后就进行结构的装配设计。装配设计的主要任务是从夹具元部件库中调入需要的对象进行装配，同时进行相应的编辑修改。对于专用夹具的设计重点则集中在夹具的定位、夹紧方案设计和结构的优化设计上，在进行专用夹具的设计时合理地利用夹具库中已有的元部件和结构有助于提高设计的效率。夹具的结构优化设计则主要完成夹具的稳定性分析、强度分析、精度分析和提高产品的加工效率上(如一副夹具上同时以对称、旋转或阵列的方式来定位多个工件)。夹具数据库的设计主要包括夹具元部件的图形库的建立、夹具元部件的工程信息库、图形库与工程信息库的映射、夹具库管理等几部分组成。

4.1 建立夹具元部件的图形库

为了提高夹具的设计质量和效率，在进行夹具图形库的建立时首先将夹具系统元部件按功能分类(UnitSort)为基础件、支承件、定位件、导向件、夹紧及紧固件、合件、专用夹具零部件、辅助件等几大部分。夹具元部件的分类有助于夹具库的建立和操作，有利于夹具设计时对元部件的编辑和修改。

事实证明模型建立的正确与否在很大程度上决定了夹具设计过程的有效性和顺利程度。利用UGII强大的三维造型功能以参数化的思想进行夹具的实体造型，在进行元部件的图形设计时按照以下几点原则进行：参数的数目适当合理、几何约束完整、参数约束要完善、避免二义性的问题、排除异常情况、图层管理统一、实体颜色按类型管理。

为了提高夹具设计时的装配效率，在进行夹具元部件的图形设计时，按照槽系组合夹具和专用夹具的装配设计规律如槽槽对齐、槽键对齐、孔轴同心等对元部件的装配面进行特征属性面定义(FaceType)，当属性面定义完成后按装配方式(MateType)通过搜索对应的特征属性面进行装配设计，达到快速装配的目的。

4.2 建立夹具元部件的工程信息库

夹具工程信息库存储着工程信息，主要包括夹具元部件的文件序号、类型、名称、规格、参数、文件名、图形文件和bmp文件，通过分析夹具元部件及其所固有的属性按数据库规范建立实体-联系的E-R模型图、然后根据逻辑E-R模型图建立夹具元部件的主数据库，如表1所示为夹具元部件主库，由于一个元件或部件由多个系列组成，利用参数化的思想建立该元部件的参数库，如表2所示为夹具元部件的参数库。

表1 夹具元部件主库

表2 夹具元部件参救库

4.3 工程信息库与图形库的映射

图形库和工程信息库的映射是按照一定的规则建立图形库和信息库的联系，从而获得元部件的模型，包括文件名、控制参数、类型、名称、规格等数据；当对图形库或工程信息库进行修改的同时可以保持数据的独立性、一致性和完整性。

4.4 夹具元部件库的管理

系统根据元部件的不同功能将元部件分为几种主要的功能模型，功能模型可用功能树来表示。对夹具元部件装配的管理也就是功能树的建立与管理。功能树的建立与管理模块的基本功能包括功能树的建立、存取、树结点的增加与删除以及树结点的设计。为此设计了以下的数据结构对夹具元部件和功能树节点进行存储和操作：

(1)夹具元件信息存储

typedef struct part_attirbute {
char UnitSort[32]；/*夹具元件分类*/
char UnitName[32]；/*夹具元件名称*/
char UnitCode[32]；/*分类代号*/
char Specs[16]；/*规格*/
int Storeage；/*库存量*/
char bmpfile[64]；/*夹具元件Rmp文件*1
char ugfile[64]；/*夹具元件图形文件*/
char dbfile[64]；/*数据库文件名称*/
}USER_part_attribute, *USER_part_attribute_p_t；

(2) 功能树结点的数据结构

typedef struct Treenode {
char open；/*子类型结点是否展开的标识*-/
char describe[32]；/*功能结构单元名称*/
char bmpfile(133)；/*功能结构单元Bmp文件*/
char prtfile[133]；/*功能结构单元图形文件*1
char dbflile[133]；/*功能结构单元数据文件*j
struct Treenode*Tparent/*结点的父结点*/
struct Treenode*Tfirstchild；/*结点的第一子结点*/
struct Treenode*Tnextbrother；/*结点的下一个兄弟结点*/
)TREENODE；

在进行装配设计时，系统根据所建立的功能模型，从系统的功能结构树中调用相应的功能结构单元。通过生成的功能树反映了夹具设计的当前状态，可以从生成的功能树进入任何功能结构单元结点修改设计。同时可以编辑功能结构单元的装配关系，修改生成功能结构单元的参数，对功能件进行删除或替换。为此设计了以下一系列的方法对数据库和功能树结点进行相应的操作：

DBF *dbf_create(char*filename,intfldcount,DHF_STRU*dbf_stru) /*创建数据库*/
DBF *dbfopen(char*dbfname) /*打开数据库文件*/
struct dbftabdata*dbf_gettable1(char*tablename,char*sqlstr) /*从数据库中读数据，结果放在dbftabdata中*/
void dbf_delete_rowlist(TABDATA*table,ROWLIST*rl2,ROWLIST*rl) /*删除数据表中的记录*/
int dhf_TempDhfRestore(char*tablename,TABDATA*tabledata) /*恢复临时数据库(temp.dbf)中的内容到永久数据库中*/
extern int Load_Fixpart1(char*specs，char*fixname，tag_t*inst_tag) /*添加夹具元部件到工程中*/
in TREE-add-node(char*dbf_file,TREENODE*parent,TREENODE**mytree1) /*添加功能单元结点到功能树*/
int TREE_del_node(char*dbffile,TREENODE*tree,TREENODE**my_tree1) /*从功能树中删除功能单元结点*/
int TREE_display(int dialog_id，const char*item_id，TREENODE*tree) /*显示功能单元*/
int TREE_select_cb(int dialog_id，int index，char *bitmap_id,TREENODE*my_tree1) /*选择功能单元结点进行装配设计*/
void TREE_add_to_dbfile (char*dbffile，char *parent, char*describe) /*功能结构单元加入到数据库中*/
void TREE_del_from_dbfile(TABDATA*tablesort, char*parent, char*describe) /*功能结构单元从数据库中删除*/
.....

4 小结

夹具设计一直是现代制造业的一个瓶颈，尤其是在数控技术日益广泛应用的今天。数据库技术已经成为现代软件工程的基石，工程数据库技术也是制造业一直期待解决的问题。本文在对槽系组合夹具和专用夹具设计特点进行分析的基础上，分析了夹具CAD系统的核心模块、夹具数据库的系统原理和夹具数据的建立与操作等，并将数据库技术应用于计算机辅助夹具设计CAD系统的研制中，为该系统实际应用奠定了基础。

参考文献
[1]YinMing(Kevin)Rong,YaoXiang(Stephens)Zhu. Computer-Aided Fixture Design[M]. ASMe IMECE. SanFrancisco.1998.
[2]Hargmve S. Computer Aid Fixture Design：a Review[J]. International Journal of proceeding Research,1994, 32(4)：733-753
[3]Rong.Y And Y.Bai Automated Generation of Modular Fixture Configuretion Design Jaumid of Manufacturing Science and Engineering. 1991,(199)：208-219.
[4]朱耀祥，融亦鸣，朱剑，等计算机辅助组合夹具设计系统的研究[J] 工机械工程学报，,1994,30(4)；40-46.
[5]刘文剑. 密执安大学研制~组合夹具的计算机辅助设计[J] 组合机床与自动化加工技术,1992,(2)：44-47.
[6]范牧昌人工智能在组合夹具设计中的应用[J]. 机电工程，1994.8(4)：5-7.

作者简介：王华侨(1974-)，男，硕士，工程师研究方向为CAD/CAM/CAE、现代数控技术

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Mar 19 Wed 2008 02:39
钻模和夹具www.tool-tool.com

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我们已经知道，工件必须相对切削刀具进行定位，而且必须牢固地固定在那个位置上。工件划线完毕以后，仍然有必要对机床的运动进行定位，并且在机加工开始前要把工件固定在那个位置上。

当要加工几个完全相同的工件时，使用钻模和夹具就可以取代对每个工件进行划线操作的必要，但如果在铸造和锻造中，则需要对一个试件进行划线，以确保工件能通过试件加工出来，同时也确保加强肋板、型芯等的位置正确。

钻模和夹具的相同之处在于它们都含有能确保工件准确定位和加紧的装置，而它们的不同在于钻模在实际切削操作中包含有引导刀具的部分，而夹具没有。实际上，在切削时能被引导的仅有的切削刀具是钻头，绞刀和类似的铣刀，因此钻模是用于钻削加工而夹具则用在其他加工工艺中。夹具可以包含相对定位系统进行安装的切削工具。

1钻模和夹具的优点

1）省去了划线和其它测量与装夹的方法。
2）技术不熟练的工人在了解到工件可以准确定位。而且刀具可以准确地引导或安装的前提下，也可以快速而又自信地进行操作。
3）使零件的装配变得容易。因为所有零件在小的极限范围内都视为相同，而且零件试装和锉削操作都可省去。
4）使零件具有互换性。如果产品大范围销售的话，备用零件的问题就可以得到简化。

螺栓孔常为螺栓留有1.5～3.0mm的间隙，因此读者也许会怀疑对此制造精确钻模的必要性。但我们必须记住，一旦钻模制成，它将用于许多零件，制造精确钻模的额外费用也将分摊在大量产品上。此外，在机械装配过程中误差积累是小得惊人的。当间隙确定，我们应该确保它的习惯要求，而不是粗略的划出和加工出来。

工件的定位。在空间完全自由的单元体的条件下，它有6个自由度。我们用3条互相垂直的XX,YY,ZZ轴来表示这6个自由度。单元体可沿任何一条轴线移动，因此有3个平动自由度。单元体也可绕任何一条轴线转动，因此有3个转动自由度，总计有6个自由度。当对工件进行定位时，我们应该限制尽可能多的自由度来确保操作达到所要求的精度。精度由定位面来保证，在加工过程中应尽早确定合适的定位面，如果没有出于其他考虑而必须采用其他定位面的话，我们应该用这些定位面来进行所有的定位。如果必要的话，新的定位面应由旧的定位面定位加工出来。

夹紧。夹紧装置应使工件对着切削力。夹紧力不能太大而引起工件变形和破坏。工件应支撑在夹紧点的下面，以确保由钻模或夹具的主架来承担力，并将其传至机床的工作台和床身。当设计钻模和夹具时，夹紧装置的设计应确保提供合适的夹紧力和操作的快速和安全。

2钻模的定义

钻模是一种用来确保工件在正确的位置上被钻孔，攻螺纹或绞孔的装置。它基本上是由一个夹紧组件构成的。该装置将工件保持在一个硬化套筒的下部，在钻空加工过程中钻头便是在套筒里面并沿着套筒运动的。如果工件的构造比较简单，模具就可以直接夹在工件上。然而，在大多数情况下，模具是被固定在一个位置而工件是被模具夹住的。这样工件在加工前后可以快速的导入导出模具。

钻模使钻孔，绞孔及攻螺纹的速度和精度比传统的手工方法高了很多。它的另一个优点是使用钻模并不对加工者有太高的技巧要求。孔的定位精度不靠操作者而是靠钻模保证。

限位钻模一般用在用来钻孔、绞空、攻螺纹的装置上。它一般不会被完全固定在使用它的机器上，可以在放置钻孔机的平台上移动，使套筒直接处于钻头的下方。限位钻模实际上限制并控制了刀具的运动路径。

如果加工过程中包括一些机加工过程，例如铣、刨、成型、车削等等，限位夹具便要用到了。夹具在机加工时夹持工件，但与钻模不同，没有专门引导刀具的装置。

3典型钻模和夹具

典型钻模。例如用来在工件凸缘上加工四个孔的钻模，该工件除了四个孔以外已全部加工好。工件有一个精密切削成的孔，并用已经从孔、端面及圆柱进行定位。没有必要限制围绕孔腔轴线的圆周位置，因为直到各孔被加工时，它都是相对于该轴心对称的。用来控制钻头的四个衬套被固定在钻模平板上，钻模平板能通过手螺母把工件夹紧在设备底座上。
典型铣削夹具。例如用来铣削一个已经完成其他加工的工件的简易夹具。该工件通过底座四个孔中的两个和底座的内面定位。工件被夹持在合适位置，切刀安装在安装台上，安装台保证安装或切入位置及切入深度。夹具必须相对于机器的工作台定位，这是通过把夹具底部的两个榫头嵌入机器工作台上的开槽来达到的。夹具通过T型螺栓紧牢在工作台上，也嵌在工作台的槽上。

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Mar 18 Tue 2008 20:24
对刀具进行收缩夹紧、调节和测量www.tool-tool.com

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作为高速加工的刀具夹紧技术，感应式收缩夹紧毫无疑问是一项先进技术，它在切削工艺中的应用正在逐渐增多。对于多轴加工来说，过去的问题在于需要将刀具调节至额定长度，或者同样的刀具需要收缩至相同的长度。直到两年前，采用了不同的临时布线和机械调节辅助手段才使之成为现实。无论过去和现在，人们对收缩、调节、测量和冷却系统进行组合的愿望都非常强烈。那些曾经得以展示的解决方案都已经初见雏形，但多数都依靠手动操作；在操作的精度和舒适度方面虽各有优劣，但都不尽人意。2002年， Zoller公司在斯图加特的AMB展览会上展出了redomatic/cnc系统，主要展示了配备有全自动图像处理和3轴CNC控制的 venturion系统。通过加装特定的软件程序，可将这一系统作为自动定位系统和感应加热与冷却装置。在这一组合中，可将刀具长度调至额定数值，舒适且安全，其精度可达±0.01mm。另外，它对刀具类型也没有限制，无论是钻头、阶梯锪钻，还是铣刀等。此后，由于价格的原因，Zoller公司推出了 redomatic/basis系统。该系统是半自动运行的，既通过向导式的对话框及相应程序进行操作，而不再是CNC控制。然而，相对于其他供应商所提供的简单且廉价的解决方案而言，该系统并没有达到人们预期的廉价水平。为了真正满足价格要求，Zoller 公司又推出了redomatic/lc2系统。毋庸置疑的是，唯一正确的解决方案仍是redomatic/cnc系统，因其能够完全实现任何有关刀具调节、收缩夹紧和测量的愿望。

调节长度有何作用？

获得最佳的刀具长度

该NC程序的编制特别适用于重复订单的NC加工业务，可在工件最初定位时在机床上进行优化。在此，同时得以确定的还有刀具数据组（表）和刀具的整体长度及拆卸长度，这些都与所希望的加工设备的配置等相符。至于后续订单，重要的是其装配时间得以缩短，而工件的质量和刀具的服务期限却可保持不变；准备刀具的形式也是类同的。因此，为了尽可能地将额定长度设置成原来的规格，拆卸长度显得非常重要。这里的调节精度在0.1mm的范围即可，而实际长度随后则可通过校正数据加以精确确定，并传输至机床。为了确定校正数值，调节和测量仪器的使用尤显必要。然而，为什么要在一台独立的仪器上先将刀具大约缩减至额定长度，然后再在其他系统上再次调节此刀具、以确定校正后的长度呢？完全可以将这些工序与某一过程和系统集中起来。

