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深入研究如何提高线切割加工精度和光洁度的方法
随着模具和精密制造业的飞速发展，作为高精度的电加工机床&线切割越来越为广大企业所青睐，它是以高熔点的金属电极丝为导 向，在电极丝和工件之间产生瞬时高温放电腐蚀来进行加工的。它虽然不产生切削力，但如果不注意加工工艺，也会出现加工精度和表面 质量方面的缺陷。本人通过以往的操作经验，得出一些较有效的改进措施，供大家参考。　　一、改善变形的工艺方法　　在线切割加工前，由于金属板材经过热加工和冷加工，材料内部产生应力，不同方向和大小的应力能保持平衡或在很短的时间没有释放出来。即使经过去应力退火，还是存在残余内应力。当去除大量的材料时，原来平衡被打破，材料就会产生变形。所以在切割加工前必须对工件进行回火或人工时效处理。　　1.1 切割型腔的改进工艺　　（1）先粗后精的加工方法。在线切割加工 前先对工件进行粗加工以去除大量的材料，留有变形余量（一般为0.5－1mm）可以采用金加工或线切割加工，目的使内应力释放出来产生 欲变形，再进行一到两次的精加工，使加工量减少，变形也随之减少。
　　（2）尽量采用封闭切割型腔（即内部型腔和外部边界不割通）。因为材料内部总会有 残余应力，如果切割型腔不封闭会产生很大的变形，其结果是工件变形超差而且在切割接近 结束时由于工件变形易将丝卡断。　　1.2 切割型芯的改进工艺　　（1）切入线应选择圆弧边的切线或直边的沿长线。由于钼丝刚性不足，切割较厚的型芯时，强烈的放电腐蚀和摩擦产生的力引起钼丝扭曲，机床丝杆螺母的间隙，在工件刚要切断时连接刚度不足，常会使型芯表面产生凸起或凹槽，这会影响模具的尺 寸精度。切割平面则从切割线的沿长线上起切，使加工的误差集中在切割线方向上，上述的缺陷大有改善。　　（2 ）采用多个点切割。对于精度要求较高的型芯，即使采用封闭式切割，因为工件和材料之间的间隙（钼丝直径0.18 m m+放电间隙0.02 m m）有0.2 m m，还会有一定的变形，要削除变形，可采用多个点切割，每个切割段留有少量的支承（尽量对称分布），这样工件将难以变形，最后切割或手工取下，钳修表面。 ，硬质合金网 　　（3 ）注意线切割机床的送丝系统（导丝轮，导电块等）运行的平稳性。若丝有抖动应对导丝轮和导电块进行检查和更换，丝不易过松，线架距离工件合适，目的是减少丝运行时 的震动。测量丝的直径特别是用了较长时间的丝，因长时间的拉深、磨损和放电损耗丝的直 径变小，以便于补偿偏移量。对于要抛光的工件根据材料的性质要留有抛光余量。　　二、改善形状位置精度的工艺方法　　2.1 型腔、型芯垂直度的控制　　张紧钼丝，用调整器调整丝的垂直度，也可以手动用丝碰标准模板的两基准面（垂直度 较好）调整线架直到火花均匀。型腔的垂直度很重要，它一般作为型芯的基准。型芯是镶嵌 在先割好的型腔孔槽中的，只要割好的孔槽垂直度符合要求，镶入后以型腔为基准进行磨削或其它切削加工即可。　　2.2 位置度的控制
　　线切割加工多型腔模具时，可以使用跳步功能来保证位置度（机器自动控制），但有时先要找一个基准中心或基准边，要想准确地进行对边或找中心，先要张紧钼丝，调整好丝的垂直度，工件去除毛刺、杂物，多找正几次，数值相差不大时即可。记下每一个跳步位置的坐标值以便于检查断丝回退的准确性。　　2.3 动定模配合加工　　定模和动模的型腔和型芯需要配合时，最好采用定模板和动模板用导柱导套定位后一起配割，这样即使找正基准有偏差或线切割丝的垂直度误差也不影响配合精度，如果采用动定模板分开切割，在找正基准和丝的垂直度等因素会影响配合精度，甚至产生毛刺。　　三、改善表面光洁度工艺方法　　3.1 影响加工表面光洁度的主因素　　（1）导丝轮和轴承的磨损，使加工表面呈条纹状。　　