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摘 要:介紹了金相試樣切割機的國內外研究情況,以及多種類型切割機的結構和特點。就我國切割機的性能和砂輪片質量等方面存在的問題進行了討論。以微處理器控制為基礎的各種制樣設備代表著目前金相制樣設備的先進技術。通過機電結合、軟硬件結合及互補、增加調速功能及柔性切割功能、改進砂輪片質量等方式來改造傳統的金相切割設備。
關鍵詞:金相;切割;試樣;制備
1 引言
金屬零件的力學性能不僅與它的化學成分有關,也與它的金相組織密切相關。金相檢驗是控制和評定產品質量不可缺少的重要手段,是科學研究中研究新材料、新工藝和提高金屬制品內在質量的重要方法。
要進行金相分析,就必須制備能用于微觀檢驗的樣品———金相試樣。通常,金相試樣的制備要經過取樣、鑲嵌、磨光和拋光幾個步驟。每個步驟都應該細心操作,因為任何階段上的失誤都可能影響最后的結果,因為這可能會造成組織假象,從而得出錯誤的結論。金相試樣的制備是通過切割機、鑲嵌機、磨/拋光機來完成。金相試樣的截取是金相試樣制備過程中一個重要環節。截取試樣的方法有手鋸、鋸床、砂輪切割機和線切割機等等。根據零件的形狀和材料,選擇適當的方法來切割。目前砂輪切割機廣泛應用于金相試樣的截取上,主要原因是其
適應性強,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;金剛石切割機可切割超硬材料如硬質合金、陶瓷等。另外其切割速度快、勞動強度低、操作簡便和切割成本低。選擇可靠性高的金相試樣切割機,可以提高制樣效率和質量,降低成本,提高經濟效益。
2 金相試樣截取的技術要求
與機械行業中的金屬切割、下料不同,金相試樣的切割有它自身的要求和特點,截取的金相試樣必須保持原有的組織狀態,即必須保證所截取的試樣的金相組織與原狀態金相組織一致,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,保證切口無過熱和過燒現象;
③精確控制進給量的大小,保證試樣變形小,光潔度高;
④砂輪切割機應配備精確的卡具和良好的運動機構,保證試樣的切口垂直性好,切口余量小,零件裝卡方便;
⑤切割機應有良好的防護,保證使用安全。
作為室內使用的切割設備,切割機還必須具備較低的噪音,保證無噪音污染。配備循環冷卻系統,注意節約用水和室內清潔。
金相試樣切割質量的好壞嚴重影響試樣的組織結構,已逐步引起有關專家的重視。近年來,國內外在切割機的性能上作了大量研究工作,研究出不少新機型,新一代切割設備,正由原來的手動操作,發展成為數顯、數控及微電腦智能控制。下面介紹常用的砂輪切割機類型與特點。
3 金相切割機分類與特點
根據工件移動和砂輪片移動形式可將金相切割機分為兩類:一類為工件移動,砂輪軸旋轉、但其位置固定的切割機;另一類為固定工件而砂輪軸作移動的切割機。按切割精度可分為普通切割機和精密切割機。
3.1 移動工件,砂輪軸位置固定的切割機
(1)上海日用電機廠生產的Q22型金相試樣切割機配備1.1kW電機,采用<250mm砂輪片。特點是切割砂輪直接固定在電動機的軸上,利用夾具的擺動來切割固定在鉗口中的試樣。冷卻系統是人工調整旋鈕控制流量的單根水管。操作時,由罩殼將砂輪片罩住,以防冷卻液飛濺和砂輪片碎裂時飛出傷人。此類切割機的特點是,電動機在底座上固定不動。砂輪轉速固定,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)太湖機械廠生產的JQ21型金相試樣切割機配備2.2kW的電機,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切割工件。最大切割尺寸75mm×300mm,工作臺上下移動距離180mm,工作臺左右移動距離300mm,砂輪轉速3300r/min。此類設備類似于銑床,適應于切割塊狀零件,機械結構較復雜,造價較高。
(3)美國BUEHLER公司ISOMET型精密金相試樣切割機①可以精確設定切割的時間、壓力及速度,并在面板上顯示出來;②試樣夾持機構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載自動送到旋轉著的鋸片;④工作負載可預定在0.98～9.8N之間,切割完畢后,獨特的傳感機構使得試樣夾持臂返回到原位置。該機有三種冷卻方式,①低速時,可利用冷卻劑的滯動作用;②速度較高時,可使用切割機自身的浸水泵冷卻循環系統;③切割硬質材料時速度很高,可連接一個外部供水排水裝置,以達到最佳的冷卻效果。Isomet1000型精密切割機,功率為0.93kW,切割過程采用弧形進刀方式,金剛石切割片直徑<75mm～<200mm,轉速范圍100～5000r/min�？勺詣舆M料和受控進料,定位精度為2μm。該機特別適用于高速、高質量切割極硬材料小試件。
3.2 固定工件,砂輪片移動的試樣切割機
(1)上海日用電機廠生產的Q23A型金相試樣切割機配備2.2kW電機,采用<250mm砂輪片。砂輪片固定在擺臂的主軸上,電機通過皮帶帶動主軸轉動。零件用卡具固定在工作臺上,搖動擺臂使砂輪片移動切割工件。砂輪片固定在擺臂上,排除了電機對切割零件的影響,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。用手動擺臂來決定切割進給量,若用力不均勻會造成質量差異。該機特點是,砂輪轉速固定,額定轉速為3500r/mm,裝卡試樣方便。