无校正值的加工中心

在新型生产线的组织中，其发展趋势表现在，为存储在机床中的刀具一次性确定校正值。之后，后续订单或刀具更换都必须根据相同的校正值进行。一般来说，每一把新的刀具都有一组新的校正数据被送至机床作控制用，在此情况下，运行中的校正数据则不必进行更改了。这是从安全的角度出发，因此将新的刀具反复精确地调至额定长度是非常重要的。基于这一点，人们至少需要一个redomatic/basis系统，一个同时又是一台具有所需精度的、完整的调节及测量设备的收缩系统。

多轴加工

多轴加工正在全速推广应用之中。其加工时间更短，转速更高，刀具更换更快。在此，人们总是使用收缩衬套，而且其根据是体积小、惯性质量大和夹紧力大。但如果人们想到了一个收缩衬套与一个可比的液压膨胀衬套之间的价格差异，那么对一台多轴机床的整体装备来说，其成本节约完全比不上一台 redomatic/cnc系统。在2002年底之前，其问题在于需要将刀具精确地调节至所需的长度。多轴机床为一把刀具所处理的仅仅是一个校正值，该数值随后同样适用于其他轴，此类轴可以使用相同类型的刀具。所以，针对这一工序，可以有两把、三把、四把或更多的同类型、同编号的刀具收缩至相同的长度。根据用户和市场评论员的说法，在所希望的周期时间和精度方面，只有redomatic/cnc系统满足要求。

理想工艺

待收缩的刀具通过一个止动器被装入收缩衬套中去，其刀刃选择是由图像处理系统自动进行的。系统聚焦在刀刃上，找寻最大的刀刃或者在此直径范围内的最大刀刃，而无须事先预热收缩衬套。一个特殊的定位系统(Zoller ASZA)在收缩衬套之内相对刀柄末端运动，并稍微提起刀具。这些都由照相机记录，并自动比较实际值与额定值；位于收缩衬套上的定位块由CNC控制定位在额定位置上。即便是那些快速的加工过程，操作者亦有足够的控制时间。操作者拿起刀具和调节器，在线圈自动定位、收缩衬套被预热到最大必需温度（约 250℃）之后，就让刀具落入收缩衬套中。连接时即被冷却，在正常冷却时间之后自动进行控制测量。Zoller公司保证达到的精度在±0.01mm范围内，多数时候精度更高。该系统操作舒适、便捷（循环时间为1.15分钟，包括40～60s冷却时间，算在辅助时间内），与刀柄末端的规格无关，没有收缩衬套加热过度的危险隐患，而且没有热量传递到刀具安装轴上，无需交替进行调节与测量。因此可以节约大量的财力和时间，并达到独一无二的高精度。

辅助效用

除了刀具被收缩至额定长度的精确性和便捷性之外，像redomatic这样的系统同时还具有全功能调节与测量仪器的优点。全自动、精确至微米级的图像处理，及其所包含的标准测量流程和测图方法，使得刀具在安装到机床上之前的全程控制和检测成为可能。特别是在高速加工领域，在刀柄或刀刃上进行同心回转检测尤其重要。其他的方式就是在仿形铣刀上控制半径轮廓，检查刀刃或文件汇编，以及全自动检测阶梯刀具包括自动标注尺寸，这样人们可以在调节仪器和测量仪器 (redomatic)上观测刀具在工件上的钻孔效果。尽管有如此多的优点和事实摆在了我们面前，有一点仍须注意，即只有将刀具缩减至所需长度的概念还需要进一步加以探究，人们必须在购买之前对市场上现有的各种系统进行认真检测。

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Mar 18 Tue 2008 19:24
基于约束的组合夹具装配建模与设计www.tool-tool.com

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引言

基于约束的建模不仅易于建立产品模型，而且便于对CAD模型作修改和操作。和以前建模方法比较，基于约束的组合夹具装配建模方法的优点是包含了夹具设计中很多问题的关联性；一旦定义了约束，特别在修改设计的过程中，只要改变其他条件就可以保持装配关系。

1、夹具的能模型

组合夹具是由一套预先制定好的各种不同形状、不同尺寸规格、具有互换性的标准元件或组件，按照一定的装配约束关系组合而成的。根据这个定义，可以把组合夹具表示为：G = { Vi ，ri ︱ri ∈R (Vi ，Vj ) ，Vi ∈}上式中，V 表示组合夹具元件的集合，Vi 表示组合夹具元件或组件； R 表示元件或组件间的约束关系的集合，ri 表示元件或组件间的一种约束关系。这样元件与元件之间形成了一种网状的关系，其中网状节点为元件(组件) ，节点间的联系依赖于它们的装配约束关系。

装配结构可以用两种方式显示某个装配设计：一个是逻辑结构，一个是图形结构。逻辑结构表达了组成装配模型的零件、子部件之间的层次关系，就象目录的树型结构。装配模型的逻辑层次结构通过图1的装配树表达。

图形结构是某个装配模型的几何表示，直观地用分解图表示。根部件：根部件是在生成一个新的装配图时自动产生的，是装配的最顶层。子部件：装配中的一个逻辑组，由零件构成的子装配，子部件可以嵌套任意深度。零件：层次结构中的最低一级，是单一实体，不能拆成更小的实体。

图1夹具装配树

夹具设计的最终目的是要实现夹具的功能。夹具的功能模型是对夹具的功能定义和功能行为进行描述和表达，是对夹具本质的定义。从夹具的结构出发可以定义各元件(组件)之间的功能相关性，使夹具模型中包含关于夹具功能、工作方式、工作状态的信息。功能模型是夹具模型是夹具层次结构的更高一级的抽象。本系统所谓的功能建模就是对夹具设计要求进行描述，将夹具的整体功能进行分解细化，每个子功能对应一个功能元件(组件) ，建立起夹具的功能结构树。

在本系统中采用的功能元件和功能关系来描述夹具的功能结构，其中功能关系表示功能元件之间的作用关系。夹具的功能模型是由夹具功能元件和功能关系构成的具有层次结构的功能树；树根表示夹具的总体功能，叶点表示夹具功能的分解，即子功能。也就是说夫子节点间具有分解、继承和抽象的关系，父功能是子功能的目的，子功能是父功能的手段和实现，是父功能的具体化。同层次节点间也具有并联或串联的关系，其相互作用相互依赖，作为手段共同完成一定的目的(父功能) ，构成功能并联关系；若按某种顺序依次作用，则构成功能串联关系。

2、三维结构装配技术及原理

装配关系是建立夹具零件、部件或者元件、组件之间内在约束关系的关键。夹具的装配关系一般是元件间的定位关系，通过定义元件间的位置关系能够描述出整个装配体中元件的空间位置和配合关系。

UG 创建的是参数化装配，可以在一个零件上多次施加约束，对零件施加约束就是减少零件自由度或运动类型，限制零件之间的相对运动，并且通过点、边、轴或面的关联定位确定装配模型中零件的位置和配合方式。UG可以概括出如下三类基本的装配：自顶向下装配、自底向上装配、混合装配；八种配对约束：贴合(Ma2te) 、对准(Align) 、角度(Angle) 、平行( Parallel) 、正交( Perpendicular) 、对中(Center) 、距离(Distance) 、相切(Tangent) 。值得指出的是，上述八类基本配合约束中，以“贴合”最为常见。

(1) 自底向上装配的基本概念是：某一个装配件的零部件的设计独立于该装配件的上一级装配之外，即先在该级中独立设计，再与上一级相连接。连接后，特定零件相连的装配件将自动更新，反映所有的在零件阶段所做的改变。任何三维绘制的零件都可以有其他部件添加到它上面，因此，任何零部件都可能成为装配件。可以开发几个用于添加到高一级装配件的次级装配件，这个高一级装配件同样也可以被用作更高一级配件的次级配件，装配件和次级装配件之间关系如下图2 所示，即一级装配件A由三个基本部件组成，装配件A完成后又可构成二级装配件B的次级装配件A，也可看做装配件B的一个部件。同理，装配件B又构成三级装配件C的次级装配件B，依此类推，自底向上进行装配。其中基本部件可能是零件也可能是装配件。

图2自底向上分级装配

自底向上设计过程是传统的CAD软件中通常使用的一种设计过程。它的主要思想是先设计好各个零件，然后建立零件之间的几何约束关系并进行装配，如果在装配过程中发现某些零件不符合要求，诸如：零件与零件之间产生干涉、某一零件根本无法进行安装等，就要对零件进行重新设计，重新装配，再发现问题，再进行修改等。设计过程由于事先没有一个很好的规划，没有一个全局的考虑，设计阶段的重复工作很多，造成了时间和人力资源的浪费，工作效率低。

图3自顶向下装配方式一

(2)自顶向下装配有两种方式，原理如图3即首先创建唯一的也是最高级的装配件，再创建它其中的一个零部件，然后对该零部件做约束。值得注意的是在自顶向下装配法中，约束包括与其它部件的连接约束和对该零部件特征的简单约束。

自顶向下装配法方式二原理图如下：

图4自顶向下装配方式二

即先产生装配件，在其中为其部件做好所需几何约束体，当产生新部件时再向部件中添加所需约束。

在大多数时间，根据设计和约束需要，两种方式往往混合使用。对于约束，当使用连接约束时，意味着使用者可以根植设计的零部件到装配件的不同零部件。

(3)支持自顶向下/自底向上的并行装配方式。这是由两方面决定的： ①由虚拟装配系统建模的方法决定的； ②要区别于传统的组合夹具的装配。传统的组合夹具主要是工人凭经验和技巧手工装配起来的，因此具有很大的随意性。工人不同、经验不同、背景不同、心情不同都会影响装配结果；而且很多知识都是通过工人逐渐摸索、积累得到的，而且不易于保存。平面二维图纸只适于简单的装配，而不适于复杂装配。

为了改善夹具的装配质量，提高夹具的装配效率，我们将并行的思想和自顶向下/自底向上相结合的设计方法引入了组合夹具的装配建模过程。自顶向下/自底向上相结合的设计方法是综合考虑工程人员思维习惯及装配模型细节构建的一种设计过程。一般来说，功能复杂的组合夹具都不可能仅由几个元件组成，而必定是个装配体。因此正确的、符合思维习惯的组合夹具装配体设计过程应该是根据工件的实际要求定义组合夹具的粗略装配模型(自顶而下) ，确定需要选用的组合夹具各个元件的形状和它们之间的配合关系，然后在装配模型的约束下展开各组合夹具元件规格的详细选择(自底而上) ，同时对原先定义比较粗略的组合夹具装配模型予以细化或修改，经过几次自顶而下、自底向上的反复即可得到符合要求的组合夹具虚拟装配体设计。

3、基于约束的装配建模

在大多数组合夹具设计中，一套组合夹具往往是多个夹具元件的组合，即装配体。所谓装配体是指由一系列离散的子部件按某个位置关系组合而成的具有特定功能的机械部件。装配体实现的关键是装配体内部各个子部件之间的位置关系的确定。我们可以通过对子部件进行平移、旋转等几何变换命令来实现，系统根据用户输入的参数计算出变换矩阵，当然也可以直接输入子部件的变换矩阵来实现。

装配建模有两种方法，即自底向上建模和自顶向下建模。前者是在整体方案确定后，设计人员利用CAD工具分别进行各个零件的详细结构设计，然后定义这些零件之间的装配关系，形成产品模型。后者首先建立产品的功能表达，并分析这种表达是否满足产品要求，然后当设计者利用CAD系统不断细化零件的几何结构，以保证零件的结构满足产品的功能要求，建立产品模型。

组合夹具建模采用这两种方式的综合。因为实际的组合夹具设计并不是严格的自底向上设计，而是在整体上自底向上，在局部上仍存在自顶向下的工作方式。同时夹具功能要求和方案设计制约着夹具元件的结构设计，而夹具元件的详细结构设计反过来又影响着夹具的装配方案，夹具设计的过程实际上是夹具功能与方案设计和夹具元件结构详细设计的相互反复的过程，因此元件建模和夹具装配建模需结合进行。夹具的装配模型是建立在高层语义信息基础上的，因而夹具装配模型需要采用特征来建模。

组合夹具由下级元部件装配而成，部件又由更下级的元件和子部件组成。组合夹具CAD 系统利用装配的约束关系将这些元件和部件按照一定的层次装配成组合夹具。组合夹具的整体装配造型采取自底向上的工作方式，其装配过程一般分为两步：第一步是建立装配树。将要建立装配约束关系的元部件加到装配树中。

第二步是在装配树中给元部件添加约束，以逐渐减少元部件的自由度并使之按规定的约束组装起来形成组合夹具。

约束是特定元素间必须满足的一种关系，在形式上它可以表示为一原子合成，设C为N 维谓词符号，用于表示约束的种类，而Σ为受约束的元素集(如点、线、面等) ，则为符号表达式，用于表示某个约束的属性，那么一个约束可描述为：

( c e e2 … en - 1 v) 其中c∈C，ej ∈Σ，v∈V

通过对实际装配体设计过程的考察，可以总结出以下几种常见的装配体约束条件，这些约束主要是从几何方面考虑的，因而约束作用的对象是部件的几何拓扑元素。这些位置约束从工程设计角度可分为以下五类：(1)面配合(mate)及等距配合(mate offset) ：面配合要求装配体部件的两个表面相互接触，即两面的法向量相反，面的等距配合要求两个表面相向平行且相距某个距离。

配合(mate)可处理多种约束位置。所选择的几何体取决于所使用的配合约束类型。可选择的物体以及响应可实现的装配包括：

平面——平面/平面、平面/轴线；
轴线——轴线/轴线、平面/轴线、轴线/点；
点——点/点、点/轴线；
非平面表面(球面，圆锥，圆柱，或圆环) 。

不能选择如定义轴线的轮廓表面：定义实体截面的相切表面；非定义球面、圆锥面、圆柱体和圆环的表面。

(2) 对齐( align)及等距对齐(offset) ：对齐是指两个对象之间的重合关系，它又可分为面对齐，边对齐，点对齐及局部坐标系的对齐。面对齐是指两个表面重合且方向一致。边的对齐是指两条边重合在同一直线上，点对齐是指两个点重合，局部坐标的对齐是指两个局部坐标系完全重合，等距对齐是指两个面平行且相距某个距离。

(3)插入( insert) ：描述孔与轴的配合关系，即要求孔的轴线与轴的轴线重合。

(4)同轴( coaxis) ：描述轴与轴之间的配合关系，要求两轴的轴线重合。

(5)定向(orient) ：要求两个平面两两平行，与等距对齐不同的是它不需要指定两个面之间的距离。

组合夹具CAD 系统的装配约束分为以下几种：配合、对齐、对准角度和插入，它们实现面与面、面与线、面与点、线与线、线与点和点与点之间的约束。面可以是平面也可以是圆柱面，线可以是直线、轴线和矢量方向，点可以是实体顶点、端点和圆心等。通过约束(Constraints)消除工件的自由度进行装配。基于约束装配的例子如图5，其中a图是轴工件，b图是铣键槽的组合夹具。

