金相切割机的国内外研究概况

魔神

    

　　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。