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摘 要:介紹了金相試樣切割機(jī)的國內(nèi)外研究情況,以及多種類型切割機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。就我國切割機(jī)的性能和砂輪片質(zhì)量等方面存在的問題進(jìn)行了討論。以微處理器控制為基礎(chǔ)的各種制樣設(shè)備代表著目前金相制樣設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)。通過機(jī)電結(jié)合、軟硬件結(jié)合及互補(bǔ)、增加調(diào)速功能及柔性切割功能、改進(jìn)砂輪片質(zhì)量等方式來改造傳統(tǒng)的金相切割設(shè)備。
關(guān)鍵詞:金相;切割;試樣;制備
1 引言
金屬零件的力學(xué)性能不僅與它的化學(xué)成分有關(guān),也與它的金相組織密切相關(guān)。金相檢驗(yàn)是控制和評定產(chǎn)品質(zhì)量不可缺少的重要手段,是科學(xué)研究中研究新材料、新工藝和提高金屬制品內(nèi)在質(zhì)量的重要方法。
要進(jìn)行金相分析,就必須制備能用于微觀檢驗(yàn)的樣品———金相試樣。通常,金相試樣的制備要經(jīng)過取樣、鑲嵌、磨光和拋光幾個(gè)步驟。每個(gè)步驟都應(yīng)該細(xì)心操作,因?yàn)槿魏坞A段上的失誤都可能影響最后的結(jié)果,因?yàn)檫@可能會(huì)造成組織假象,從而得出錯(cuò)誤的結(jié)論。金相試樣的制備是通過切割機(jī)、鑲嵌機(jī)、磨/拋光機(jī)來完成。金相試樣的截取是金相試樣制備過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。截取試樣的方法有手鋸、鋸床、砂輪切割機(jī)和線切割機(jī)等等。根據(jù)零件的形狀和材料,選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉砬懈�。目前砂輪切割機(jī)廣泛應(yīng)用于金相試樣的截取上,主要原因是其
適應(yīng)性強(qiáng),樹脂砂輪片可切割軟的金屬零件如銅、鋁及合金和硬的金屬零件如淬火后的碳鋼、高速鋼;金剛石切割機(jī)可切割超硬材料如硬質(zhì)合金、陶瓷等。另外其切割速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作簡便和切割成本低。選擇可靠性高的金相試樣切割機(jī),可以提高制樣效率和質(zhì)量,降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。
2 金相試樣截取的技術(shù)要求
與機(jī)械行業(yè)中的金屬切割、下料不同,金相試樣的切割有它自身的要求和特點(diǎn),截取的金相試樣必須保持原有的組織狀態(tài),即必須保證所截取的試樣的金相組織與原狀態(tài)金相組織一致,這就要求：
①在截取試樣的過程中試樣受熱、受外力作用要盡量小;
②配備良好的冷卻系統(tǒng),保證切口無過熱和過燒現(xiàn)象;
③精確控制進(jìn)給量的大小,保證試樣變形小,光潔度高;
④砂輪切割機(jī)應(yīng)配備精確的卡具和良好的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),保證試樣的切口垂直性好,切口余量小,零件裝卡方便;
⑤切割機(jī)應(yīng)有良好的防護(hù),保證使用安全。
作為室內(nèi)使用的切割設(shè)備,切割機(jī)還必須具備較低的噪音,保證無噪音污染。配備循環(huán)冷卻系統(tǒng),注意節(jié)約用水和室內(nèi)清潔。