图5基于约束装配的例子
1. 长方形基础板2. 定向键3. 工件4. V形块支承5. 伸长压板6. 紧固螺栓7. 带肩六角螺母8. 弹簧9. 垫圈

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Mar 18 Tue 2008 16:36
模具的高速硬铣www.tool-tool.com

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在上世纪90年代中期，高速铣削工艺引入模具制造，特别是同硬加工相联系的高速铣削技术在模具制造业中的推广应用，是模具制造技术的一次重大变革。通过高速硬铣工艺对一次装夹下的模具进行综合加工，不仅可大幅度减少加工时间、改善型面的表面质量和加工精度，而且可以简化生产工艺流程，从而显著缩短模具的制造周期，降低模具的生产成本。

采用高速硬铣模具，大多数情况可节省制造电极、电火花加工和抛光三道工序。在90年代末，高速硬铣已在许多场合（除一些窄缝、深槽和极小半径的内角加工外）替代了电火花加工。而近年来，由于微细铣刀（目前最小直径为0.03mm～0.1mm的硬质合金立铣刀已列入一些厂家的产品目录）的开发和微细铣削工艺的应用，这使一些窄缝和极小半径的内角完全可以通过采用小直径的立铣刀来进行加工，致使电火花加工的应用范围进一步缩小。根据德国Frauhofer生产技术研究所在2004年对工具和模具企业所进行的咨询表明，在今后几年（至2008年）高速硬铣在工具和模具的加工工艺中所占份额将增长20%，而电火花加工则将减少12%。由此可见，高速硬铣工艺将愈来愈多的在模具制造业中得到推广，这种高速硬铣工艺已成为模具加工的关键工艺。

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图1 通过高速硬铣简化模具的生产工艺流程
高速硬铣虽然给模具制造带来诸多好处，但要卓有成效的应用这种工艺，企业必须要具备一定的条件。也就是企业应有较高职业素质和经验丰富的工艺人员和熟知加工工艺的编程人员，要有合适的高速加工机床，要配备适合于进行高速硬铣的刀夹和刀具以及能选用合理的切削参数等。

专业人员的素质和经验是重要前提

优化模具的生产工艺流程，旨在减少加工工序和提高加工质量，显然采用高速硬铣工艺是这种优化的主要途经。

而高速加工和CAD/CAM系统等高技术不仅意味着在加工装备上的高投资，而且还需要有丰富行业经验、能解决实际生产难题的专业人员。要依靠熟知生产工艺的人员根据模具的几何形状、材质、硬度和精度等要求来制定合理的生产工艺流程。在这里，硬铣工艺的抉择，电火花加工的取舍，刀具形式、规格和数量，切削用量的确定，加工时采取何种冷却润滑方式以及NC程序的编制等，都将影响到模具加工的生产效率、加工质量和制造成本。

有一些模具生产企业，在高速硬铣工艺方面尚缺少实际的经验，如有些企业未经过三轴联动机床使用经验的积累而直接购置五轴联动加工中心。除聘用和培训专业人员外，与机床制造厂、刀具厂以及专业研究机构进行合作是一个重要途径。在模具加工中，进行必要的工艺试验对优化工艺过程也是十分重要的。例如我国一家玩具制造厂的注塑模，加工机床是德国Hermle公司C800V立式加工中心，采用9把不同类型的立铣刀和球头铣刀，加工时采用大流量冷却润滑，加工时间为125分钟。为了制造型腔底部的花纹图案，在铣削加工后接着要进行电火花加工。根据中德“在中国工具和模具制造中的高速加工”研究项目，为优化该模具的生产工艺流程，德国 Darmstadt工业大学的生产管理、工艺和机床研究所（PTW）在Hermle公司的C30U加工中心上进行了铣削试验，模具型腔底部的花纹图案的加工并拟通过高速精铣工艺替代电火花加工。试验结果表明，目前加工只需采用6把刀具，减少了3把刀具，这样，除节省刀具费用外，还减少了换刀次数，从而减少了30%的辅助时间，整个加工时间仅需99分钟，加工时间比原先减少了26%。加工时采用微量润滑，减少了刀具磨损。由于免去了电火花加工（也就省掉电极制造），使花纹图案的表面粗糙度降低了50%，同时也避免了由电火花加工造成的模具加工表层的损伤（白色层）。

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注塑模：材质40CrMnNiMo8.6.4，硬度35HRC
机床、刀具和刀夹是重要保证

为了高效和高质量硬铣模具，对机床、刀具和刀夹有很高的要求。

◆ 机床

采用的高速加工中心应具有较高的主轴转速、大的功率、高的刚性、高的动态性能以及良好的阻尼特性，并备有快速的控制系统。目前，加工模具的高速机床，主轴转速一般均在40000～42000（r/min.）,如Mikro公司第一代高速铣削中心HSM400、HSM700和第二代的 HSM600u（五轴联动高速铣削中心），DMG的DMC100V ，Hermle的C800V（36000r/min.），Digma的700GC、850HSC，R歞ers的RFM 600和PTW的Hi-Dyn（60000r/min.）等。这样的主轴转速基本上能满足常用小直径铣刀（2mm～12mm）的加工需要。但是对于更小直径的铣刀（0.2mm～1mm），这样的主轴转速就不能使刀具达到理想的切削速度。例如，当采用160m/min.的切削速度时，对于直径为1mm的铣刀就需要51000r/min.的主轴转速；而对于0.2mm的铣刀，则需高达250000r/min.的转速，而在主轴最高转速为42000r/min. 的情况下，对于上述两种铣刀只能分别以132m/min.和26m/min.较低的切削速度进行铣削，例如一个齿轮模的加工，采用的最小铣刀直径为 0.2mm，机床主轴最高转速为40000 r/min.，此时只能达到25m/min.这样低的切削速度。因此，为适应微细切削的发展，需要开发更高转速的机床。

目前，高速加工机床的轴加速度一般达1～2 g，个别有达到3 g（Mikron 的HPM800）。较高的轴加速度，意味着机床具有较高的动态性能，这在加工模具的自由曲面、进给方向不断变化的情况下，仍可保持调定的进给速度。从而有利于提高模具自由曲面的加工精度和表面质量，据业界人士预测，机床的轴加速度在最近的3～4年内可望达到3～5 g。

五轴联动高速加工中心虽在价格上要比三轴联动机床高很多，但它特别适合用来加工复杂曲面的型腔。在加工较深型腔和对凸台清根时，可以通过附加的两个回转轴（通过转矩电机直接驱动的C轴和B轴，可提供与直线轴相配匹的加速度和进给速度）的同步运动从而可采用悬伸较短的立铣刀，由此增强了刀具刚性，并避免刀具和刀杆与型腔壁的碰撞，减少了刀具加工时的抖动或刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和延长刀具的寿命。

佳工机电网
齿轮模：材质X155CVMo12-1,60HRC，最高进给速度5000mm/min，加工时间9小时
◆ 刀具

高速硬铣最常用的是小直径（12mm以下）立铣刀，主要有双刃球头铣刀、双刃圆刀片铣刀、端齿六刃立铣刀和装有两个可转位圆刀片的立铣刀。其中整体硬质合金立铣刀则具有圆跳动误差小和刚性高的优点。

合适的硬质合金刀体、耐热的硬涂层和负的刀具角度是硬铣获得成效的重要刀具参数。铣刀主要采用具有很好韧性的精细晶粒（0.5μm～0.8μm）和超细晶粒（0.2μm～0.5μm）的硬质合金制成。刀具的耐磨性则通过具有较高抗氧化性能和较低内应力的氮铝化钛（TiAlN）或TiAlCN涂层来改善，单涂层厚度为（2～3)μm，采用PVD工艺进行涂敷。

目前，在有利的几何边界条件下，硬铣可以加工硬度为65HRC的工件，而在实际生产中，模具的硬度多数在47～54HRC范围内。

采用超细晶粒硬质合金和TiAlN涂层的铣刀，在硬铣时切削速度可达200～350m/min.，每转或每齿进给量为0.1mm～0.2mm。

加工模具应尽可能采用粗铣和精铣两道工序，通过高速铣削铣去大部分材料余量，留接近成品轮廓的0.05 mm加工余量，然后采用较小的行距宽度进行精铣。所采用的行距宽度在很大程度上影响到加工时间、质量和表面粗糙度。

◆ 刀夹

加工模具时由于采用的是细长的小直径铣刀，铣削时切屑厚度较小，切削速度又高，加工过程易受圆跳动误差和振动的影响。因此，要求刀夹不仅要具有回转对称的细长结构，同时还要具有刚性好、圆跳动误差小、夹持力大和滑转力矩高等特性。从综合性能看，目前最能满足这些要求的是一种采用空心锥柄（HSK）的热装冷缩式刀夹。这种刀夹的圆跳动误差仅为3μm （在悬伸长度为3×d的检验棒上测量），如对于装刀直径为6mm的刀夹，可传递22Nm的转矩。这种刀夹，在模具加工中已较普遍采用，用来装卸刀具的感应加热仪往往已作为模具高速加工机床的随机配套附件。

为获得较长的刀具寿命和较好的加工表面质量，机床—刀夹—刀具系统的圆跳动误差应在 12μm之内，最好不要超过10μm，这就需要选用比普通铣刀更精密的铣刀，这种铣刀的圆跳动误差一般要在5μm之内。这样，如把主轴的圆跳动误差（一般是：主轴直径φ70mm为2μm，φ90mm为2.5μm）、刀夹(3μm)和铣刀(5μm)的圆跳动误差按极限情况进行叠加,其总的圆跳动则达到 10.5μm。

高速硬铣时的润滑或冷却

高速硬铣时，在切削刀刃上会产生很高的温度，如果采用冷却液进行冷却润滑时，会使刀具产生急剧的温度突变负荷，致使硬质合金刀体中组织产生微细裂纹。这样，刀具就会过早失效。因此，高速硬铣时不宜采用冷却液进行冷却润滑，应采用干式硬加工。但是考虑到硬铣时的切削温度是随着工件硬度和切削速度的提高而增加，所以在工件硬度不是很高的情况下，在高速硬铣时也可以考虑采用微量润滑。当工件硬度很高时，这种微量润滑也会引起硬质合金刀具产生强烈的热冲击负荷。因此，对于这类高速硬铣应采用压缩冷空气进行吹除切屑，以避免产生热冲击负荷，刀具寿命一般能提高20～30%。此外，特别是对于六刃立铣刀，采用压缩空气吹屑还可避免加工时切屑的缠绕。

采用压缩冷空气吹屑时，压缩空气的压力应至少达到6巴（0.6MPa）。例如，一个硬度为61HRC的模具，在高速硬铣时，采用了压力为6巴，冷却至-30℃的压缩空气，根据德国 Franken公司的介绍，这样的压缩冷空气不仅有利于吹除切屑，并且在最有利的情况下可使刀具的耐用度提高30%。

在这里应提及的是，这里所采用的压缩冷空气是通过一个专门的涡流管装置将压缩空气加速至声速，在加速过程中，使其分离成冷、热两部分，并分别引出，由此所产生达-30℃度的冷空气，再通过装有喷咀的塑料软管对准铣刀刀刃进行吹屑。

高速硬铣应遵循的原则

模具的高速硬铣，由于能获得较好的表面质量、显著短的加工时间、短的生产工艺流程和较低的加工费用而得到越来越广泛的应用。在高速硬铣模具时，为较好的达到这些效果，应遵循下列原则：

◆ 刀具的悬伸应尽可能短，而在热装冷缩式刀夹中刀具刀柄应有足够长的夹紧长度。
◆ 应采用顺铣方式，以便提高刀具的寿命（至少20%）和获得较好的加工表面质量。
◆ 立铣刀的圆跳动误差应尽可能小些。
◆ 应放弃湿式加工，尽可能采用致冷的压缩空气进行吹屑和冷却刀具。
◆ 应根据模具的材质、硬度和加工条件选用合适的切削速度和进给速度。
◆ 粗铣时应尽可能切除大部分材料余量，即为精铣约留0.05 mm的加工余量，免去半精铣工序以缩短生产工艺流程。

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Mar 18 Tue 2008 16:34
模具的高速硬铣www.tool-tool.com

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Mar 18 Tue 2008 16:28
旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧表面质量差异分析及铣刀设计www.tool-tool.com

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1 引言

高速切削、强力切削可显著提高加工效率，是现代制造技术的重要发展趋势之一。但随着切削速度的提高，在某些加工场合也带来了加工质量方面的问题。如采用旋风铣削法高速铣削内、外螺纹时(见图1)，虽然加工效率高、刀具冷却效果好，但加工出的螺纹精度并不高，且螺纹牙槽两侧面的表面质量存在较大差异。对于粗加工工序，螺纹牙侧表面加工精度影响不大，但对于一次完成全牙深切削的最终加工而言，这一问题不容忽视。为此，本文对旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧面的表面质量进行了分析计算，并介绍了旋风铣刀的设计方法。

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a)铣削外螺纹

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(b)铣削内螺纹
图1 旋风铣削内、外螺纹
2 牙槽两侧面表面质量的计算与分析

1) 牙槽两侧面表面特征

旋风铣削丝杠螺纹时，当铣削速度提高到2000r/min 以上，螺纹牙槽底面(沟底)及其中一侧面的表面质量明显提高。由加工结果可知，无论是采用刀具进给方式、由车床改装的旋风铣削装置，还是采用工件进给方式的专用丝杠加工设备，均为迎向铣刀的牙槽一侧(记为A侧)的表面加工质量明显优于相对的另一侧(记为B侧)。A侧表面光滑锃亮；B侧表面光泽不明显，用手触摸有细微粗糙感。

2) A侧表面粗糙度计算

如图2所示，设刀刃位于水平线OO'时为零时刻，经过时间t后，铣刀盘转过一齿，则有

wFt+wwt=1/Z

式中，wF、ww分别为铣刀和工件的转动角速度，Z为装刀数。设转速比l=wF/ww=nF/nw(nF，nw分别为铣刀和工件的转速)，则可得

t=1(/l+1)wwZ

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图2 牙槽侧面粗糙度分析
设被加工螺纹螺距为P，则经过时间t后，刀具的轴向进给位移量为

S1=wwtP=P(/l+1)Z

与此同时，工件转过的角度为

q=2pwwt=2p(/l+1)Z

刀具下降高度为

Y=2(R-h/2)sin(q/2)=2(R-h/2)sin[p(/l+1)Z]

则刀具的横向位移量为

S2=Ytanb=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]

式中，R为丝杠直径，h为牙槽深度，b为螺旋升角。由此可得A侧表面的理论粗糙度值为

Rz1=S2=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]

