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金相切割机的国内外技术研究概况

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       金属零件的力学性能不仅与它的化学成分有关,也与它的金相组织密切相关。金相检验是控制和评定产品质量不可缺少的重要手段,是科学研究中研究新材料、新工艺和提高金属制品内在质量的重要方法。

       要进行金相分析,就必须制备能用于微观检验的样品——金相试样。通常,金相试样的制备要经过取样、镶嵌、磨光和抛光几个步骤。每个步骤都应该细心操作,因为任何阶段上的失误都可能影响最后的结果,因为这可能会造成组织假象,从而得出错误的结论。金相试样的制备是通过切割机镶嵌机、磨/抛光机来完成。金相试样的截取是金相试样制备过程中一个重要环节。截取试样的方法有手锯、锯床、砂轮切割机和线切割机等等。根据零件的形状和材料,选择适当的方法来切割。目前砂轮切割机广泛应用于金相试样的截取上,主要原因是其适应性强,树脂砂轮片可切割软的金属零件如铜、铝及合金和硬的金属零件如淬火后的碳钢、高速钢;金刚石切割机可切割超硬材料如硬质合金、陶瓷等。另外其切割速度快、劳动强度低、操作简便和切割成本低。选择可靠性高的金相试样切割机,可以提高制样效率和质量,降低成本,提高经济效益。

金相试样截取的技术要求

       与机械行业中的金属切割、下料不同,金相试样的切割有它自身的要求和特点,截取的金相试样必须保持原有的组织状态,即必须保证所截取的试样的金相组织与原状态金相组织一致,这就要求:

   ①在截取试样的过程中试样受热、受外力作用要尽量小;

   ②配备良好的冷却系统,保证切口无过热和过烧现象;

   ③精确控制进给量的大小,保证试样变形小,光洁度高;

   ④砂轮切割机应配备精确的卡具和良好的运动机构,保证试样的切口垂直性好,切口余量小,零件装卡方便;

   ⑤切割机应有良好的防护,保证使用安全。

       作为室内使用的切割设备,切割机还必须具备较低的噪音,保证无噪音污染。配备循环冷却系统,注意节约用水和室内清洁。

       金相试样切割质量的好坏严重影响试样的组织结构,已逐步引起有关专家的重视。近年来,国内外在切割机的性能上作了大量研究工作,研究出不少新机型,新一代切割设备,正由原来的手动操作,发展成为数显、数控及微电脑智能控制。下面介绍常用的砂轮切割机类型与特点。

金相切割机的分类与特点

       根据工件移动和砂轮片移动形式可将金相切割机分为两类:一类为工件移动,砂轮轴旋转、但其位置固定的切割机;另一类为固定工件而砂轮轴作移动的切割机。按切割精度可分为普通切割机和精密切割机。

1 移动工件,砂轮轴位置固定的切割机

   (1)上海日用电机厂生产的Q22型金相试样切割机配备1.1kW电机,采用<250mm砂轮片。特点是切割砂轮直接固定在电动机的轴上,利用夹具的摆动来切割固定在钳口中的试样。冷却系统是人工调整旋钮控制流量的单根水管。操作时,由罩壳将砂轮片罩住,以防冷却液飞溅和砂轮片碎裂时飞出伤人。此类切割机的特点是,电动机在底座上固定不动。砂轮转速固定,体积小,制造成本低,适用于切割30mm×30mm形状简单的柱形试样。

   (2)太湖机械厂生产的JQ21型金相试样切割机配备2.2kW的电机,采用<250mm砂轮片。工件安装在工作台面上,通过工作台垂直和水平移动切割工件。最大切割尺寸75mm×300mm,工作台上下移动距离180mm,工作台左右移动距离300mm,砂轮转速3300r/min。此类设备类似于铣床,适应于切割块状零件,机械结构较复杂,造价较高。

   (3)美国BUEHLER公司ISOMET型精密金相试样切割机①可以精确设定切割的时间、压力及速度,并在面板上显示出来;②试样夹持机构具有压力传感器防止试样撞击锯片边缘,避免锯齿损坏;③试样以很轻的初始负载自动送到旋转着的锯片;④工作负载可预定在0.98~9.8N之间,切割完毕后,独特的传感机构使得试样夹持臂返回到原位置。该机有三种冷却方式,①低速时,可利用冷却剂的滞动作用;②速度较高时,可使用切割机自身的浸水泵冷却循环系统;③切割硬质材料时速度很高,可连接一个外部供水排水装置,以达到最佳的冷却效果。Isomet1000型精密切割机,功率为0.93kW,切割过程采用弧形进刀方式,金刚石切割片直径<75mm~<200mm,转速范围100~5000r/min。可自动进料和受控进料,定位精度为2μm。该机特别适用于高速、高质量切割极硬材料小试件。

2 固定工件,砂轮片移动的试样切割机

   (1)上海日用电机厂生产的Q23A型金相试样切割机配备2.2kW电机,采用<250mm砂轮片。砂轮片固定在摆臂的主轴上,电机通过皮带带动主轴转动。零件用卡具固定在工作台上,摇动摆臂使砂轮片移动切割工件。砂轮片固定在摆臂上,排除了电机对切割零件的影响,可使零件的切割长度范围不受限制。如采用直径<250mm砂轮片,其最大切割直径<50mm,最大切割宽度60mm,最大切割高度80mm。用手动摆臂来决定切割进给量,若用力不均匀会造成质量差异。该机特点是,砂轮转速固定,额定转速为3500r/mm,装卡试样方便。