（2）电极丝损耗过大，以致电极丝在导轮内窜动。 ，硬质合金网 　　（3）电极丝移动不平稳，或电极丝张力不够。　　（4 ）电参数选择不当，进给速度调节不当，至使加工不稳定。　　3.2 克服机床自身因素　　检查机床步进电机齿轮的啮合间隙以及上下导轮和导电块磨损严情况，磨损严重应更换，否则运丝时丝会跳动，采用合格的电极丝，表面无氧化。采用线切割专用切割液，表面质量要求较高时精加工最好采用新丝、新换的切割液。　　3.3 采用合理的工艺方法　　张紧电极丝，根据工件的高度来调整上下导轮间的距离，这样可以减小钼丝的震动。选择合适的电参数，增大脉冲电压和脉冲宽度， 加大进给速度能提高加工效率，但表面粗糙度会变差。对表面质量要求高的工件应采用多次加工，先用大的脉冲电压和脉冲宽度，适当加大进给速度进行粗加工提高效率，留有余量采用小的脉冲电压和脉冲宽，减小进给速度进行多次精加工，加工时还要注意机床加工电压和 电流表的摆动要小，提高尺寸精度和表面质量。尺寸精度和表面质量是相联系的，所以上述控制尺寸精度的措施也同样适用于控制表面粗糙度，比如将切入线放在直线的沿长线上和圆弧的切线上。 内容来自 　　模具的型腔和型芯要求有较高的尺寸精度和表面质量，影响线切割加工精度和表面质量 的因素很多，如材料的内应力、切割部分和固定夹持部分的刚度、加工工艺和电参数的选 择、机床自身因数，需要在平时的工作中认真细致的观察分析，找出存在的原因，不断的用新的工艺方法去实践。同时也要关注国内外的一些先进的设备和工艺方法，目的是要适应模具的高精度和高光洁度要求。
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一、国外磨料磨具&
　　国外参展的主要磨具专业生产厂商虽然只有三家，但实际上包含了诸多国际著名品牌，如美国的诺顿(NORTON)、奥地利的泰利莱(TAROLIT)、德国的温特(WINTER)、英国的尤尼康(UNICON)意大利的文森特(VINCENT)、美国的贝斯登(BAY STATE)、瑞士的温特苏尔(WINTERTHUR)等，这是由于上个世纪九十年代以来国际上企业并购、强强联合的结果。因此可以说本次展会展出的磨具产品代表了国际最高的水平。
　　圣戈班集团是总部设在法国的跨国公司，年销售额达304亿欧元，拥有三大产品部门、八大分支。圣戈班磨料磨具分支拥有NORTON、FLEXOVIT、CORA、WINTER、UNICON等全球知名磨料磨具品牌。圣戈班磨料磨具(上海)有限公司是圣戈班集团在中国的独资企业，以磨料磨具分会会员的身份加入磨料磨具分会展团，参加本次展出。该公司于1995年通过ISO9001质量体系认证，展出的展品包括各种刚玉陶瓷结合剂磨具、陶瓷结合剂CBN磨具和涂附磨具等。NORTON SG磨料是圣戈班公司开发并拥有专利的超微晶烧结刚玉磨料，采用引晶凝胶烧结工艺生产，具有比普通白刚玉小几千倍的晶粒尺寸，磨粒强度高，有微破碎性能，在磨削难磨材料的场合，要求高磨削效率和高精度的场合，具有优异的特性，同时可以大大减少砂轮的修整量，延长砂轮的使用寿命。由于SG磨料价格较贵，使用时根据不同要求按比例与刚玉磨料混合，形成不同牌号。为充分发挥其性能，开发了专用的陶瓷结合剂，一种是高效低温结合剂，还有一种是大气孔高效低温结合剂，后者主要用于强力磨削。该公司针对轿车工业加工的需求，开发了系列普通陶瓷结合剂磨具和超硬材料(CBN、金刚石)磨具及其它工具。公司还根据不同工件和不同磨削要求，推荐用于粗磨、精磨的各种价位的砂轮，给出了它们磨削效果的比较，以利于用户选用。用于轿车发动机、变速箱零件磨削的普通磨料砂轮使用速度通常为45~63m/s。圣戈班公司拥有WINTERT和UNICONR的超硬材料工具制造技术，其CBN磨具和金刚石修整滚轮具有独到之处，面向飞速发展的汽车工业，进行专用产品开发。