3) B侧表面粗糙度计算

由于刀具加工时既有横向位移又有进给位移，因此经过时间t后，铣刀盘转过一齿时，刀具切入点的位移量为轴向进给位移与向后的横向位移之和，则B侧表面的理论粗糙度值为

Rz2=S1+S2=P(/l+1)Z+2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]

4) 两侧面表面质量差异分析

铣刀作轴向进给运动时，A侧面在铣刀侧刃挤压下被高速铣削。当切削速度达2000～3000r/min时，加工区火花四溅，切屑局部呈柑红色，表明该处切削温度已达800℃以上(通过计算也可得出此结论)，此时金属原子热振动振幅增大，原子间键力减弱，导致工件材料的硬度和强度降低，同时切削时的弹性变形、塑性变形和摩擦力也明显减小。由于大部分切削热被切屑带走，传入工件表层的切削热很少，渗入层很薄，表面层物理力学性能的变化在允许范围内，因此A侧面的表面质量得到提高。此外，由于每齿切削厚度和进给量减小，A侧相当于在被铣削的同时也被研磨，使表面质量进一步提高。而B侧被铣削时，由于存在进给运动，刀具在该时刻已离开被铣部位，因此不存在挤压与研磨作用。可见，切削力作用形式的差异也给两侧的表面质量带来不同的影响。

根据上述计算与分析可知，由于Rz1 < Rz2，加上A、B两侧铣削作用力的不同影响，故A侧表面质量优于B侧，这与在实际加工中的观察结果一致。

3 旋风铣刀的设计

刀具材料的选用

当铣削速度达到2000r/min以上时，刀具与工件接触时间约为0.003s，而切削热在钢中的传播速度约为0.5mm/s，即在刀具与工件接触时间内热量传播距离仅为1.5µm 左右，因此仅有极少量切削热传入刀具中。此外，由于刀刃空行程较长，使刀刃承受的热脉冲大大降低，因此铣刀刃部温度始终保持在300℃左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨损较小。但是，由于刀刃工作方式为高速断续切削，整个工艺系统振动较大，刀刃部位需要承受较强的正压力脉冲和弯曲应力脉冲，因此要求刀具材料具有较好韧性。综合考虑上述加工特点，刀具材料不宜选用硬质合金，选用65Mn淬火钢较好。

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图3 铣刀盘装配图

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图4 刀夹结构图
刀具结构设计

为提高加工效率，笔者设计了图3所示铣刀盘结构和图4所示刀夹。刀夹上开有装刀槽，将长条形刀片置于其中，上面盖压一带槽薄板，然后装入铣刀盘刀槽中，用内六角螺钉压紧，即可进行铣削加工。当刀片磨损后，松开压紧螺钉，取出长条形刀片，对切削刃部分重新刃磨后即可重复使用。如切削时刀片有后退倾向，可在铣刀盘上加装可调挡块。与焊接式或其它刀具结构相比，这种可转位铣刀盘结构可减少刃磨、装卸和对刀工时，刀片可重复利用，具有加工效率高、加工成本低等优点。

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Mar 18 Tue 2008 16:20
夹具的优化设计及经济性分析研究www.tool-tool.com

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摘要：通过对夹具设计中优化设计和经济性评价问题的阐述，讨论了夹具设计的原则和要点，特别在设计上提出了数学模型作为依据的最优数法设计观点，以及经济性评价概念。对企业丰富工装设计、改进企业实施工艺装备的通用化、系列化和标准化，提高企业产品开发能力，降低生产成本，缩短生产周期，提高产品质量和指导生产实践都具有十分重要的现实意义和技术效果。

前言

现代夹具(如成组夹具、通用可调夹具、组合夹具)的结构共性，大都由通用基体和可调、可换元件两部分组成。其通用基体部分是零件组中所有零件共用的主要部分；而可调、可换部分则是针对零件组中某种(或几种)特定零件而专门设计的专用或准专用部分。可调、可换元件一般是随夹具适用对象数的多少而变化的，因此，在现代夹具设计时，适用对象种数选择得是否合理，将直接关系到可调、可换元件的数量和夹具的整体经济性，以成组夹具为例进行探讨和研究。

1 优化设计分析

这种优化设计的特点：

a. 可以正确确定适用对象种数。
b. 根据优化设计的结果，对可调、可换元件和通用基体的结构设计从成本比例的角度进行调整，从而使之满足优化设计，达到整体经济性的目的。

1) 成组夹具的成本

成组夹具的成本Cc=Ct+PN (1)

式中：Ct——成组夹具上通用基体的成本，元；
P——成组夹具上可调、可换元件平均单件成本，元/种；
N——成组夹具适用零件种数，种。

式(1)中，t对整套夹具来说是一常数；PN则随着N的增减而变化(其中P为常数)。

2) 衡量成组夹具经济性的2个基本概念

从成组夹具适用对象种数所分摊的夹具成本看，可以认为：适用对象在成组夹具满负荷的范围内，对象种数愈多则夹具分摊到适用对象种数上的单位成本就愈低。

从夹具上的可调、可换元件看，随着夹具适用对象种数的增加，则夹具上的可调、可换元件也随着增加，这时，可调、可换元件的设计、制造费用以及夹具的调整次数和调整、保管费用也随之相应增加。

以上2个不同内容有些矛盾的因素，从不同的角度影响着成组夹具的经济性。下面将通过建立数学模型，进一步阐明上述这2个基本概念。

3) 建立数学模型

a. 从式(1)中得知，在1≤N≤Nx时，其中Nx为夹具在满负荷时的适用对象种数，成组夹具分摊到适用对象种数上的单位成本

P0=(Ct+PN)/N

整套夹具中可调、可换元件所需的费用PTW=PN (3)

b. 建立数学模型F

把式(2)和式(3)进行叠加，则得

F=P0+Ptw=(Ct+PN)/N+PN

4) 最优数NK的求解

假设：Ct=1,000元，P=50元/种，Nx=100种对式(4)用微分法求极小值K，即求出NK值

令 dF/dN=0

即 F'=-Ct/N2+P

又令 F'=0

则有 N=(Ct/P)½ (5)

式(5)中求出的N 即为NK，且1≤NK≤Nx。得 NK=(1,000/50)½≈4.5种

取整数，则NK=5种，该NK值，亦即为当Ct=1,000元，P=50元/种时，夹具适用对象种数的最优数值。

2 优化设计的现实意义

当所设计的成组夹具，其适用对象零件种数等于或接近NK值时，可以认为这套成组夹具符合经济性的原则；反之，从经济的角度可以认为是不合理的。这时，应该从各方面采取调整措施，如修改通用基体或可调、可换元件的结构设计，使之Ct值与P值的比例关系得到调整，最终符合经济性的原则。

在成组夹具设计中，根据夹具的复杂程度，从已积累的统计资料中取得Ct值与P值的当量值，以预定成组夹具适用对象零件种数，然后对实际的Ct值与P 值进行评价，这样可以达到减少过程损失的目的。

为了使成组夹具达到优化设计，必须对NK进行求解，但当已经掌握了它们内在的数学关系之后，便没有必要在每套成组夹具设计中都逐个进行求解，为了达到提高设计工效之目的，可以通过建立速查表的办法来提高优化设计和评价效率。这个速查表可以根据非常简便的均方根关系来建立，详见表1。

表1 速查表
Ct/PTW 4 9 16 25 36 49 64 81 100…
NK 2 3 4 5 6 7 8 9 10…
可借助表1 中所列的NK值，来确定优化设计中的NK值，或者在设计之后用表1中列的NK值来检验设计结论的经济性，如等于或接近表列的NK值，则从经济的角度可裁定该设计已达到了优化设计的目的。否则，则应相应修改设计方案，直至达到或接近NK值为止。

按照此方法进行通用化工装设计，可大大降低工装成本，缩短产品开发周期。由于通用夹具在产品开发中的占总体工装的1/5～1/10，其制造可由本企业的机修单位来完成，工装夹具的到货周期由原来的几个月缩短为几天。

可以大大减少夹具库存量。以工装库存的最低储备量来估算，库存量为现场用量的2～3 倍，而通用工装夹具会使原来现场使用的夹具由几百种下降为几十种，库存量可降至1/2～1 倍的生产用量。

大幅度提高单机设备的通过能力，提高产品质量。现场同类设备由于工装的差异影响了设备本身较宽的工艺通过能力，通用工装使现场整体的设备通过能力得到提高，有利于均衡生产，提高了工艺质量和产品质量。

提高现场应变能力和单一品种的加工能力，有利于物流顺畅和均衡生产。

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、汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具等等。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！！

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool..com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

ようこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

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弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、

豊富なパリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。

弊社は各領域に供給できる内容は：

弊社の製品の供給調達機能は：

弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

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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個人分類：學術研究

Mar 18 Tue 2008 16:14
使用硅铝氧氮聚合切削材料高效铣削www.tool-tool.com

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除了传统类型的氮化硅陶瓷以外，在α/β硅铝氧氮聚合材料领域有许多令人期待的发展。这一类型材料的高温特性以及韧度特性能够得到显著优化。

陶瓷切削材料是一种高效率的材料，一贯用于高速切削(HSC)和高效切削(HPC)。由于切削速度和进给速度的提高，不但明显提高了单位时间的切削量，显著降低了单件加工对间，同时也提高了切削加工过程的经济性。除此以外每个单位时间内可能的较高的产量也减少了必要的机械工艺的投资费用。

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α/β硅铝氧氮聚合陶瓷材料的带转位式刀片的平面直角铣刀MS90°
作为切削材料，硅铝氧氮聚合物胜过氮化硅陶瓷

氮化砖陶瓷一直用来作为铸铁工件高效切削的材料。在切削速度很高的情况下，氮化硅陶瓷能提供杰出的过程安全性和过程稳定性、并且凭借极好的经济性保证了设备的高产量和很高的可支配性。最近硅铝氧氮聚合切削材料的开发充实了氮化硅家族。

氮化硅陶瓷(Si3N4)是一种二相材料，其高度稳定的杆型氮化硅晶粒贮藏在耐高温的晶界(第二相)中。材料的组成确定了切削材料的硬度，韧度以及耐高温性。通过烧结法可以影响材料的结构，比如氮化硅晶粒的L/D比例，这样就能对材相进行有针对性的优化。

除了这些传统类型的氮化硅陶瓷，也就是所说的b氮化硅陶瓷，在α/β硅铝氧氮聚合材料领域中还有很多研发活动。材料的特性除了由结构组成来决定，根本的是由材料组成来决定的。在α/β硅铝氧氮聚合材料中，第二相有一部分嵌入了氮化硅晶格中。由于这个特性使得有进一步的可能性去影响结构。通常这类型的材料是以拥有改良的高温特性而出名。
这一种类的材料可以使切削材料的特性方面朝韧性的方向优化，另一方面又考虑到了较高的耐磨性。

由于很好地分散填充了碳化物硬质材料颗粒，尤其是在硅铝氧氮聚合材料晶粒之间，使得硅铝氧氮聚合切削材料的硬度和温度突变稳定性更有可能提升。此外同传统类型的 b氮化硅相比，硅铝氧氮聚合材料拥有出色的抗氧化性及化学稳定性。图1展示的就是典型的α/β硅铝氧氮聚合切削材料的结构。

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图1 典型的α/β硅铝氧氮聚合切削材料的结构
硅铝氧氮聚合切削材料不仅使用于车削，也适用干铣削

由于其所其备的特点．新型的a/b硅铝氧氮聚合材料的使用频谱非常宽。按照其不同类型的特性，覆盖了从粗加工到精加工，从平整打光到强断续切削。因此硅铝氧氮聚合切削材料不仅使用于车削，也同样使用于铣削。切削含片状石墨(GJL)和球状石墨(GJS) 的铸铁工件，加工速度快，单位时间切削量高。在加工片状石墨工件时．氮化硅陶瓷被运用于使用频谱的全部带宽，而对于球状石墨工件来洗这种材料除了用于铣削，到目前为止更适用于断续切削和强断续切削中的车削。在切削方面，首先使用的是韧度经过优化的α/β硅铝氧氮聚合切削材料，它在切削片状石墨材料是显示出了很高的生产能力。SL808型切削材料正是这一研发方向的成果。

在使用平面-直角铣刀MKS90° 对材料为片状石墨250的罩壳进行粗铣加工时，由于SL808型切削材料提升了的高温稳定性，使得切削速度达到了VC=1,2OOm/mim．每齿进给为 fz=0.275mm，进给速度Vf=1000mm/min，啮合宽度为5mm至12mm，切削速度达到最大值ap=12mm。尽管切削值这么高，每次切削都能达到50m的标准路程。

α/β硅铝氧氮聚合材料的优势可以通过同传统b氮化硅的比较中表现出来，比如对材料为片状石墨250的压缩机罩表面进行切削(图2)。在每齿进给量同β氮化硅陶瓷相同的悄况下，使用α/β硅铝氧氮聚合切削材料SL808, 因为其较高的切削速度，使得每一个零件加工时间相应缩短了。此外，其较高的耐磨性使得刀具的使用寿命比较长，这就再次提高了加工的经济性。在所展示的情况中．通过使用α/β硅铝氧氮聚合切削材料使切削速度提高了约15个百分点，刀具使用寿命提高了63个百分点。每齿进给量为fz=0.20mm，切削深度 ap=5.0mm时，切削速度为VC=900m/min。

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图2 压缩机罩壳，使用平面直角铣刀MKS90°及α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808。
同传统的β氮化硅陶瓷相比，α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808在对法兰面和螺钉紧固面进行粗铣加工中也证明了它的效率。由于其高度的热稳定性使得切削速度可以从500m/min提高到800m/min。进给速度从大约300Om／min提高到接近4000mm/min，因此加工时间减少了至少20%。尽管切削速度和进给速度较高，但使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷材料的刀具的使用寿命是使用b氮化硅陶瓷材料刀具的2倍。使用寿命显著提高，而同时加工时间又缩短了，这使得加工费用减少了至少30%。

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图3 使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808同氮化硅陶瓷，加工时间短，加工费用低。
在同氧化铝涂层的硬质合金在不同使用位置进行的比较中，α/β硅铝氧氮聚合陶瓷也经受住了考验。在切削球形罩壳的侧面，切削深度ap=3mm，啮合宽度ae =40mm时，使用了直径为50mm ，含5个MSK88°切削刃的铣刀替代更大的含7个切削齿的硬质合余铣刀来切断连接面。因为其优良的耐高温性使得切削速度达到VC=100m/min，进给速度Vf=3600m/min，接近于初始值的3.6倍。由于使用 α/β硅铝氧氮聚合陶瓷缩短了加工周期，提高了每个工件的刀具使用寿命，铣刀只用5个切削齿替代了7个切削齿，并且每个转位式刀片有8个而不是2个切削刃，因此同使用硬质合金进行加工相比，加工的经济性显著提高。仅仅考虑年度生产中分摊到的设备费用，就降低了70%。