   (2)河北农大机电新技术公司生产的Q2100型金相试样切割机,功率为2.2kW的电机,可以安装<250mm或<300mm砂轮片,电机和砂轮轴支撑架安装在同一滑板上,手摇手轮或步进电机驱动滑板,从而实现手动或自动进刀和退刀运动。创新采用内置式全方位循环冷却系统,使冷却液双向多孔喷射在砂轮片两侧,并利用砂轮片的旋转离心力将冷却液带入试样切口内,保证试样切割时不受热。汲取国外脉动进刀的优点,设计了进三退一的程序,控制进刀过程,即切割3mm后,退回1mm的往复运动形式。特点是,砂轮片不易走斜和弯曲;试样切口光滑、平直;砂轮片不易磨损和破裂;冷却液更容易进入切口内,增加冷却效果;组织无变形和过热等现象。设计了无级调速进刀系统,可切割超硬材料和大型工件。退刀由行程开关控制快速退刀提高工作效率。采用全封闭自动切割方式,保证操作者安全工作。防护罩两端设有开合式窗口,使得切割工件长度无限制,并防止冷却液飞溅。如采用直径<300mm砂轮片,最大切割直径<80mm,最大切割宽度135mm,最大切割高度100mm。该机经改型设计,加大水箱和防护罩的尺寸,改变工作台面的位置,还可以切割汽车半轴和摇臂轴等不易切割的大型零件。

   (3)Buehler公司生产的ABRASIMET-型切割机是将电机及底座、操作杆安装在同一轴线上,通过手动进行切割试件。切割过程采用弧形进刀方式。配备3kW电机和<254mm的切割片可切割直径为<76mm的试样。

ABRASIMATIC型自动砂轮片切割机配备液压气动驱动系统,切割力可调,自动操作。

       OSCILLAMET型砂轮切割机配备2.2kW电动机和<305mm的切割片,可以切割长度达320mm,或95mm×102mm的大块试样。该机通过砂轮摆动使接触面积减至最小,以保证获得无过烧并提高切割能力,由于砂轮片可以垂直方向定位,还可切割曲轴。

       POWERMET2000型砂轮切割机配备5.5kW电动机和<356mm的砂轮切割片,切割直径可达<102mm,或50mm×150mm。采用脉冲式切割方式,可以切割长样品,能编程,IC控制,自动切割。

   (4)STRUERS公司生产的Labotom23型切割机,其机构与ABRASIMET2型切割机类似,切割最大直径达<90mm。这是在提高砂轮片强度的情况下,减小砂轮片夹片直径达到的。

       StruersExotom2100型切割机属于工件固定,砂轮片摆动的机型。可以自动调整切割速度和压力,具有四种不同的切割控制方法。Axiocut切割方法可以切除较大的工件(100mm×450mm)。

       Magnutom型自动切割机也属于工件固定,砂轮片平行移动的机型,配备7.4kW电机和<432mm砂轮切割片,砂轮进给速度和压力可调,可根据需要调节步进切割量。最大切割直径<125mm。

讨论

       纵观国内外切割机的状况,国内研发的切割机在性能和外观等方面还存在一定的差距。例如,国内研制的切割机缺乏对砂轮轴调速的研究,国外的先进机型如Accutom25/50,StruersDiscotom250和Secomtom2100型配备了砂轮轴的无级调速系统,可使同一砂轮片切割不同的材料,提高砂轮片的适应能力。又如,一些切割机配备了切割参数的数据库,根据不同试件调整压力和切割速度,提高制样质量和效率。

       砂轮片材质和质量对切割机的效率和切割质量也有较大的影响。对于切割不同硬度的材料,选用不同材质的切割片,对提高切割效率和切割质量非常有效。通常,棕刚玉适用于切割碳素钢、普通合金钢、硬青铜。白刚玉适用于切割合金钢、淬火钢、工具钢、高速钢。黑碳化硅适用于切割灰铸铁、黄铜和非金属材料。绿碳化硅适用于切割硬质合金和玻璃。金刚石适用于切割硬质合金、铸铁、玻璃、石英、半导体、陶瓷以及非碳化物的高硬度材料。立方氮化硼适应于切割硬质合金、淬火钢以及高硬度高强度材料。国外有可选的不同材质的树脂砂轮片,根据试样的不同材料和硬度进行选择。国内生产的金相砂轮片品种单一,基本以棕刚玉磨料的为主,质量也存在一定问题,普遍现象是粘合剂的韧性差,砂轮片比较脆。主要原因是受用量和价格等因素的影响。

       我国金相试样制备的研究开发虽然已有几十年的历史,并已取得了一定的成绩,制约我国金相试样制备技术发展的因素主要有以下几个方面:

   (1)我国目前还没有制定金相试样切割实验方法和标准,以及质量的测试指标和测试条件。各个生产研制单位,大多是根据自己实际检测经验对金相制样设备进行试验测定。

   (2)缺乏懂金相知识与机械设计及其自动控制的综合性人才,这无形中增加了我国金相取样设备的研究和开发的难度。

   (3)冶金、机械、汽车、拖拉机、兵器、航天航空、轴承、工磨具等制造行业中所需的金属材料类型多样化,由于各种金属材料的物理、化学等性能不一,使切割机在测定试验参数,确定最佳性能指标等方面有很大难度。

   (4)国内的生产厂家因考虑价格和销路等因素,在高端产品投资较小。

结论

       目前金相切割设备形式多样,各种半自动化、自动化产品在各种规模,各种类型的企业实验室得到广泛应用,使操作者的工作量减少,制样效率提高。以微处理器为基础的各种制样设备代表着金相制备的先进技术,通过机电结合,软硬件结合及互补,增加柔性切割功能等方式改造传统的金相制样设备,获得手工操作难以实现的高精度、高性能和再现性好的金相试样。