其超硬材料磨具设置了四个硬度等级，更好地适应了不同磨削的要求。其磨具基体材料不仅有钢、铝合金、铜和陶瓷，还有其它一些合成材料，对于改进在某些条件下超硬材料磨具的使用效果，起到很好的作用。WINTER公司的各类高精度金刚石成型修整滚轮闻名遐迩，主要应用在大批量生产中，随着CNC磨床的快速发展，该公司开发出外形与被修整的砂轮磨削的工件外形无关的金刚石修整轮，适合于多种砂轮外形的在线数字仿形修整，其生产柔性更适合于小批量和中等批量的生产。WINTER生产的各种金刚石砂轮，还在本次展会上展出的新型EWAG工具磨床上配套使用，高效精密加工硬质合金和超硬材料刀具。在圣戈班的展台上还展出了使用速度125m/s的陶瓷结合CBN砂轮，用于磨削轿车凸轮轴凸轮。
　　圣戈班磨料磨具(上海)有限公司东莞分厂已经建成投产，主要面向广东地区市场，从事各种规格的砂纸、砂带、砂盘等涂附磨具的转换加工。生产针对凸轮轴和曲轴抛光用的抛光带和车身抛光用的砂盘，其A275系列砂盘采用经特殊处理的氧化铝磨料，并加涂硬脂酸盐涂层，磨削效率提高30％－50％，抗堵塞效果好，具有自己的特色。
　　奥地利的泰利莱(TYROLIT)公司于1919年建厂，1952年开创了第一批使用玻璃纤维加筋的切割片和精整砂轮，1974年生产出第一批陶瓷结合剂CBN砂轮，进入二十世纪九十年代以来，与美国的DIAMOND PRODUCTS公司和瑞士的 HYDROSTRESS公司合伙，相继接管了意大利的VINCENT、美国的BAY STATE等一批国际著名磨具生产企业，成为当前国际上颇具实力和影响的磨具生产供应商，18个分厂分布于世界各地，销售网络覆盖60多个国家和地区。上世纪九十年代随着中国汽车工业的快速发展，逐步进入中国市场。目前，在中国轿车发动机零件加工的进口磨床上采用的普通磨料砂轮市场中占据了相当的比重，并成立了总部设在香港的泰利莱中国有限公司。近年来，该公司致力于磨具制造新技术的开发，2001年和2002年先后有STARTEC N1、SKYTEC、STARTEC ULTRA砂轮系列投入生产。公司称，这些新系列的砂轮以专利结合剂体系，改进的磨料和砂轮设计，开辟了硬质合金和PCD、PCBN刀具完美槽形磨削的新领域，砂轮具有寿命长，修整少，降低磨削成本和磨削精度高等一系列优点。公司还推出了具有减震芯体的超硬材料砂轮－VIB－Star，良好的减震性能，可以改善表面光洁度，并提高磨削比。泰利莱的SECUT冷热切割片直径范围为400－1600mm，最高工作速度有80m/s和100m/s两种，根据FEPA对安全使用砂轮的建议，其标准供货还包含纸垫。
　　瑞士的温特苏尔(WINTHERTHUR)公司是生产精密磨削砂轮的著名企业，主要生产陶瓷结合剂大气孔缓进给砂轮、微晶烧结陶瓷磨料砂轮和陶瓷结合剂CBN砂轮。其陶瓷结合剂大气孔缓进给磨削砂轮用于涡轮叶片的磨削，滚磨法、部分滚磨法及成型磨削方法加工精密齿轮，据称是少数几家能够生产这种砂轮的厂家。其陶瓷结合剂单线或复线螺纹成型磨砂轮，可以用切入式或切向进给式磨削方法，磨削精密滚珠丝杠、螺纹及蜗杆。这个公司拥有成型加工砂轮复杂形面的CNC机床，可供应型面的预成型砂轮，保证各种砂轮形面的几何尺寸精度，减少用户现场安装修整时间和修整工具消耗。
　　日本MIZUHO株式会社也展出了CBN和金刚石内圆磨砂轮、外圆、平面磨砂轮和带柄磨头，氧化铝陶瓷磨料精密磨削砂轮及超精油石、珩磨条。
　　一些精密螺纹和齿轮磨床生产厂家也展出了自己制造的磨螺纹和磨齿轮的精密砂轮，他们生产的砂轮，主要是电镀结合剂精密成型磨削CBN砂轮。