生产GJS400轴承座使用了直径为80mm的平面直角铣刀MKS90°(图4)。在第一次夹紧时对不同的直径循环铣切，啮合宽度ae=40mm，切削深度ap=10mm。同使用氧化铝涂层的硬质合金相比，进给速度由550mm/min提高到了3000mm/min，使得加工时间从6.8分钟减少到了1.25分钟。

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图4 切削速度及进给速度高，经济性好，在GJS400轴承座上使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808进行循环切削,加工时间从6.8分钟减少到1.25分钟。
使用寿命长，经济性高

α/β 硅铝氧氮聚合陶瓷材料的发展，可以看作是氮化硅陶瓷家族发展的指导方向。同传统的b氮化硅陶瓷相比、α/β硅铝氧氮聚合陶瓷的耐高温性以及耐磨损性显著提高，而它在使用频谱中的韧性并没有被限制。在切削条件高的情况下使用α/β硅铝氧氮聚合陶瓷SL808切削铸铁材料就证明了这一点。同硬质合金切削材料相比，在高温情况下其较高的耐磨性的优点表现在切削速度和进给速度的提高：而同β氮化硅陶瓷相比，它可以在生产中达到更长的使用寿命和更高的经济性。

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Mar 18 Tue 2008 14:59
金刚石厚膜端铣刀的试验研究www.tool-tool.com

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1 引言

金刚石刀具的高硬度及其它优异性能使其非常适合加工硅合金、铝合金、铜合金等有色金属材料以及纤维增强复合材料、酚醛树脂、石墨等非金属材料。天然金刚石材料由于颗粒较小、价格昂贵、不易加工等原因，其推广应用受到一定限制。人造聚晶金刚石(PCD)刀具虽然在半精加工、精加工领域发挥着重要作用，但由于刀片形状单一、无断屑槽以及几何参数的局限性等，其优异性能难以充分发挥。金刚石厚膜刀具是将沉积的金刚石厚膜焊接在硬质合金刀片上制成的新型刀具，具有优异的加工性能及较高的性能价格比。我国对金刚石厚膜端铣刀的研究、开发及应用目前尚处于起步阶段。本文对金刚石厚膜端铣刀的显微组织、设计与制备以及在超精加工中的应用进行了试验研究。

2 金刚石厚膜的显微组织分析

为研究金刚石厚膜刀具的加工性能，用JSOM35C型扫描电镜对国产金刚石厚膜与进口PCD复合片的显微组织进行了对比测试分析，由两种材料的显微组织图像可知，PCD复合片的显微组织为颗粒状聚晶组织，存在较多空隙，含有许多针状石墨体；由于在高温高压的制备过程中添加了微量粘结剂，因此其硬度受到一定影响 (HK5000～8000)，低于天然金刚石的硬度，但其抗冲击强度较高；用PCD复合片制成的刀具刃口上呈现许多不平整的微锯齿，因此适用于半精加工和精加工，但不适合要求达到镜面级表面精度的超精加工。由图2可知，金刚石厚膜的显微组织完整单一，空隙少而细微，与单晶金刚石相似；由于材料组织完全由金刚石组成，无粘结剂夹杂，因此具有较高硬度(HK8300)，接近天然金刚石的平均硬度值；如选用适当的刃磨工艺，金刚石厚膜刀具可获得无锯齿的直线状刀刃，十分适合镜面级表面精度的超精加工。

3 端铣刀的设计与制备

为进行对比切削试验，分别用金刚石厚膜和PCD复合片制备成具有相同形状及几何参数的端铣刀。经优选的端铣刀设计参数为：直径Ø125mm，刀齿数为6齿，切深前角3°～8°，径向前角0°～-5°，主偏角 75°；硬质合金基体采用YG3X正方形刀片，刀体采用可转位前压式，刀体厚度、孔径、连接尺寸等按国家标准设计。

用激光分别将PCD复合片和金刚石厚膜切割为三角形小片，用专用工装将YG3X硬质合金刀片磨削成与三角形膜片尺寸一致的刀槽，以备钎焊时使用。金刚石厚膜与一般金属及其合金之间具有很高的界面能，难以被一般的低熔点合金所浸润，且金刚石厚膜可焊性较差。为了提高金刚石厚膜与硬质合金基体之间的可焊性，采用了特制的高强度银铜合金焊料，并采用硬质合金低温钎焊工艺焊接金刚石厚膜刀片和PCD刀片。分别将钎焊好的刀片进行同级别表面精度的刃磨，半精刃磨时选用高强度、粗粒度的金刚石砂轮，精刃磨时选用细粒度的金刚石砂轮，刀具刀尖圆弧则采用工装自动刃磨。端铣刀经装配、调试后，其轴向和径向圆跳动控制在0.002mm 范围内。

4 切削试验

加工机床：BI-266型数控铣床；测量仪器：M4P表面粗糙度测量仪；工件材料：LY12铝合金；切削方式：干切削。在相同切削用量下分别用金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀铣削LY12铝合金并对试件表面粗糙度进行测量。试验结果见表1。铣削加工结束后，用100倍显微镜对金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀的6个刀齿进行了检查，发现每个刀齿经过6000 多次切削冲击载荷(6个刀齿共承受36000 次冲击)后，刀齿均无崩刃现象发生。试验结果证明，采用合理刀头几何形状的金刚石厚膜刀具不仅具有PCD端铣刀的优点，而且可实现大平面的超精加工。

表1 金刚石厚膜端铣刀和PCD端铣刀对比试验结果
刀具工件切削用量工件表面粗糙度
Ra(µm)
切削速度(m/min) 切深(mm) 走刀量(mm/r)
金刚石厚膜端铣刀 LY12铝合金 157 0.02 0.02 0.10
PCD端铣刀 LY12铝合金 157 0.02 0.02 0.40
我厂设计生产的6～32齿金刚石厚膜端铣刀已应用于发动机生产现场，实现了“以铣代磨”的高效率、高质量超精加工。

5 结论

金刚石厚膜材料的显微组织与天然单晶金刚石类似。金刚石厚膜刀具适用于超精切削加工，可部分替代昂贵的天然单晶金刚石刀具。

几何形状及参数设计合理的金刚石厚膜端铣刀可承受切削载荷的反复冲击，有效解决有色金属及其合金材料的大平面、超大平面超精加工难题，铣削加工有色金属材料大平面工件时可获得镜面精度的加工效果。

金刚石厚膜端铣刀不仅可应用于精密型加工机床，也可应用于普通铣床，可获得较好加工效益，具有推广应用价值。

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Mar 18 Tue 2008 14:52
SiCp/Al多相材料的切削加工www.tool-tool.com

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1 引言

SiCp/Al 是一种新型的陶瓷/金属系多相材料，由于它的比刚度和比强度高，膨胀系数小，耐热性和尺寸稳定性好，因此在航空航天、汽车制造等行业得到日益广泛的应用。在汽车制造业中，SiCpAl材料最具潜力的应用前景之一是用于制造发动机活塞。采用SiCp/Al制造发动机活塞可减小活塞销孔的磨损，避免因热膨胀引起的“咬死”现象，提高装配精度，减少能耗，提高发动机功率。SiCp/Al材料在德、日、英、美等工业发达国家汽车制造业中的应用已取得了良好效果。我国在这方面的研究开发工作也取得了一定成果。

在SiCp/Al材料中，引入了无机非金属颗粒作为补强第二相，从而大幅度提高了材料的强度、硬度和耐磨性能，但同时也使材料的机械加工性能变差。加工SiCp/Al材料时，刀具磨损严重，耐用度降低，工件尺寸精度和表面质量难以保证，这在一定程度上阻碍了这种新型材料的推广应用。为此，本文通过试验研究，利用常规硬质合金刀具材料设计出一种可采用常规工艺和设备加工SiCp/Al材料的新型刀具。使用证明，采用该刀具加工SiCp/Al材料，可提高刀具耐用度和工件表面质量，降低加工成本。

2 SiCp/Al切削表面成形机理

作为补强第二相引入母体第一相铝合金中的SiC 颗粒是非连续、均匀、无方向性(各向同性)地分布于母体材料中，从而使SiCp/Al材料具有如下切削表面形成机理：在切削力作用下材料产生变形，首先在强度薄弱处和已有缺陷处形成微观裂纹核，然后裂纹根据最小能量原则以极快速度扩展，直至材料断裂，形成原始裂纹表面。切削刃分流点以上的材料经剪切区域成屑流出，分流点和待加工与已加工表面之间的(过渡)原始裂纹表面材料再经钝圆切削刃的推挤、修整和已磨损的副后刀面的熨压形成已加工表面。切削表面并非全部由切削刃直接切出，而是在很大程度上受到原始裂纹表面形成机理的影响。原始裂纹表面的形成具有很大随机性，由材料组织结构决定。因此，SiCp/Al材料的已加工表面分布有颗粒被拔出后留下的凹坑、切削时被压下复又弹起的凸粒、颗粒自然解理表面、挤压及摩擦导致的局部材料侧流扩展(或熔融)表面、晶粒细化和沿切削方向纤维化表面、磨(破)损不平的切削刃复制出的表面等多种结构。

3 刀具磨损与破损机理

由于SiCp/Al 材料中SiC颗粒(显微硬度值HV=27GPa)的存在，切削时，常规硬质合金刀具(YG类刀具材料显微硬度值HV=16～18GPa)会很快磨损或破损。切削刃分流点以下的剩切现象使第一相母体材料的弹性恢复顶起裹携着带有微刃的第二相补强颗粒与副后刀面发生剧烈摩擦，造成刀具的磨粒磨损，这是刀具的主要失效形式。这种现象在第二相的粒度及体积分数均较小(如粒度小于15µm，体积分数小于15%)的SiCp/Al材料中，由于弹性恢复趋势强烈而显得尤为明显。

SiCp/Al材料结构中的局部不均匀性和非连续性造成对刀具的冲击，致使主切削刃处发生崩刃现象，崩刃处发现有沿切屑流出方向分布的沟纹，随着切削路径的延长，崩刃处呈钝圆槽形。接近材料外缘处的刀具崩刃程度较低。虽然也存在边界磨损，但发生概率较小。

4 SiCp/Al材料的切削试验

4.1 试验材料

1#材料：SiCpAl(粒度：14µm，体积分数10%)；2#材料：SiCpAl( 粒度40µm，体积分数20%)。两种材料的第一相母体合金均为ZL109。试件经160MPa挤压铸造，制备为中空圆柱体，经T6 热处理。

4.2 试验条

切削机床：CM6140 型精密卧式普通车床；进给量f=0.10mm/r，切削深度ap=0.10mm，切削1#材料切削速度vc1=19.3m/min，切削2#材料切削速度vc2=18.5m/min；采用干式纵向切削。

4.3 试验刀具

加工SiCp/Al多相材料时，磨粒磨损是刀具的主要失效形式，也是造成已加工表面质量恶化的主要原因。根据材料组织结构和加工表面微观形貌特征，笔者认为，只有针对SiCp/Al材料在加工中的弹、塑性变形特点，有效减轻刀具—工件的挤压滑擦，才能减轻刀具磨损，提高刀具耐用度和加工表面质量。

试验结果表明，采用主偏角小于90°(如45°和75°)的外圆车刀切削SiCp/Al材料时，由于切削径向分力和母体材料高弹性变形的作用，刀具—工件接触面发生剧烈挤压和滑擦，很快在副后刀面上磨出磨损带，磨损带挤压在已加工表面上，严重时可引起不规则的中频振颤，振颤“锤击”作用可使已加工表面质量进一步恶化，同时进一步加剧了刀具损坏。如刀具采用90°(或稍大于90°)的主偏角，切削时就能够有效卸去切削径向分力，减轻刀具对材料的挤压以及由此引起的材料弹性恢复。此外，针对材料弹性恢复的不利影响，在副后刀面与刀尖连接处刃磨出一定形状，不仅能够减轻刀具—工件的挤压、滑擦，提高刀具耐用度，还可对已加工表面起到熨平修整作用，提高加工表面质量。

根据上述思路设计了一种新型引导光整刀具。刀具几何形状为：前角γ0=6°，主后角 α0=10°，主偏角kr=90°，刃倾角λs=0°，副后角α0’=5°，副偏角kr’=15°，刀尖圆弧半径 rε≤0.20mm；在与rε圆弧相接的副切削刃上刃磨出长度b≤1mm 的大半径( R≈150mm)圆弧，平滑过渡到副切削刃；在副切削刃上刃磨出α01≤-2°、宽度br’≤0.20mm 的负倒棱；在与rε相连的大圆弧的负倒棱下刃磨出R’≈200mm、高度b’≤0.50mm 的外切圆柱面，向下与副后刀面平面圆滑过渡(如图1所示)。

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图1 刀具引导光整面几何形状示意图
这种新型引导光整刀具的关键是刀尖圆弧半径与相连的由R 和R’组成的椭球面(即引导光整面)的形状和高度，该椭球面可引导修整已加工表面的弹性变形恢复和轮廓微观不平度。其它几何参数的设计主要应满足刀具强度和耐冲击性的要求。

试验刀具的材料选用YG8 硬质合金。

4.4 试验结果

试验刀具进入正常磨损阶段后，副后刀面上光滑的引导光整面对已加工表面的微观不平轮廓进行修整。经切削光整后，1#材料已加工表面粗糙度平均值Ra= 1.08µm，裸视观察呈无光泽银白色，在显微镜下观察，轮廓顶峰被部分修整，呈钝圆状，加工纹路清晰可见；2#材料已加工表面粗糙度平均值Ra= 0.52µm。由于 2#材料的粒度和体积分数均大于1#材料，因此硬度和刚度有所提高，弹塑性变形减弱，表面呈有金属光泽的镜面。用Taylor-Hobson轮廓仪描绘出的使用普通刀具(未在副后刀面上刃磨出引导光整面)和新型引导光整刀具切削2#材料的表面微观轮廓形貌(两种刀具材料均为YG8硬质合金，且几何参数基本相同)。

与普通刀具相比，新型引导光整刀具切削出的表面微观轮廓顶峰和峰谷变化平缓，微观不平度减小。

对新型引导光整刀具的检测显示，切削1#材料15分钟后，刀具上未发现明显的磨损带；继续切削2#材料，在开始的12.5 分钟里，引导光整面的长度b由原来的0.9mm扩展到1.0mm，高度b’由原来的0.4mm扩展到0.5mm，在随后37.5 分钟的切削过程中，未发现磨损带进一步扩大。切削试验中，工件表面粗糙度值基本保持稳定，Ra最大值未超过0.76µm。

5 结论

引导光整刀具是一种适用于切削SiCp/Al多相材料的新型刀具，能有效提高常规材料刀具的耐用度，降低工件表面粗糙度。

新型刀具的光整作用可使已加工表面延展和拉伸，产生塑性流动；挤压作用可弥合表面微观裂纹，减轻应力集中现象，使表面呈残余压应力状态，从而提高零件抗疲劳强度。

SiCp/Al材料的表面加工质量在很大程度上由引导光整面的高度和切削用量决定。其高度应小于轮廓微观不平度的平均高度，以减小母体材料的受压弹形变形；其宽度应大于进给量f，以实现重叠连续光整，使已加工表面获得良好的尺寸精度和表面质量。