(2)河北農大機電新技術公司生產的Q2100型金相試樣切割機,功率為2.2kW的電機,可以安裝<250mm或<300mm砂輪片,電機和砂輪軸支撐架安裝在同一滑板上,手搖手輪或步進電機驅動滑板,從而實現手動或自動進刀和退刀運動。創新采用內置式全方位循環冷卻系統,使冷卻液雙向多孔噴射在砂輪片兩側,并利用砂輪片的旋轉離心力將冷卻液帶入試樣切口內,保證試樣切割時不受熱。汲取國外脈動進刀的優點,設計了進三退一的程序,控制進刀過程,即切割3mm后,退回1mm的往復運動形式。特點是,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;冷卻液更容易進入切口內,增加冷卻效果;組織無變形和過熱等現象。設計了無級調速進刀系統,可切割超硬材料和大型工件。退刀由行程開關控制快速退刀提高工作效率。采用全封閉自動切割方式,保證操作者安全工作。防護罩兩端設有開合式窗口,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。該機經改型設計,加大水箱和防護罩的尺寸,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公司生產的ABRASIMET-型切割機是將電機及底座、操作桿安裝在同一軸線上,通過手動進行切割試件。切割過程采用弧形進刀方式。配備3kW電機和<254mm的切割片可切割直徑為<76mm的試樣。
ABRASIMATIC型自動砂輪片切割機配備液壓氣動驅動系統,切割力可調,自動操作。
OSCILLAMET型砂輪切割機配備2.2kW電動機和<305mm的切割片,可以切割長度達320mm,或95mm×102mm的大塊試樣。該機通過砂輪擺動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型砂輪切割機配備5.5kW電動機和<356mm的砂輪切割片,切割直徑可達<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,自動切割。
(4)STRUERS公司生產的Labotom23型切割機,其機構與ABRASIMET2型切割機類似,切割最大直徑達<90mm。這是在提高砂輪片強度的情況下,減小砂輪片夾片直徑達到的。
StruersExotom2100型切割機屬于工件固定,砂輪片擺動的機型�？梢宰詣诱{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型自動切割機也屬于工件固定,砂輪片平行移動的機型,配備7.4kW電機和<432mm砂輪切割片,砂輪進給速度和壓力可調,可根據需要調節步進切割量。最大切割直徑<125mm。
4 討論
縱觀國內外切割機的狀況,國內研發的切割機在性能和外觀等方面還存在一定的差距。例如,國內研制的切割機缺乏對砂輪軸調速的研究,國外的先進機型如Accutom25/50,StruersDiscotom250和Secomtom2100型配備了砂輪軸的無級調速系統,可使同一砂輪片切割不同的材料,提高砂輪片的適應能力。又如,一些切割機配備了切割參數的數據庫,根據不同試件調整壓力和切割速度,提高制樣質量和效率。
砂輪片材質和質量對切割機的效率和切割質量也有較大的影響。對于切割不同硬度的材料,選用不同材質的切割片,對提高切割效率和切割質量非常有效。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合金和玻璃。金剛石適用于切割硬質合金、鑄鐵、玻璃、石英、半導體、陶瓷以及非碳化物的高硬度材料。立方氮化硼適應于切割硬質合金、淬火鋼以及高硬度高強度材料。國外有可選的不同材質的樹脂砂輪片,根據試樣的不同材料和硬度進行選擇。國內生產的金相砂輪片品種單一,基本以棕剛玉磨料的為主,質量也存在一定問題,普遍現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格等因素的影響。
我國金相試樣制備的研究開發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發展的因素主要有以下幾個方面:
(1)我國目前還沒有制定金相試樣切割實驗方法和標準,以及質量的測試指標和測試條件。各個生產研制單位,大多是根據自己實際檢測經驗對金相制樣設備進行試驗測定。
(2)缺乏懂金相知識與機械設計及其自動控制的綜合性人才,這無形中增加了我國金相取樣設備的研究和開發的難度。
(3)冶金、機械、汽車、拖拉機、兵器、航天航空、軸承、工磨具等制造行業中所需的金屬材料類型多樣化,由于各種金屬材料的物理、化學等性能不一,使切割機在測定試驗參數,確定最佳性能指標等方面有很大難度。
(4)國內的生產廠家因考慮價格和銷路等因素,在高端產品投資較小。
5 結論
目前金相切割設備形式多樣,各種半自動化、自動化產品在各種規模,各種類型的企業實驗室得到廣泛應用,使操作者的工作量減少,制樣效率提高。以微處理器為基礎的各種制樣設備代表著金相制備的先進技術,通過機電結合,軟硬件結合及互補,增加柔性切割功能等方式改造傳統的金相制樣設備,獲得手工操作難以實現的高精度、高性能和再現性好的金相試樣。 |