　　瑞士莱斯豪尔(Reishouer AG)公司是生产精密齿轮和螺纹磨床的著名生产厂，他们认为，全部工具自生产可以提供连续创新和合理的研制周期及成本，所以1998年在公司内部设立了磨具部，以电镀工艺生产金刚石和CBN砂轮。也可以认为，他们在利用自身拥有的特种磨床的精密加工优势，制造精密的高效磨具，保证磨床性能的实现，更好地为用户服务。在此基础上，他们还制造其它磨削加工行业所需的内圆、外圆、工具磨削用电镀金刚石和CBN砂轮和金刚石修整滚轮。
　　德国卡普(KAPP)集团公司建立于1953年，是一家家族企业，以生产各种精密内齿、外齿齿轮磨床和蜗杆磨齿机著称，还生产螺杆泵螺杆成型磨床、滚珠丝杠成型磨床。在欧洲和世界各地有六个工厂，其第二技术中心设在Cobuge，负责设计和制造非修整的CBN、金刚石砂轮和珩齿轮，为KAPP和NILES磨床配套。其配套的陶瓷结合剂普通磨料砂轮，选用温特苏尔公司的产品。此外，集团公司在巴西和日本也设有工厂，负责制造和重镀砂轮。该集团公司利用自身齿轮、螺杆高精度成型磨削加工优势，通过自制精密CBN磨齿砂轮，与自产的CNC磨床高精度控制系统相配合，为用户提供高精度的齿轮产品的高效加工设备、工具和磨削技术服务。该集团公司将其CBN砂轮最主要的优点归结在CBN磨料的高耐磨性能，使大批量高效磨削的工件的条件下能够保持完全一致的高的形状精度和尺寸公差，同时亦降低了生产的成本。
　　美国善能(SUNNEN)公司已有75年历史，是世界上从事珩磨技术研究的大型专业化公司，该公司生产系列孔加工用珩磨机，还生产高质量的珩磨工具和高精度的测量表及各种切削液。善能公司拥有一座8000平方米的厂房，完全用于珩磨油石及其它珩磨产品的研发和生产，除普通磨料珩磨油石外，该公司还生产金刚石和CBN珩磨油石及电镀金刚石超精珩工具。早在1985年，善能公司就与中国航空技术进出口总公司合作，建立了中航技－美国善能珩磨系统服务中心，近年来，该公司作为主要投资方，在上海浦东建立了合资公司－上海善能机械有限公司。上海善能公司引进了美国善能公司的油石生产线，利用美国善能公司的技术和原料生产珩磨油石，目前已可提供刚玉、碳化硅、CBN和金刚石等大部分油石。
三、国内磨料磨具&
　　国内参展的磨料磨具厂商共23家(不含圣戈班磨料磨具(上海)有限公司)，其中参加磨料磨具分会展团9家，超硬材料分会展团11家，涂附磨具分会展团3家。除白鸽集团、上海砂轮厂、苏州砂轮厂、第六砂轮厂、苏北砂轮厂等行业大厂之外，一些产品别具特色的中小厂也参加了展出。
　　白鸽集团、上海砂轮厂、苏州砂轮厂是我国普通磨料磨具的大型生产企业，多年来经过技术创新和引进技术，使产品居于国内领先地位。本次展出普通磨料磨具品种齐全，各具特色。
　　白鸽集团采用独特工艺制造的普通磨料、带槽、夹层、多种形式组合磨曲轴和凸轮轴陶瓷砂轮，最高使用速度可达60m/s；磨螺纹陶瓷平型和双斜边砂轮最大直径500mm，最高使用速度可达60m/s；最新研制的磨铁路钢轨修磨砂轮，使用速度达50m/s，成组安装在修磨机车上，在铁路线上进行钢轨型面修磨，每次磨除量不低于0.16mm。
　　苏州砂轮厂在国内独家生产的烧结刚玉磨料，系用铝氧粉经高温烧结而成的刚玉微晶体，结构致密而细腻，可分为致密结构和气孔结构，用于制造各种砂轮、油石、磨头，能长时间保持刃口锋利性和几何形状，适用于精密磨削和成型磨削。
　　上海砂轮厂、苏州砂轮厂和苏北砂轮厂还都有蜗杆砂轮磨齿机配套的陶瓷结合剂普通磨料蜗杆砂轮展出。
　　本次展出的国内涂附磨具产品，品种多，应用范围广，性能优良，形成了多个优秀品牌。白鸽集团和上海砂轮厂的砂布生产线生产的静电植砂树脂卷状砂布，不仅供应国内，而且远销国外。上海砂轮厂和湖北玉立砂带股份有限公司生产的网格砂布采用长丝网格布、树脂粘结剂、刚玉或碳化硅磨料，同时具有两个工作面，对不锈钢轧辊和油漆腻子表面细磨，具有良好的加工效果，且使用寿命长，排污和散热性能特别好。