金相試樣切割質(zhì)量的好壞嚴(yán)重影響試樣的組織結(jié)構(gòu),已逐步引起有關(guān)專家的重視。近年來,國內(nèi)外在切割機(jī)的性能上作了大量研究工作,研究出不少新機(jī)型,新一代切割設(shè)備,正由原來的手動(dòng)操作,發(fā)展成為數(shù)顯、數(shù)控及微電腦智能控制。下面介紹常用的砂輪切割機(jī)類型與特點(diǎn)。
3 金相切割機(jī)分類與特點(diǎn)
根據(jù)工件移動(dòng)和砂輪片移動(dòng)形式可將金相切割機(jī)分為兩類:一類為工件移動(dòng),砂輪軸旋轉(zhuǎn)、但其位置固定的切割機(jī);另一類為固定工件而砂輪軸作移動(dòng)的切割機(jī)。按切割精度可分為普通切割機(jī)和精密切割機(jī)。
3.1 移動(dòng)工件,砂輪軸位置固定的切割機(jī)
(1)上海日用電機(jī)廠生產(chǎn)的Q22型金相試樣切割機(jī)配備1.1kW電機(jī),采用<250mm砂輪片。特點(diǎn)是切割砂輪直接固定在電動(dòng)機(jī)的軸上,利用夾具的擺動(dòng)來切割固定在鉗口中的試樣。冷卻系統(tǒng)是人工調(diào)整旋鈕控制流量的單根水管。操作時(shí),由罩殼將砂輪片罩住,以防冷卻液飛濺和砂輪片碎裂時(shí)飛出傷人。此類切割機(jī)的特點(diǎn)是,電動(dòng)機(jī)在底座上固定不動(dòng)。砂輪轉(zhuǎn)速固定,體積小,制造成本低,適用于切割30mm×30mm形狀簡單的柱形試樣。
(2)太湖機(jī)械廠生產(chǎn)的JQ21型金相試樣切割機(jī)配備2.2kW的電機(jī),采用<250mm砂輪片。工件安裝在工作臺面上,通過工作臺垂直和水平移動(dòng)切割工件。最大切割尺寸75mm×300mm,工作臺上下移動(dòng)距離180mm,工作臺左右移動(dòng)距離300mm,砂輪轉(zhuǎn)速3300r/min。此類設(shè)備類似于銑床,適應(yīng)于切割塊狀零件,機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,造價(jià)較高。
(3)美國BUEHLER公司ISOMET型精密金相試樣切割機(jī)①可以精確設(shè)定切割的時(shí)間、壓力及速度,并在面板上顯示出來;②試樣夾持機(jī)構(gòu)具有壓力傳感器防止試樣撞擊鋸片邊緣,避免鋸齒損壞;③試樣以很輕的初始負(fù)載自動(dòng)送到旋轉(zhuǎn)著的鋸片;④工作負(fù)載可預(yù)定在0.98～9.8N之間,切割完畢后,獨(dú)特的傳感機(jī)構(gòu)使得試樣夾持臂返回到原位置。該機(jī)有三種冷卻方式,①低速時(shí),可利用冷卻劑的滯動(dòng)作用;②速度較高時(shí),可使用切割機(jī)自身的浸水泵冷卻循環(huán)系統(tǒng);③切割硬質(zhì)材料時(shí)速度很高,可連接一個(gè)外部供水排水裝置,以達(dá)到最佳的冷卻效果。Isomet1000型精密切割機(jī),功率為0.93kW,切割過程采用弧形進(jìn)刀方式,金剛石切割片直徑<75mm～<200mm,轉(zhuǎn)速范圍100～5000r/min�？勺詣�(dòng)進(jìn)料和受控進(jìn)料,定位精度為2μm。該機(jī)特別適用于高速、高質(zhì)量切割極硬材料小試件。
3.2 固定工件,砂輪片移動(dòng)的試樣切割機(jī)
(1)上海日用電機(jī)廠生產(chǎn)的Q23A型金相試樣切割機(jī)配備2.2kW電機(jī),采用<250mm砂輪片。砂輪片固定在擺臂的主軸上,電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。零件用卡具固定在工作臺上,搖動(dòng)擺臂使砂輪片移動(dòng)切割工件。砂輪片固定在擺臂上,排除了電機(jī)對切割零件的影響,可使零件的切割長度范圍不受限制。如采用直徑<250mm砂輪片,其最大切割直徑<50mm,最大切割寬度60mm,最大切割高度80mm。用手動(dòng)擺臂來決定切割進(jìn)給量,若用力不均勻會(huì)造成質(zhì)量差異。該機(jī)特點(diǎn)是,砂輪轉(zhuǎn)速固定,額定轉(zhuǎn)速為3500r/mm,裝卡試樣方便。