对于不同粒度和体积分数的SiCp/Al材料，存在一个引导光整面优化值。可根据材料粒度和体积分数的不同适当修整引导光整面的几何尺寸。本文推荐的引导光整刀具几何尺寸较适合于切削中等粒度和体积分数的SiCp/Al材料，对于粒度和体积分数过大或过小的材料加工效果稍差。

新型引导光整刀具的几何形状较适合直线加工，对于复杂曲面的加工则有其局限性。

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Mar 18 Tue 2008 13:21
超微细形状加工用刀具www.tool-tool.com

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加工光盘拾波镜片模具的UPC刀具

用UPC刀具对模具进行超精密切削加工正朝着高精度和更加微的加工方向发展。从CD到CD-ROM、MD、DVD，不断发展的光盘种类所需要的拾波镜片模具也不断精密化，因此，加工此类模具的UPC刀具也在不断改进。

随着拾波用非球面镜片塑料化和高精度化的进展，要求加工模具(非电解镀镍材料)的刀具切削刃的轮廓精度(不圆度)必须具有非常高的精度。现在已开始出一种 UPC-R刀具，其圆弧切削刃的轮廓精度为50nm(0.05μm，工作范围90°)。这种车刀是为超精密切削加工开发的专用刀具，配用于CNC多轴超精密车床。

随着光盘制品不断向小形化发展，镜片也日趋小型化，曲率也日益减小。UPC刀具的刀尖圆弧半径也由R1.0mm减小至R0.1mm，为获得锋利的切削刃，刀尖角也降至40°以下。

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刀尖圆弧半径为R5μm的UPC-R车刀

随着DVD的问世，为了生产DVD和CD可共用的零件，光学系统更加复杂，镜片也更加微小，包含镜片在内的光学元件数量随之减少。为了将复杂的光学元件功能集中在1个光学元件上，便产生了利用衍射效应的全息元件。

DVD 和CD(含CD-ROM)盘面信号的位置各不相同，因此，用来读出信号的激光的焦点聚焦位置也不同，通过镜片将不同位置的两个焦点聚集在一起。具有此种功能的镜片叫做双焦点全息镜片，其中，在非球面镜片位置聚焦一个焦点，通过该非球面镜片上刻制的衍射栅所生成的衍射光，聚焦另一个焦点。加工这种镜片模具的刀具必须具有高精度圆弧切削刃，以便在使用该模具加工非球面镜片时，能够保持极高的轮廓精度。加工微细全息衍射栅时，要求刀具必须具有非常锋利的切削刃。现在已开发出能够满足此种要求的UPC-R刀具，其刀尖圆弧半径为R5μm。当UPC-R刀具刀尖圆弧半径较大，在加工微米级衍射栅时，衍射栅沟槽部位呈现出圆弧形，其光学性能将大为减弱；当刀尖圆弧半径减小至5μm时，加工出的衍射栅沟槽便非常精密，其光学性能大为提高。另外，R5μm的圆弧切削刃轮廓精度达到50nm，这种高精度切削刃通过超高精度机床，可加工出精度极高的非球面形状，其光学性能完全能够达到标准所要求的水平。如要进一步提高双焦镜片的光学性能，则应开发出刀尖圆弧更小(如R1μm)的刀具。

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加工5μm沟槽的UPC-T车刀

DVD这类产品不仅要求双焦点，而且要求图象、信息高密度化和高精度化，正向着小型化、多功能化发展，因此，其光学系统也更加复杂。此种将复杂光学系统集成化的元件称为HOE(Holographic Optical Element)。

在HOE上刻制有许多微米级间隔的细槽，利用光衍射现象，将10余个镜片等光学元件的功能集成在一个HOE上。变更间距和深度，便可自由进行光的分度、偏转和形状的变换。

这些光学元件的加工，过去大都用半导体加工时所采用的光刻蚀技术，但光刻技术所加工出的沟槽底部为圆形，深槽则要分数次刻蚀，因此，常常出现刻蚀不均匀情况，这将降低光的利用率。为解决这一难题，现已开发出一种UPC-T车刀，这种刀具可进行微米级超细沟槽的精密切削加工。

刃尖宽度为 5μm的UPC-T车刀，其矩形部位的切深可达10μm。用这种刀具可加工间距为5μm的平行槽。加工时刀具固定，规定切深，工件沿单一方向作直线运动即可完成加工。加工条件为：被加工材料：非电解镀镍模具；机床：超精密CNC车床；刀具：长度8～35L，刃宽5μm；工艺参数：进给速度：1m/min，切削深度：1μm，切削液：电加工用润滑油(雾状冷却)。在这样的条件下，采用UPC刀具加工矩形槽，可获得刻蚀加工无法达到的矩形槽精度。另外，利用 UPC刀具加工的模具所生产的塑料光学元件，具有优异的光学性能。

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Mar 18 Tue 2008 13:14
显微镜下的切削加工www.tool-tool.com

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位于美国新墨西哥州的圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratories)对尺寸仅为10µm和20µm的微型车刀和铣刀进行了切削实验与研究。

虽然“微加工(micro machining)”这一术语可用于表示在极小尺度范围内完成的各种加工操作，但圣地亚国家实验室的研究人员却避免将他们进行的微小尺度车削和铣削加工称为“微加工”。他们认为，在“加工”一词前面冠以“微(micro)”的前缀，则表示用该加工方法可加工出尺寸小至1µm的工件形貌，而该实验室目前还做不到这一点——至少在车削和铣削加工上还达不到这一水平，目前他们研制的微型刀具能够加工出的工件形貌尺寸最小可达到25µm。换句话说，虽然他们已达到的加工尺度水平还不能称为“微加工”，但已比几乎任何其它金属切削加工车间都更接近 “微加工”的目标。圣地亚国家实验室的研究人员将这种尺度水平的加工称为“亚微加工(meso-machining)”。

亚微加工所用的微型铣刀和微型车刀是采用聚焦离子束对硬质合金和高速钢刀坯材料进行雕蚀加工而成。用该方法制造的微型立铣刀的直径可小至约20µm；微型车刀的宽度可小至约10µm。这种微型刀具是实现亚微加工所必不可少的关键工艺因素，因为目前在机床上使用这种微型刀具的适用加工技术已基本成熟。在圣地亚国家实验室，虽然仍然需要全力开发亚微切削实验所用的微型刀具，但实验所用加工机床已完全具备了使用微型刀具的技术条件。研究人员利用市场上机床供货商提供的精密加工机床，即可有效地使用微型刀具进行亚微切削加工。

美国开展亚微加工研究的一个主要原因与核武器有关。美国现存核武器上的某些零件需要经常更换，并且需要对这些零件的结构形貌不断进行改进。但是，因为核武器上的各个零件与周围其它零件之间都有不允许改变的装配关系，所以每一个零件的尺寸和外形都必须保持固定不变。因此，为了在零件上增加新的结构形貌，惟一的途径就是将更多结构微缩于现有空间之中，而亚微加工可以成为实现这一目标的一种有效手段。

圣地亚国家实验室通过大量实验研究，已可在包括铝、黄铜、4340钢等材料上成功地铣削出宽度20～30µm的槽，典型切削深度为 1µm。该实验室用一把φ22µm硬质合金双刃立铣刀进行的切削实验表明，在切深1µm、转速18000r/min的切削条件下加工铝件时，微型立铣刀能以最大至50mm/min的进给率进行有效切削，刀具铣削时间超过6小时以上，且在整个进给率变化范围内未发生刀具破损现象。

微型车刀的切削可靠性也已得到证实。典型的切削实验表明，一把宽度为13µm的微型车刀能够在全长200mm的铝件上切出深度为4µm的螺旋槽。

微型车刀的几何形状与常规尺寸车刀类似，而微型铣刀的几何形状则与常规尺寸铣刀有所不同。由于用聚焦离子束对微型铣刀进行成形加工时，难以加工出典型的标准立铣刀带有容屑槽的复杂几何形状，因此，亚微加工用微型立铣刀的刀体剖面几何形状较为简单。

微型刀具的切削机理与常规尺寸刀具基本相同，可看作是常规刀具切削的“微缩版”。用光学显微镜对亚微铣削过程的观测表明，切屑可从铣刀附近快速排出。此外，用电子显微镜观测表明，铣削工件表面同样出现了切削刀痕。对亚微车削的观测结果也清楚地表明，与常规尺寸车刀加工的常见现象一样，用亚微车刀切削后，也经常可以发现刀具上粘附有长条形切屑。

上述亚微铣削实验是在一台上世纪九十年代购进的Boston Digital加工中心上进行的。该机床的位移分辨率达到1µm，因此可以利用在手动铣床加工中常用的“触发(touching off)”对刀方式来实现微型铣刀相对于工件的定位。研究人员采用手动方式，以每次1µm的步距持续缓慢地微动进刀，直至通过显微镜观察到出现了一点切屑，即表明此时铣刀已刚好与工件接触。

最近，圣地亚国家实验室又在一台Willemin-Macodel公司的精密加工中心上进行了亚微铣削的实验研究。亚微车削实验则是在一台Moore Tool公司的金刚石车床上进行的(虽然使用的微型车刀材料并不是金刚石)。该实验室还在Agie公司的线切割机和电火花成形机上进行了亚微放电加工 (EDM)的实验研究。此外，亚微激光加工也是该实验室亚微加工研究的另一重要领域。

目前，亚微车削比亚微铣削更具实用性。对于亚微铣削而言，制约其应用的因素除了亚微刀具制造工艺难以复制出传统立铣刀的复杂几何形状外，另一个原因是很难将安装在刀夹中的微型铣刀的径向跳动减小至一把直径仅20µm的刀具可以容许的误差范围内。另一个问题是目前对亚微铣削的需求还不多。圣地亚国家实验室的用户迄今提出的研制要求是需要直径小于130µm的铣刀。对于某些工件形貌，例如微型外齿轮的轮齿，实验室趋向于采用线切割机进行放电加工(EDM)。不过，如果需要加工微型内齿轮的轮齿，则可能需要采用亚微铣削。

虽然存在上述问题，对各种亚微加工方法(包括亚微铣削)的实验研究仍在继续进行。为了避免因铣刀夹持及与此相关的铣刀径跳引起的问题，圣地亚国家实验室正在对一种可带动刀具旋转而不需要刀具夹头的专用主轴进行实验，这种由佛罗里达大学开发的主轴转速可高达 500000r/min。

影响亚微切削加工的另一个常见问题是使用亚微刀具需要较高的专业知识水平。亚微切削加工与常规切削加工的要求不同。在常规切削中，刀具、工件和加工程序可在不同的机床之间替换使用；而亚微切削则要求操作者必须了解在不同的加工环境下微小误差的叠加规律有何不同，以及选择的特定切削参数(如切削速度、进给率等)是如何影响特定机床的加工精度的。要成为一个熟练的亚微切削操作者，可能需要好多个月的时间不断进行学习和实践，以正确掌握亚微切削的技术知识和操作要领。这种较高的技术要求大大限制了亚微切削技术的推广应用。即使在圣地亚国家实验室的五、六十名技术精湛的机械技师中，也只有少数几人能够熟练掌握此项操作技术。

亚微加工技术的发展现状可总结如下：

1) 聚焦离子束工艺(用于制造亚微刀具)：可加工最小形貌尺寸：200nm，公差20nm；材料去除率：0.5µm3/sec；可加工材料：任何材料。

2) 亚微铣削、亚微车削：可加工最小形貌尺寸：25µm(车削可达10µm)，公差2µm；材料去除率：10400µm3/sec；可加工材料：铝，黄铜，低碳钢，PMMA塑料。

3) 亚微放电加工(EDM)：可加工最小形貌尺寸：25µm，公差3µm；材料去除率：25×106µm3/sec；可加工材料：导电材料。

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Mar 18 Tue 2008 12:49
切削刀具失效分析www.tool-tool.com

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使用新购买的刀具或重磨的刀具一段时间后，就会发现已加工表面粗糙度增大，切屑的颜色、形状和初始切削时不同，切削温度升高，切削力增大，切削加工系统甚至出现振动或不正常的声响。上述现象表明刀具已发生严重磨损，必须更换新刀或重新进行刃磨。

刀具磨损是切削加工过程中不可避免的现象，但刀具磨损过快或发生非正常磨损(也称破损)，必然会影响加工质量，增加刀具消耗，使生产效率降低，加工成本提高。因此，通过研究刀具磨损，可制订合理的切削加工方案，提高生产效率和零件加工质量，并有利于降低加工成本。

为了能使刀具经久耐用，尽量减少磨损，需要了解各种切削因素对刀具磨损的影响。影响刀具切削性能的主要因素有：刀具几何参数(后角、前角、主偏角、刀尖圆弧半径等)、刀具材料、切削用量、工件材料及其机械性能等。这些因素中工件材料属于不可控因素，改变其它因素的属性可控制刀具的磨损形式及磨损率，如通过改变工件材料的热处理状态可改变工件材料的机械性能，从而影响刀具的磨损；选择合理的刀具材料和刀具几何参数也可改善刀具磨损；生产上一般还可通过合理选择切削用量来减少刀具磨损，提高刀具的使用寿命。

要知道如何合理选择上述可控因素，还需要分析刀具失效的形式及其产生机理。刀具失效的形式 (图1)可分为正常磨损和非正常磨损两大类：正常磨损是在切削过程中，刀具切削刃、前刀面、后刀面分别与加工表面、切屑和已加工表面接触，在接触区里受切削力和切削热的耦合作用，并发生强烈的摩擦产生的，切削刃、前刀面和后刀面都会产生磨损。正常磨损时，刀具的磨损量随切削时间增长而均匀地增加。刀具的先期破坏或使用过程中的剥落、突然崩刃、卷刃或刀片的整个破裂都称之为非正常磨损。

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图1 刀具失效形式
刀具正常磨损主要是由以下几种原因造成的：

1) 磨料磨损是切屑或工件表面存在硬质点(如碳化物颗粒以及积屑瘤碎片等)在刀具表面(前刀面和后刀面)上划出沟纹而造成的磨损。低速切削时，其它原因产生的磨损不明显，因此对低速切削的刀具而言，磨料磨损是刀具磨损的主要原因；

2) 黏结磨损是切削时切屑和工件材料沿刀具前、后刀面移动，破坏了刀具表面的氧化层和其它吸附膜，特别是刚从工件材料内部切削出的新鲜表面间形成强烈黏结造成的磨损。切削速度与黏结磨损之间存在着非常复杂的关系，一般黏结磨损主要发生在中等切削速度范围内，刀具材料与工件材料之间的亲和力、刀具材料和工件材料之间的硬度比以及刀具材料组分、晶粒粗细、刀具表面状态和切削液类型等都影响刀具黏结磨损速度；