　　超硬材料磨具是本次展出中国内磨具产品的热点，不仅有第六砂轮厂这样的专业生产大厂，及白鸽集团、上海砂轮厂和苏州砂轮厂这样的行业大厂，而且如郑州磨料磨具磨削研究所和北京希波尔科技发展有限公司、郑州金贝磨料磨具有限公司等科技开发型企业，也有精彩的新型产品展出，体现了超硬材料磨具开发和应用的强劲发展势头。
　　郑州磨料磨具磨削研究所展出的使用速度120m/s陶瓷结合剂CBN砂轮，已在进口的德国绍特(SCHAUDT MIKROSA)公司制造的数控磨床上，成功地应用于轿车凸轮轴凸轮的磨削生产中，磨削效率和磨削效果均达到国外同类产品水平。开发生产的高精度超薄超硬材料切割片，用于电子元件切断或开槽，厚度最薄可达0.01mm，厚度和内孔公差可达0.004mm，已成功应用于生产线上，加工精度和生产效率达到国外产品同等水平，推动了国内磨具制造技术的进步。该所展出的具有专利的设备和仪器－金刚石锯片基体砂带抛光机和金刚石热冲击韧性检测用管式加热炉，也已在超硬材料行业成功地推广应用，促进了产品出口和质量升级。
　　北京希波尔科技发展有限公司是一家个体科技企业，开发生产了用于超硬材料聚晶复合片和超硬材料聚晶刀具粗、精磨的陶瓷结合剂金刚石砂轮，使金刚石聚晶的加工质量和加工效率得到很大的提高，抛光光洁度可达Ra0.003&m，磨刀效率提高1.5~3倍。应用在大连龙贤达科技有限公司展出的金刚石和CBN聚晶刀具的加工中，刀尖圆弧为1mm时，在放大160倍的条件下观察，圆弧曲线光滑无缺口。该公司不仅承担国内诸多厂家使用的超硬材料聚晶复合片的磨抛，而且还承担De Beers公司的复合片产品的委托加工。
　　郑州金贝磨料磨具有限公司也是一家个体企业，从事陶瓷结合剂CBN 砂轮的开发与生产，本次展出了CBN切槽砂轮和CBN蜗杆砂轮。切槽砂轮已在用户生产使用，直径系列为400、350、300、250mm；蜗杆砂轮规格为400&100&203，粒度120/140，模数1.5、2mm。
　　参展的另一家个体企业宁波万福磨料磨具厂致力于高效磨头的开发和生产，本着诚实、创新的经营理念，开发了SG磨料和CBN磨料陶瓷结合剂各种磨头，成功地应用于国内机械、模具和铸造企业的生产，还被多家外资电动工具公司选为出口配套产品。
　　深圳威斯德姆公司、秦川－迪阿瓦机床工具有限公司和宁江机床厂也在生产电镀金刚石或CBN磨具、修整滚轮，为自产的数控齿轮或坐标磨床配套。
三、从国际磨削技术和磨床产品发展动态及对磨具的新需求
　　从本届展会看磨削技术、磨床产品发展的动态，及其对磨具产品的需求，可以概括成以下几点。
　　1、磨床的数控化程度不断提高，改变了传统磨削方式。
　　本届展会上外商展出的大量的数控磨床直至磨削中心成为磨床展品的主流。展出的磨床中数控磨床比例达到61％，从磨床种类上覆盖了平面、外圆、内圆、工具、螺纹、齿轮，直至珩磨和抛光机等磨削机床。国际斯来福临集团的SCHAUDT MIKROSA公司展出最新开发的宙斯(ZEUS M)型外圆、非圆、凸轮磨床，有四个可以分动的砂轮主轴和一个金刚石修整轮轴，多轴联动实现非圆磨削和砂轮修整，一次装夹可磨削工件所有的内外表面和端面、台肩甚至六方。KAPP公司的蜗杆磨齿机砂轮主轴上可装多个蜗杆砂轮，一次装夹可完成一组同轴、不同模数、不同螺旋角的直齿和斜齿轮的粗、精磨削。德国著名的工具磨床生产商德克(MICHAEL DECKEL)精密机械制造公司于1990年推出具有自主知识产权的工具磨削专利技术&立式磨削原理&，能够使砂轮从前、后、左、右以任意角度接近工件，以此为基础设计的工具磨削中心，在刀具的一次装夹中可以实现全磨削；为了配合这种磨削方式，该磨削中心在单主轴设计的基础上，附以快速更换砂轮功能，配合砂轮库，完全由程序控制实现砂轮全自动更换。该公司2002年最新推出的S22P五轴磨削中心，五轴全闭环控制，拥有可装24只砂轮的砂轮库，砂轮自动修整，实现了高效率生产，曾在世界著名的G2002磨削展览会引起轰动。德国埃马克(EMAG REINECKER)机床有限公司展出的VSC 400 DS型倒置式车磨中心，将车床和磨床集成于一体，在一次装夹中，完成硬度为HRc30~62工件外圆、内圆和端面的车削和精磨，减少了磨削余量，精磨变速箱齿轮锥面和孔时，加工余量只有10~15&m，提高了加工精度和生产效率。