(2)河北農(nóng)大機(jī)電新技術(shù)公司生產(chǎn)的Q2100型金相試樣切割機(jī),功率為2.2kW的電機(jī),可以安裝<250mm或<300mm砂輪片,電機(jī)和砂輪軸支撐架安裝在同一滑板上,手搖手輪或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑板,從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)刀和退刀運(yùn)動(dòng)。創(chuàng)新采用內(nèi)置式全方位循環(huán)冷卻系統(tǒng),使冷卻液雙向多孔噴射在砂輪片兩側(cè),并利用砂輪片的旋轉(zhuǎn)離心力將冷卻液帶入試樣切口內(nèi),保證試樣切割時(shí)不受熱。汲取國外脈動(dòng)進(jìn)刀的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了進(jìn)三退一的程序,控制進(jìn)刀過程,即切割3mm后,退回1mm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式。特點(diǎn)是,砂輪片不易走斜和彎曲;試樣切口光滑、平直;砂輪片不易磨損和破裂;冷卻液更容易進(jìn)入切口內(nèi),增加冷卻效果;組織無變形和過熱等現(xiàn)象。設(shè)計(jì)了無級調(diào)速進(jìn)刀系統(tǒng),可切割超硬材料和大型工件。退刀由行程開關(guān)控制快速退刀提高工作效率。采用全封閉自動(dòng)切割方式,保證操作者安全工作。防護(hù)罩兩端設(shè)有開合式窗口,使得切割工件長度無限制,并防止冷卻液飛濺。如采用直徑<300mm砂輪片,最大切割直徑<80mm,最大切割寬度135mm,最大切割高度100mm。該機(jī)經(jīng)改型設(shè)計(jì),加大水箱和防護(hù)罩的尺寸,改變工作臺面的位置,還可以切割汽車半軸和搖臂軸等不易切割的大型零件。
(3)Buehler公司生產(chǎn)的ABRASIMET-型切割機(jī)是將電機(jī)及底座、操作桿安裝在同一軸線上,通過手動(dòng)進(jìn)行切割試件。切割過程采用弧形進(jìn)刀方式。配備3kW電機(jī)和<254mm的切割片可切割直徑為<76mm的試樣。
ABRASIMATIC型自動(dòng)砂輪片切割機(jī)配備液壓氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),切割力可調(diào),自動(dòng)操作。
OSCILLAMET型砂輪切割機(jī)配備2.2kW電動(dòng)機(jī)和<305mm的切割片,可以切割長度達(dá)320mm,或95mm×102mm的大塊試樣。該機(jī)通過砂輪擺動(dòng)使接觸面積減至最小,以保證獲得無過燒并提高切割能力,由于砂輪片可以垂直方向定位,還可切割曲軸。
POWERMET2000型砂輪切割機(jī)配備5.5kW電動(dòng)機(jī)和<356mm的砂輪切割片,切割直徑可達(dá)<102mm,或50mm×150mm。采用脈沖式切割方式,可以切割長樣品,能編程,IC控制,自動(dòng)切割。
(4)STRUERS公司生產(chǎn)的Labotom23型切割機(jī),其機(jī)構(gòu)與ABRASIMET2型切割機(jī)類似,切割最大直徑達(dá)<90mm。這是在提高砂輪片強(qiáng)度的情況下,減小砂輪片夾片直徑達(dá)到的。
StruersExotom2100型切割機(jī)屬于工件固定,砂輪片擺動(dòng)的機(jī)型�？梢宰詣�(dòng)調(diào)整切割速度和壓力,具有四種不同的切割控制方法。Axiocut切割方法可以切除較大的工件(100mm×450mm)。