3) 扩散磨损是由于切屑、工件与刀具前、后刀面在高温、高压下接触且有较大的化学活性，接触面上的化学元素互相扩散到对方去，改变了两者的化学成分和材料结构而形成的磨损。扩散磨损一般与黏结磨损同时发生。由于每种元素的扩散速度是不同的，因此扩散磨损的程度与刀具材料的组分有很大关系，另外扩散的速度与温度也有很大关系，温度越高，则扩散越快，因此扩散磨损主要发生在高速切削速度范围内。

4) 其它磨损如溶解磨损、氧化磨损等。

可见刀具磨损产生的原因非常复杂，牵涉到机械、热、化学、物理等各种因素，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损的原因和磨损程度是不同的，对于一定的工件材料与刀具材料组合，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。

刀具发生非正常磨损的原因也很多，主要有：

1) 刀具材料的韧性或硬度太低；
2) 刀具的结构或几何角度不合理，使得切削刃过于脆弱或切削力过大；
3) 切削用量选择不合理，使切削力太大或切削温度太高；
4) 刀具由于骤热骤冷(如断续切削、冷却液等)产生太大的热应力以致出现裂纹；
5) 操作不当等使切削刃受到突然机械或热冲击，以致崩刃、热裂等。

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图2 刀具后刀面磨损
由于后刀面磨损(如图2所示)可以较准确地进行预报，刀具寿命较易控制，因此也是期望发生的失效形式。切削力增加或切削速度升高引起的切削温度增加均会使后刀面磨损加剧。刀具使用寿命通常用其后刀面磨损带的宽度VB来表示，如图3所示。

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图3 刀具后刀面磨损的典型曲线
机械磨损引起的剥落既发生在前刀面，也发生在后刀面。发生在前刀面上的剥落区域一般比发生在后刀面上的剥落区域小，如图4所示。

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图4 机械磨损引起的剥落
热扩散也会导致前、后刀面的剥落，如图5所示。

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图5 热扩散引起的剥落
刀具的非正常磨损即剥落破损或刀刃的断裂通常发生在断续切削过程中，加工系统刚性差时也会发生刀具破损。增加刀具材料的韧性(增加硬质合金刀具材料中黏结相钴的含量，或增加TiC及TaC等的含量)可有效避免刀具破损的发生。另外，增加刀具结构的强度，增大加工系统的刚性都会减少刀具发生破损的概率。

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图6 边界磨损
边界磨损(图6)一般发生在切削深度方向与工件表层相接触的切削位置，是局部的剥落及前刀面月牙洼磨损，在加工不锈钢、高温合金、淬硬材料、表层较硬或很软的钢时，容易发生边界磨损。为了减小这类刀具磨损，可采用CVD涂层刀具；增加硬质合金刀具材料中黏结相钴的含量(如富钴类硬质合金)，也可减小这类刀具磨损。

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图7 刀具失效分析
总之，刀具失效的影响因素、失效形式及产生机理都是非常复杂的。生产上，可从观察刀具失效形式入手，分析其失效机理，找出影响因素，提出相应的减少刀具失效的措施(如图7)。

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Mar 18 Tue 2008 12:40
工具夹头的四个质量要素www.tool-tool.com

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CNC 加工中心在过去的30年间得到了持续改进和发展。如今这些机床的设计充分体现了柔性化，通过很小的结构变化，就能够应用于从短期工具制造到长期产品生产的各种加工场合。过去曾采用焊接或铆接装配的飞机零部件，现在则可以在高速大功率加工中心上将整块铝坯掏空加工而成。汽车发动机过去几乎完全由专用的传送流水线进行生产，如今则趋于用加工中心进行敏捷制造。这些加工中心都有一个基本特点：能够自动更换工具而无需操作者干预。

工具夹头在各种不同的切削刀具与加工中心主轴之间提供标准连接。它的工作方式与一个可调整的钻夹头类似，就像家庭维修工可以更换手提钻的钻头一样。加工中心的主轴孔和工具夹头的柄部及法兰均按标准制造，这些标准过去25年间在世界范围内得到了发展。总的来说，这些标准的制定比较完备，只要主轴和工具夹头都符合标准规定，就可以保证它们之间的连接既牢靠又有很高的同心度。

由于工具夹头采用标准结构，也由于它相对于机床主体而言创新发展较缓慢，因此在一些加工中心用户中形成了一种挥之不去的印象：工具夹头似乎是一种 “商品”（标准化产品）。从今天在市场竞争中打拼获得成功的工具夹头制造商的数量来看，也很容易得出这一结论。但是一些终端用户并不认同“商品”的概念。确实，某种类型的所有工具夹头看似相像，但肯定不会完全相同。

工具夹头的质量差异

是什么原因使一种产品优于另一种呢？在大多数金属切削加工中，合格零件与废品之间的区别常常在于关键尺寸上极微小的差异。同样，一个高精度工具夹头的不同之处也取决于所采用的制造公差。

评价指标1：同心度

切削刀具的回转轴线必须与机床主轴的回转轴线精确一致。实现近于完美的同心度的方法虽然很明确，但也很复杂。

首先，将工具夹头的锥柄装入对应的主轴锥孔时，每一次都必须非常精确。为此，配合表面的锥角公差必须很小。这些公差由国家或国际标准委员会制定和颁布，一般可供任何人查阅。制造完成的工具夹头要用量规检测其圆度和锥角，而这些量规则由实物基准规来标定。生产现场采用的测量方法各不相同，从实物接触机械式测量、实物接触/电子模拟量测量到非接触模拟量测量（如气动量规）。所有这些行之有效的方法都有一个共同特点：都要用实物基准规来标定。

不同工具夹头制造商的基准规之间存在明显的差异。这一肯定的判断是基于多年来对不同制造商的工具夹头产品进行成百上千次测量的结果。简言之，它们的确不同。即使假定市场销售的所有工具夹头均与它们各自对应制造商的基准规相符，但不同的制造商采用的基准规却并不相同。随之产生了一个问题：不同制造商的工具夹头与机床主轴的适配性也不尽相同。其原因很简单：没有标定标准锥度的“母基准规”。虽然位于马里兰州的美国国家标准和技术研究所（NIST）和一些高水平计量实验室（如位于俄亥俄州的Timken公司实验室）具备了在确定环境条件下采用具有适配精度的回转工作台测量锥度的能力，但没有单一基准实物量规能够方便地检定其它具有相同尺寸和锥度的实物量规。可以理解，在没有单一基准源或可供所有量规溯源的基准规的情况下，市场上不同厂家的产品与标准规定尺寸的符合程度就存在差异，而这些差异将影响与主轴的配合质量。下面作进一步分析。

现在讨论的仍是使工具与主轴中心线同心的问题。即使主轴适配性混乱的问题很快得到解决，问题也会转向工具夹头的业务终端：由于目前还没有锥度基准的国家标准或国际标准，因此工具夹头的终端用户更有理由对产品失去信心。国际或各国标准化组织（如ISO、ANSI、JIS、DIN等）已对主轴与工具夹头的锥度适配性和工具更换功能作出了相应规定。但另一方面，切削刀具与工具夹头的适配性则取决于工具夹头制造商，他们自行设定立铣刀夹头的内径公差、套筒夹头的锥角公差以及套式铣刀轴的端面垂直度等，他们还自行制定工具夹头的夹持部与连接机床主轴的锥柄的同心度。这样，只有工具夹头制造商能给他们自己的机床配备专用夹具，以机床主轴的接口面作为参照面，加工出适配的锥柄工作表面。

在结束关于同心度的讨论之前，还必须考虑一个更具普遍性的变数——制造商本身是否具有不仅能生产优质产品，而且能始终如一地长期生产优质产品的能力。在任何制造业中，不同制造厂商具备的能日复一日长期制造高质量产品的能力都不尽相同。在你自己的业务范围内，你总能列举出好的和不太好的竞争对手及供应商的名字。通常在每个市场中总有一个龙头企业，而好的制造商都会努力争取获得这种地位。

总之，对于工具夹头的首要质量指标——同心度而言，完全有理由相信，由不同制造商生产的工具夹头可能因计量检测、产品标准、公差及制造能力不同而存在质量差异。

评价指标2：夹持强度

绝大多数工具夹头都按照标准制造，具有非常相似的外观。CAT、BT或HSK系统都是侧面锁紧式立铣夹头，可利用一个紧固螺钉顶紧刀具上的一个平面，以防止刀具松动。它们可以使用标准夹套，使夹头在夹持不同直径刀具时具有更好的适配性，也可以专门用于夹持螺纹刀具或莫氏锥柄钻头，此外还有其它功能。事实上，每个CNC工具夹头制造商都在努力提供适用于大多数切削刀具和机床主轴的解决方案。

夹持力是防止刀具在夹头中转动的能力。使用夹套是引起夹持力变化的主要原因。通常应首选单角夹套，如ER和TG系列产品。单角夹套能施加更大的夹持力，并能保证极好的同心度。但像工具夹头一样，不同制造商生产的夹套之间也有很大差异。为使由夹头、夹套和刀具构成的组件能获得尽可能好的同心度，必须采用专用量具或高精度刀具预调仪来测量同心度。为了获得夹持力与同心度的最佳组合，应采用液压夹头或热缩夹头，这样可以完全不必使用夹套。

一些制造商仍可提供用于极端加工场合的重载套筒夹头和立铣夹头。但是，除了液压和热缩技术可能有所不同外，大多数制造商都在复制彼此的产品系列，因此市场上的工具夹头产品在外观上令人吃惊地千篇一律，不同之处仅在于各自采用的制造方式。这就又回到了前面得出的结论：差异在于制造商的检测方式、企业标准、公差大小以及——最重要的——制造能力的不同。总而言之，各种工具夹头不可能完全相同。

评价指标3：检测

这里有一个可说明工具夹头检测差异的例子：6年前，COMMAND TOOLING SYSTEMS公司开始按照HSK标准生产工具夹头，首先购买了所需的量具。获得量具后经过测量比对，发现不少竞争对手（当时大部分为欧洲制造商）生产的 HSK工具夹头与我们从德国获得的基准量规相比变化范围相当大。结果令人吃惊：所检测的产品没有一件位于公差范围之内。为了确保检测结果正确，我们又从德国另一家量规制造商处购买了一个新的基准量规。令人吃惊的是，这两个量规完全一致，区别仅在于制造方法不同。制造符合HSK标准的工具夹头毕竟不是在公园里散步，因此应该得到更好的检测结果。

每一个被加工产品都有公差，主要用于衡量制造变化量的大小——变化越小，公差越紧。因此，上述事例并不否认被检测的夹头在某种水平上（或对于某些主轴）能够使用。但是，工具夹头制造商却无法控制夹头的终端使用情况。如果提供销售的夹头产品就未达到相关标准，则夹头制造商对于夹头严重偏离标准的情况也无能无力。

评价指标4：平衡

如今销售的越来越多的加工中心配备了设计最高转速达10000rpm或更高的主轴。用于这些机床的刀具不但必须具有很好的同心度和高强度，而且必须与主轴一样进行精细的平衡，否则将会产生有害的振动而引起震颤，从而降低加工表面光洁度，缩短刀具寿命。在不平衡量很大的极端情况下，还可能造成主轴损坏。近年来已有不少文献对工具夹头的平衡问题进行了探讨，在此无需重复。但其中很重要的一点是，因刀具/ 工具夹头组合系统不平衡而产生的离心力与主轴转速的平方成正比。如果在转速1000rpm时产生的力可忽略不计的话，转速10000rpm时产生的力则是其100倍，20000rpm时的力则是其400倍。因此，在主轴转速不断提高的情况下，要求具有极好的同心度显得更为重要，因为如果刀具回转偏离了主轴中心线，它将成为附加不平衡量的一个主要来源。

工具夹头的不平衡通常来源于功能性设计，如立铣夹头中的锁紧螺钉或CAT夹头中传动槽的深度不等。但由于许多原因，不平衡量的产生常常是随机性的。无论不平衡源于何处，都需要去除一部分材料，以消除不平衡量，起到修正作用。另一种解决办法是使用可调平衡刀具夹头，用户可通过调整径向螺钉或平衡环来消除不平衡。在此情况下，需要确定工具夹头不平衡的位置和大小，而这就需要使用复杂的平衡检测仪。在某些情况下，车间最好使用来源可靠的、经过预平衡的工具夹头，并配套使用高质量的切削刀具，与购买和使用动平衡仪相比，这样性价比更高。

不可忽视工具夹头

许多事例表明，通过改善主轴适配性、同心度和平衡性能，可以降低加工难度。从事模具制造的Gem Tool公司通过简单地将夹套系统由双角设计更换为单角的DR20系列，改善了同心度和换刀重复性，使刀具寿命和加工精度都得到了提高。波音公司在加工复合材料仪表板时，由于刀具非常小，几乎不允许有不平衡引起的误差，因此为转速30000rpm的弹簧夹头设计了特殊的突出部，进一步提高了夹头的平衡性和同心度。另一个明尼苏达州的制造商用单点金刚石刀片对几十万个孔进行单点镗孔加工，孔的公差仅为0.0003in.（0.007mm）。要通过多次自动换刀完成如此高精度的加工操作，主轴的适配精度极其重要。

在上述加工实例中，有些属于极端加工条件，有些则不是（如更换夹套系列）。关键在于，如果没有精确的主轴适配性、同心度和良好的动平衡，要在这种极端条件下完成加工实际上是不可能的。而将这些理念应用于车间的日常加工中也大有裨益。精确的主轴适配性可提高批量加工零件的重复精度，在生产过程中易于保证公差，从而降低加工成本。高的同心度可使刀具每齿切削负荷均衡，刀具寿命延长，从而减少刀具费用和辅助工时。良好的平衡能充分发挥机床的加工能力，提高工效，减少工时。

希望降低加工过程可变性的精密制造商应认真考虑高质量工具夹头的边际成本差异。良好的工具夹头能够在增加生产效率的同时减少刀具费用和辅助工时。

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、汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具等等。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！！

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool..com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

ようこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

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弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、

豊富なパリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。

弊社は各領域に供給できる内容は：

弊社の製品の供給調達機能は：

弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

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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Mar 17 Mon 2008 18:25
スタバックスヘール加工法 www.tool-tool.com

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調質ＨＲＣ３５
刃具、超硬チタンコウティング
切り込み０．０２
送りＦ４０００
山径８０、谷径７６
ヘール加工にてねじきりをしています。面精が悪く困っています。どなたか良い加工条件をお知りの方御教授をお願いします。

回答は締め切られました

私は、以前ＮＡＫ５５、ＮＡＫ８０、などの材料にヘールによるねじ加工をしていましたがヘール加工の場合、硬度よりもまず材質の粘りがどれくらい有るのかによって条件がかなり変わるので硬度だけでは、なんともいえないですけど。
切れ味は、工具のスクイ角や、逃げ角にかなり左右されますよ。後、工具の材質にも左右されます。

切り込み量や送りは、大体そんな感じでいいと思いますよ。後は、最終径で何週かしてやるといくらか面が向上するのではないかと思います。
後、工具の情報と材種が解るともっと意見出来るとおもいますが？