　　多砂轮主轴分动、数字仿形磨削和修整、一次装夹外圆、内圆、端面全磨削、一次装夹同轴齿轮组粗、精全磨削、一次装夹刀具全刃磨、一次装夹硬车＋磨削、砂轮库和砂轮自动更换工作台等，在数控技术的支持下成功实现。工件的一次装夹全磨削，大大提高了工件的形位精度，减少辅助时间，提高了生产效率，而且减少了粗、精磨的磨削余量，节省了磨削时间和成本。数控多轴联动数字仿形磨削和金刚石修整轮修整，也大大提高了磨床生产的柔性，更适合中小批量产品的生产。数控技术的高控制精度，全面提高了被磨工件的尺寸精度。&
　　2、&高速高效磨削已经进入生产应用阶段。
　　本次展会展出的数控磨床，其最高磨削速度普遍提高。SCHAUDT公司的无心磨床和外圆磨床，其砂轮最高线速度为63~150m/s。瑞士美盖勒(MAEGERLE)公司的平面和成型磨床，使用的砂轮最高线速度为63m/s。德国保宁(BLOHM)公司生产的PROFIMAT MT系列高效率生产型强力磨床，最高磨削速度达170m/s，用于汽车转向扇齿轮等的缓进给深切(CD)精密成型磨削。应用快速点磨法的勇克(JUNKER)数控磨床，其磨削速度也达到140m/s。因此可以说，磨床的磨削速度已成为磨床性能的显著标志，它能够带来高的生产效率，已经被生产实践所证明。&&
　　3、超硬材料磨具应用前景广阔。
　　三十年前做出的预言：磨削应用领域中&B&(CBN)将取代&A&(刚玉)、&D&(金刚石)将取代&C&(碳化硅)，在本次展会得到初步的体现。超硬材料磨具全面应用在展出的各种磨床上，硬质合金刀具的磨削基本上全部采用了金刚石磨具，以上所举出的各种数控高速高效精密磨床，包括汽车曲轴、凸轮轴、齿轮、轴承、工具、坐标磨床和珩磨机都宣布可以使用CBN磨具，并能保证高效和高精度加工。其中陶瓷和电镀CBN磨具的应用更为普遍。&
　　从以上可以看出，以数控+高速+超硬材料磨具实现高效高精度磨削的技术，正在成为当今国际机械制造业磨削技术发展的主流，而且目前已经进入生产实用阶段
东莞市磐衡精密模具有限公司
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模具表面参数对冲压件拉毛缺陷影响的实验研究
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模具表面参数对冲压件拉毛缺陷影响的实验研究
官方公共微信硬质合金刀具表面涂层的制备及性能研究--《江苏科技大学》2010年硕士论文
硬质合金刀具表面涂层的制备及性能研究
【摘要】：
硬质合金表面涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。新型涂层材料和涂层工艺的开发方兴未艾,预示着涂层刀具将有巨大发展潜力和广阔应用前景。
本文选用自制烧结的YG11C/TaCp硬质合金作为基体,采用磁控反应溅射制备TiN涂层和TiAlN涂层;通过电弧离子镀制备TiN涂层,研究离子镀工艺参数对涂层的性能的影响。经试验,确定了TiN涂层的离子镀的最佳工艺参数:偏压为200V,弧源电流为60A,氮气分压为1Pa。研究表明:上述工艺条件下获得的TiN涂层结构良好,涂层表面光滑平整,组织均匀,具有高硬度和良好的结合强度。按照这个工艺参数制备TiCN涂层和ZrN涂层,并进行了性能对比研究。采用超景深显微镜和扫描电镜对基体材料的金相组织、涂层的表面与界面形貌进行了观察、分析,结合X射线衍射仪对硬质合金基体、TiN涂层、TiCN涂层和ZrN涂层的相分析,可以发现三种涂层都(111)晶面择优取向生长的。涂层刀具经250℃×1h退火后,涂层的性能有所提高;经300℃×1h的退火处理,涂层的晶粒得到细化。对涂层刀具进行界面机理进行分析,并综合切削实验结果,发现ZrN涂层不仅具有较好的结合性能,而且具有最好的耐切削磨损性能。