Magnutom型自動(dòng)切割機(jī)也屬于工件固定,砂輪片平行移動(dòng)的機(jī)型,配備7.4kW電機(jī)和<432mm砂輪切割片,砂輪進(jìn)給速度和壓力可調(diào),可根據(jù)需要調(diào)節(jié)步進(jìn)切割量。最大切割直徑<125mm。
4 討論
縱觀國內(nèi)外切割機(jī)的狀況,國內(nèi)研發(fā)的切割機(jī)在性能和外觀等方面還存在一定的差距。例如,國內(nèi)研制的切割機(jī)缺乏對砂輪軸調(diào)速的研究,國外的先進(jìn)機(jī)型如Accutom25/50,StruersDiscotom250和Secomtom2100型配備了砂輪軸的無級調(diào)速系統(tǒng),可使同一砂輪片切割不同的材料,提高砂輪片的適應(yīng)能力。又如,一些切割機(jī)配備了切割參數(shù)的數(shù)據(jù)庫,根據(jù)不同試件調(diào)整壓力和切割速度,提高制樣質(zhì)量和效率。
砂輪片材質(zhì)和質(zhì)量對切割機(jī)的效率和切割質(zhì)量也有較大的影響。對于切割不同硬度的材料,選用不同材質(zhì)的切割片,對提高切割效率和切割質(zhì)量非常有效。通常,棕剛玉適用于切割碳素鋼、普通合金鋼、硬青銅。白剛玉適用于切割合金鋼、淬火鋼、工具鋼、高速鋼。黑碳化硅適用于切割灰鑄鐵、黃銅和非金屬材料。綠碳化硅適用于切割硬質(zhì)合金和玻璃。金剛石適用于切割硬質(zhì)合金、鑄鐵、玻璃、石英、半導(dǎo)體、陶瓷以及非碳化物的高硬度材料。立方氮化硼適應(yīng)于切割硬質(zhì)合金、淬火鋼以及高硬度高強(qiáng)度材料。國外有可選的不同材質(zhì)的樹脂砂輪片,根據(jù)試樣的不同材料和硬度進(jìn)行選擇。國內(nèi)生產(chǎn)的金相砂輪片品種單一,基本以棕剛玉磨料的為主,質(zhì)量也存在一定問題,普遍現(xiàn)象是粘合劑的韌性差,砂輪片比較脆。主要原因是受用量和價(jià)格等因素的影響。
我國金相試樣制備的研究開發(fā)雖然已有幾十年的歷史,并已取得了一定的成績,制約我國金相試樣制備技術(shù)發(fā)展的因素主要有以下幾個(gè)方面:
(1)我國目前還沒有制定金相試樣切割實(shí)驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn),以及質(zhì)量的測試指標(biāo)和測試條件。各個(gè)生產(chǎn)研制單位,大多是根據(jù)自己實(shí)際檢測經(jīng)驗(yàn)對金相制樣設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)測定。
(2)缺乏懂金相知識與機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)控制的綜合性人才,這無形中增加了我國金相取樣設(shè)備的研究和開發(fā)的難度。
(3)冶金、機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)、兵器、航天航空、軸承、工磨具等制造行業(yè)中所需的金屬材料類型多樣化,由于各種金屬材料的物理、化學(xué)等性能不一,使切割機(jī)在測定試驗(yàn)參數(shù),確定最佳性能指標(biāo)等方面有很大難度。
(4)國內(nèi)的生產(chǎn)廠家因考慮價(jià)格和銷路等因素,在高端產(chǎn)品投資較小。
5 結(jié)論
目前金相切割設(shè)備形式多樣,各種半自動(dòng)化、自動(dòng)化產(chǎn)品在各種規(guī)模,各種類型的企業(yè)實(shí)驗(yàn)室得到廣泛應(yīng)用,使操作者的工作量減少,制樣效率提高。以微處理器為基礎(chǔ)的各種制樣設(shè)備代表著金相制備的先進(jìn)技術(shù),通過機(jī)電結(jié)合,軟硬件結(jié)合及互補(bǔ),增加柔性切割功能等方式改造傳統(tǒng)的金相制樣設(shè)備,獲得手工操作難以實(shí)現(xiàn)的高精度、高性能和再現(xiàn)性好的金相試樣。 |