ご意見大変ありがとうございました。試行錯誤の結果ワーク材質がクロム合金ステンレス工具鋼であったため焼き入れ焼き戻しを行い、金属の性質をかえ、硬度ＨＲＣ５２、刃具にダイヤモンドのコーティング、スクイ角をつけて加工してみました。面精は、格段に向上し磨き作業がだいぶ楽に出来るようになりました。
アドバイスどうり、今後は最終径で何週かしてみたいと思います。どうもありがとうございました。今後とも宜しくお願いいたします。

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Mar 17 Mon 2008 18:25
主な金属熱処理用語www.tool-tool.com

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用　　　語定　　　　　義記　　号
　焼ならし鉄鋼製品の前加工の影響を除去し、結晶を微細化して、機械的性質を改善する処理　HNR
　焼なまし金属の機械的性質を変化させ、残留応力の除去、硬さの、延性の向上、被削性の向上、冷間加工性の改善、結晶組織の調整、ガスその他不純物の放出、化学組成の均一性などを行う処理　HA
　完全焼なまし鉄鋼製品の結晶組織を調整し、軟化する処理　HAF
　軟化焼なまし金属の硬さを低下させ、後の塑性加工、切削加工などを容易にする処理　HASF
　応力除去焼なまし加工ひずみ又は残留応力を除去するために行う処理　HAR
　球状化焼なまし鉄鋼製品の機械加工性及び冷間加工性を改善し、又はじん性を向上するための処理　HAS
　焼入れ金属製品を所定の高温状態から急冷する処理　HQ
　サブゼロ処理鉄鋼製品の耐摩耗性の向上、経年変形などを防ぐために、焼入れ後直ちに０℃以下の低温度に冷却する処理　HSZ
　焼戻し焼入れした組織を、変態又は析出を進行させて安定な組織を近づけ、所定の性質及び状態を与える処理　HT
　高周波焼入れ高周波誘導加熱を用いる焼入れ　HQI
　光輝焼入れ保護雰囲気中などで焼入れし、表面の高温酸化、脱炭などを防止する処理　HGQ
　焼入焼戻し焼入れ後、焼入れによるぜい性を改善し又は硬さを調節し、若しくはじん性を増すための処理　HQ-HT
　調質焼入れ硬化後、比較的高い温度で焼戻して、トルースタイト又はソルバイト組織のする処理　
　侵炭鋼製品の表面の炭素量を増加させるため、侵炭剤中で加熱する処理　HC
　窒化金属製品の表面層に窒素を拡散させ、表面層を硬化する処理　HNT
　軟窒化窒素を主体とし炭素又は酸素を同時に拡散させ、窒化層を形成させる処理　HNTS
　全硬化層深さ硬化層の表面から、硬化層と生地との物理的又は化学的性質の差異が区別できない位置までの距離　
　有効硬化層深さ
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　
　

硬化層の表面から、規定する限界硬さの位置までの距離
（炎焼入れ又は高周波焼入れ； JIS G 0559）
有効硬化層深さ
鋼の炭素含有量％ピッカース硬さ　HV ロックウェルＣ硬さ　HRC
　0.23以上　　0.33未満３５０３６
　0.33　　　　　0.43 ４００４１
　0.43　　　　　0.53 ４５０４５
　0.53 ５００４９

表示記号
硬化層深さピッカース硬さロックウェル硬さマクロ組織試験
高周波焼入れ有効硬化層深さＨＤ-Ｈ△－Ｅ（　）ＨＤ-Ｈ□－Ｅ（　）　
炎焼入れ有効硬化層深さＦＤ-Ｈ△－Ｅ（　）ＦＤ-Ｈ□－Ｅ（　）　
高周波焼入れ全硬化層深さＨＤ-Ｈ△－ＴＨＤ-Ｈ□－ＴＨＤ-Ｍ－Ｔ
炎焼入れ全硬化層深さＦＤ-Ｈ△－ＴＦＤ-Ｈ□－ＴＦＤ-Ｍ－Ｔ

△はJIS Z 2244の表１における硬さ記号の数字、□には、JIS Z 2245の表１におけるスケール、（　）内は、限界硬さ又は指定硬さ

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Mar 17 Mon 2008 18:25
不可忽視的陶瓷鍍膜www.tool-tool.com

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語說：「人要衣裝，佛要金裝。」這句話凸顯了日常生活中表面功夫的重要性，也說明了鍍膜工程的最初動機。漂亮的衣著發揮了禦寒的功能，也增添了賞心悅目的外觀。另一方面，陶瓷材料的多樣化外觀、高硬度、耐高溫、耐蝕性，以及各種聲、光、電、熱、磁的特性，若能以鍍膜的形式依附在其他材料的表面上，就能發揮各種新奇的功能。

然而對硬脆又高熔點的陶瓷材料進行加工，是一件非常困難的事。以裁切玻璃為例，常用的金屬刀具恐怕都愛莫能助，只能以金剛石在玻璃上劃出刻痕，再施力折斷玻璃，若想在玻璃上挖出漂亮的圓洞，那更是一件傷腦筋的事。

在最近的二十幾年間，各種鍍膜技術相繼發展，藉由這些技術可得到不同厚度與顏色的陶瓷膜，也可以運用在不同外型、尺寸及材質的底材上，完全擺脫成型加工的困難，大幅拓展了陶瓷材料的應用。以下所提的例子有些早已應用在日常生活中，有些則像千里馬仍默默等待伯樂的發掘。

堅硬護甲的陶瓷鍍膜

陶瓷給我們的第一印象是堅硬、耐蝕及多變的色彩，因此若能在金屬物件的表面被覆一層陶瓷膜，對於物件的耐磨、防蝕與美觀均有加分的效果。最初的陶瓷鍍膜製作方式是使金屬表面氧化，以形成一層氧化物陶瓷，例如生活中常見的不銹鋼與陽極發色鋁合金。然而隨著各種鍍膜技術的開發，我們已經可以在各種材質的表面上被覆所需的陶瓷鍍膜，提升生活用具的美觀與耐用。

日常生活常見一些金色餐具、水龍頭、手表、飾物及眼鏡架等物件，以及五金工具用的鑽頭、銑刀等。這些物件中大部分是藉由鍍膜技術在其表面成長氮化鈦（TiN）或氮化鋯（ZrN）等陶瓷硬膜，這些硬膜不但亮眼美觀，不怕刮損，還可以增加刀具的硬度與切削力，更可降低刀具的表面磨損，延長使用壽命。除此之外，許多氮化物，例如氮化鉻（CrN）、氮化鈮（NbN）、氮鈦化鋁（TiAlN）、氮化碳鈦（TiCN）及氮化鉿（HfN）等鍍膜也有相同的功能。

當然，其他堅硬的碳化物如碳化矽（SiC）、碳化鈦（TiC）等，同樣可用鍍膜技術被覆在切削刀具上。另外，機車引擎中的「陶瓷汽缸」，也需藉由陶瓷鍍膜來提升汽缸壁的耐磨性。甚至自然界中最硬的鑽石，也能藉由鍍膜技術被覆在物件表面，形成鑽石膜或類鑽碳膜。

赴湯蹈火的陶瓷鍍膜

陶瓷材料耐熱抗蝕，具有化學安定性，所以選用陶瓷硬膜來保護金屬底材，除了堅硬外，保護金屬底材不受腐蝕也是一個重要的原因。石化工業所用的葉片、軸承、爐管或冷凝器，往往被覆有氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻、氧化鋯矽等陶瓷混合層，來強化組件的抗蝕性。

陶瓷觸媒材料也具有催化效果，譬如最近的熱門話題「奈米光觸媒」材料，即二氧化鈦（TiO₂）、氧化鋅（ZnO）等，把這些材料分散為奈米顆粒塗布在瓷磚、衛浴設備的表面上，即在陶瓷器表面塗上一層光觸媒，既可以抗菌，又可以防污。同樣地，藉由鍍膜技術將光觸媒薄膜被覆在各種日用品上，也可以達到相同的效果，將之泡在水裡用以淨化水質，則不用擔心粉末過濾及回收的問題。

另外像氧化鋯固態電解質鍍膜，除了可以做為氧氣偵測器外，也可以用在燃料電池中產生電流，以及用在燃燒室器壁上提高氫氣反應效率。氧化鋯鍍膜常用做渦輪與柴油引擎的防熱層，把氧化鋯被覆在引擎與活塞金屬表面上，藉由它的低熱傳導率與抗熱震性，隔絕引擎中燃燒氣體的熱量傳入金屬元件，既能提升引擎效率，又可延長引擎組件的壽命。

一些陶瓷塗層，像是氧化銦、氧化錫或其混合塗層，具有遠紅外線加熱的功能，可以做為加熱器，用於烹煮食物可免除燒焦的困窘，用於健康輔助器材，則可活絡筋骨。

刻骨銘心的陶瓷鍍膜

陶瓷鍍膜也常用在生醫植入材的表面上，像在人工牙根、人工關節的表面鍍上氧化鋁可以降低磨耗，以及避免金屬底材腐蝕溶解對人體產生不良效應。另一方面，二氧化鈦鍍層可以讓骨骼組織附著生長。由於人體的骨骼也是陶瓷複合材料的一種，在人工骨頭表面鍍上類似骨質的氫氧基磷灰石塗層，能幫助植入物與組織生長在一起。此外，像人工心瓣的表面也常鍍有碳材料層以防止血栓。

光影交錯的陶瓷鍍膜

日常生活中常見到，外觀晶瑩剔透、絢爛奪目的水晶、翡翠、紅寶石等，其實都只是各種氧化物組成的陶瓷材料，只是各具有不同的光學性質。若將之薄膜化，重疊或化合在一起，就可以結合不同的光學性質，製作濾波、偏光、反射、發光等用途的光學鍍膜。

其實像氧化鈹（BeO）、氧化鎂（MgO）、氧化鋁（Al₂O₃）、硫化鋅（ZnS）等陶瓷鍍膜，都具有不同波長的透光特性，早已廣泛應用在光學產品中，包括鏡片上的多層抗反射膜、攝影機鏡頭的濾光鏡等。如果陶瓷鍍膜在紅外線波段為可穿透，又有足夠的硬度，那就成為紅外線導引飛彈彈頭的最佳保護層了，鑽石薄膜就是其中的佼佼者！

有些陶瓷鍍膜的顏色及光線穿透度是可以調整的，例如氧化鎢（WO₃）就具有電致色變的能力，藉由通入電流改變氧化鎢的結構，就能使氧化鎢鍍膜由透明變成藍色，變色的程度亦可藉由改變電壓來控制。將這些電致色變材料鍍在鏡子與窗戶上，就能達到隱私、遮光與節能的效果。

來電的陶瓷鍍膜

由金屬千篇一律的導電性，來到陶瓷材料，就具有不同程度的絕緣、介電、半導體甚至導電特性，利用鍍膜技術將其輕量與微型化，就能應用在現今精密的機電產品中。目前的積體電路晶片就是由金屬與陶瓷鍍膜交疊而成，像氮化矽、氧化矽鍍膜就是積體電路中主要的絕緣層、介電層與保護層。

將鋯鈦酸鉛（PZT）壓電材料薄膜化後，所製作的致動器動作變化就更加精準，因此成為微機電系統裡重要的鍍膜，可以取代馬達、線圈所組成的笨重致動器。
將材料薄膜化不單只是減小元件的體積，若將鍍膜重複交疊，更可以大幅增加表面積，像以金屬電極鍍膜與陶瓷介電鍍膜交疊製作的多層電容，不但體積小，電容量也增大。

有些陶瓷材料允許較輕的離子像氫離子或鋰離子在其中移動，成為電池中的電解質，像氧化鋯、氧化鉭等固態電解質已被考慮用於燃料電池及薄膜電池中。氧化銦錫（ITO）是一種常用的透明導電陶瓷膜，許多顯示器與變色玻璃都用到它，當您在觀看液晶螢幕時，它正在為您服務呢！氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鉭等陶瓷硬膜，除了耐磨外，也具備低電阻與低擴散係數的特性，也是半導體技術上常用的擴散阻礙層，以隔絕半導體與金屬層間的化學反應。

鍍膜技術不只是把材料加以變薄應用而已，有時候反而是藉由鍍膜技術製作出特殊的材料，像近年發展中的碳奈米管場發射顯示器、超級電容以及其他奈米材料等，也多是藉由鍍膜技術成長出來的。

陶瓷鍍膜的製作技術

由於陶瓷材料的硬脆與高熔點，製作陶瓷薄膜的方法就必須採用釜底抽薪之計，讓原子狀態的元素在空中混合，在適當的條件下凝固在物件表面上，或者是以極小的尺寸如陶瓷粉末，利用熱能使之結合在物件表面上。依照原料的初始狀態，陶瓷鍍膜的製作技術可概分為氣相、液相與固相三大類。氣相法又分為物理氣相沈積與化學氣相沈積兩種。前者的原理就好比呵口氣在冷玻璃上，水氣會凝結成水膜一樣，只是在不同溫度下操作而已。

為了確保活潑的原料氣體不會與空氣反應而變質，真空環境是必須的。將鍍膜的原料在真空中加熱氣化或施以電擊使之離子化，再將這些原子與離子凝固聚集在物件表面形成鍍膜，如果將金屬氣化，通入非金屬氣體，當金屬元素遇到非金屬元素時可化合成陶瓷，就可以製造出千變萬化的陶瓷鍍膜。化學氣相沈積法則是將幾種氣體混合，使之發生化學反應，並沈積在物件表面上形成鍍膜。

液相製作主要是將工件浸泡入溶液之中，溶液中的過飽合物從而沈澱在物件表面上，通常再進行乾燥，並像燒瓷器一樣，將之燒結成陶瓷膜。

因為堆疊鍍膜的過程是一顆顆原子累積起來的，因此氣相和液相的鍍膜製造方法速率極慢，不過卻可得到高品質的鍍膜。另一種陶瓷厚膜的製造方式，是將陶瓷粉末以極端快速方式加熱至熔化，將這些熔融粒子噴灑在物件上，堆疊成陶瓷鍍膜，是陶瓷厚層的主要製作方式。

每種鍍膜的製造方法各有其優劣點，可以根據品質、成本、方便性做不同的選擇。事實上關於陶瓷鍍膜的製造與運用，有很多研究人員正不斷在研究創新中。舉凡物理、化學等相關基礎領域的人才，或機械、材料、電機、電子、化工等應用科技領域的人才，正群策群力為鍍膜運用的成功走出下一步。

從以上的一些例子可以發現，生活上常用的各種工具、機械刀具與零件、電子產品，甚至飛機引擎，或多或少都有一些陶瓷鍍膜在上面。雖然它們有時帶有炫麗的色彩，但大多數看起來或黑或白、或稀鬆平常、或無色透明，只是依附在物品表面上的薄薄一層，幾乎讓人忘了它們的存在，但是它們的功能卻大到不可忽視。身為伯樂的您，是否願意加入追尋千里馬的行列呢？

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