通过系统的滑动摩擦磨损试验,研究了载荷和转速对基体和涂层的摩擦系数的影响,并探究涂层摩擦磨损机理,在高转速高载荷的工作状态下涂层的摩擦系数较低,主要的磨损机理是磨粒磨损,还存在少量的氧化磨损的黏着磨损。基体、TiN涂层、TiCN涂层和ZrN涂层在低载荷低转速的工作状态的摩擦系数比较接近,在高载荷高转速的工作状态下,ZrN的摩擦系数最低,耐磨性能最佳,更适于用作高速切削的刀具的涂层材料。
【关键词】：
【学位授予单位】：江苏科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：TG711;TG174.4【目录】：
Abstract6-11
第1章 绪论11-22
1.1 引言11
1.2 硬质合金11-12
1.2.1 硬质合金的制备11-12
1.2.2 硬质合金的分类12
1.3 涂层刀具的研究现状12-16
1.3.1 涂层的分类12-13
1.3.2 涂层材料13-14
1.3.3 硬质耐磨涂层的性能评价14-15
1.3.4 涂层刀具的特点15-16
1.4 涂层的制备16-19
1.4.1 化学气相沉积(CVD）16
1.4.2 物理气相沉积（PVD）16-19
1.5 涂层的磨损机理19-21
1.6 本课题的研究目的、意义及主要内容21-22
1.6.1 本课题的研究目的、意义21
1.6.2 本课题研究的内容21-22
第2章 涂层制备及实验方法22-32
2.1 试样材料及制备22-24
2.1.1 试样材料22-24
2.1.2 试样镀前预处理24
2.2 涂层制备24-27
2.2.1 磁控溅射镀膜24-25
2.2.2 电弧离子镀镀层25-27
2.3 影响涂层性能工艺的选择27-29
2.3.1 影响涂层性能的镀膜工艺27-28
2.3.2 正交试验28-29
2.4 涂层性能表征29-32
2.4.1 扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）29
2.4.2 超井深显微镜29
2.4.3 X 射线衍射仪29-30
2.4.4 涂层硬度计厚度测试30
2.4.5 涂层结合性能测试30
2.4.6 涂层的退火处理30
2.4.7 摩擦磨损实验30-32
第3章 涂层的性能测试32-48
3.1 正交试验结果32-33
3.1.1 硬度测试结果32-33
3.1.2 工艺参数对涂层的影响33
3.2 基体试样组织观察33-34
3.3 硬度及厚度测试34-35
3.4 涂层表面形貌35-37
3.5 涂层相分析37-40
3.6 涂层刀具的界面结合机制40-42
3.7 热震实验42
3.8 涂层退火处理42-46
3.8.1 退火处理后涂层的硬度43
3.8.2 退火后表面形貌43-44
3.8.3 退火对涂层晶体结构的影响44-46
3.9 本章小结46-48
第4章 涂层切削实验48-52
4.1 试验方法48
4.2 实验过程48-49
4.3 切削刀具的磨损情况49-51
4.4 本章小结51-52
第5章 刀具涂层的摩擦磨损机理52-63
5.1 摩擦实验方法52
5.2 摩擦系数52-57
5.3 涂层摩擦磨损机理57-62
5.3.1 磨痕形貌分析57-59
5.3.2 磨痕元素分析59-62
5.4 本章小结62-63
参考文献64-68
详细摘要69-73
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