灰色調

凌晨3點多的時候,
在108頻道剛好看到龐均教授的教學節目....


記得10幾年前,
終於有機會學繪畫時,
靜物裡面,有個灰濛濛的不鏽鋼的茶壺...

我花了一整天的時間,
都調不出茶壺的顏色,
最後我問老師,他也說不上來,
只說要把灰色加上附近物品反射出來的顏色調和即可...

之後老師做了示範,
那是所有的示範裡面我最不滿意的一次,
雖然剎看之下調起來的顏色很像茶壺的顏色,
可是我打從心裡就不覺得那個顏色該這樣調,
因為那樣的色調,跟附近的水果根本不搭....


聽了龐均教授的解說後,
才知道,原來,灰色是怎麼難調的,
用白色和黑色調出來的灰色,旁邊需要有其他很重的顏色輔佐來提高彩度,
那樣的灰色很有力量和重量,就像樊谷的畫....

即使不用黑色,也是可以調出灰色,
那是比較華麗而清柔的灰色...

甚至連運筆的方式不同,同一個灰色,也有完全不同的呈現效果....

龐均教授說,世界上沒有幾個人懂得使用灰色調,他是那些人其中的一個...



我一直不滿意3D軟體RENDER出來的效果,
也許問題就是出在那些色調上吧,
物品的反射.透明度.材質和陰影.
打光的角度.顏色和強弱.
甚至是鏡頭的焦距甚至其他的參數,
也許得找個時間再重TRY一下....

模具

【作　者】陳良杰

在衝裁﹑成形衝壓﹑模鍛﹑冷鐓﹑擠壓﹑粉末冶金件壓製﹑壓力鑄造﹐以及工程塑料﹑橡膠﹑陶瓷等製品的壓塑或注塑的成形加工中﹐用以在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的製件的工具。

模具具有特定的輪廓或內腔形狀﹐應用具有刃口的輪廓形狀可以使坯料按輪廓線形狀發生分離﹐即進行衝裁。

應用內腔形狀可以使坯料獲得相應的立體形狀。

模具一般分為兩個部分﹕動模和定模﹐或凸模和凹模。它們可分可合。

分開時裝入坯料或取出製件﹐合攏時使製件與坯料分離或成形。

在衝裁﹑成形衝壓﹑模鍛﹑冷鐓﹑壓製和壓塑過程中﹐分離或成形所需的外力通過模具施加在坯料上。

在擠壓﹑壓鑄和注塑過程中﹐外力則由氣壓﹑柱塞﹑衝頭等﹐施加在坯料上。

模具承受的是坯料的脹力。

模具除其本身外﹐還需要模座﹑模架﹑導向裝置和製件頂出裝置等﹐這些部件一般都製成通用型﹐適用於一定範圍的不同模具。

模具的應用極為廣泛。大量生產的機電產品﹐如汽車﹑自行車﹑縫紉機﹑照相機﹑電機﹑電器﹑儀錶等﹐以及日用器具的製造都應用大量模具。

模具基本上是單件生產的﹐其形狀複雜﹐對結構強度﹑剛度﹑表面硬度﹑表面粗糙度和加工精度都有很高的要求﹐所以模具生產需要有很高的技術水平。

模具的及時供應及其質量直接影響產品的質量﹑成本和新產品研製。模具生產的發展水平是機械製造水平的重要標誌之一。




分類

加工金屬的模具按所採用的加工工藝分類﹐常用的有﹕
衝壓模﹐包括衝裁模﹑彎曲模﹑拉深模﹑翻孔模﹑縮孔模﹑起伏模﹑脹形模﹑整形模等﹔
鍛模﹐包括模鍛用鍛模﹑鐓鍛模等﹔以及擠壓模和壓鑄模。

用於加工非金屬和粉末冶金的模具則按加工對象命名和分類﹐有塑料模﹑橡膠模和粉末冶金模等。


衝壓模

用於板料衝壓成形和分離的模具。

成形用的模具有型腔﹐分離用的模具有刃口。

最常用的衝壓模只有一個工位﹐完成一道生產工序。

這種模具應用普遍﹐結構簡單﹐製造容易﹐但生產效率低。為提高生產率﹐可將多道衝壓工序﹐如落料﹑拉深﹑衝孔﹑切邊等安排在一個模具上﹐使坯料在一個工位上完成多道衝壓工序﹐這種模具稱為複合模。

另有將落料﹑彎曲﹑拉深﹑衝孔和切邊等多工序安排在一個模具的不同工位上。在衝壓過程中坯料依次通過多工位被連續衝壓成形﹐至最後工位成為製件﹐這種模具稱為級進模﹐又稱連續模。

已有的20工位﹑30工位的級進模﹐從捲料開捲﹑校平﹑衝壓﹐直至將製件排出和疊裝﹐已全部實現自動化﹐生產率獲得大幅度提高。

衝壓模的特點是﹕
精度高﹐尺寸準確﹐有些衝裁模的凸模與凹模的間隙近於0﹔衝壓速度快﹐每分鐘衝壓數十次至上千次﹔模具壽命長﹐有些硅鋼片衝裁模壽命在幾百萬次以上。


鍛模

用於熱態金屬模鍛成形的模具。

模鍛時﹐坯料往往經過多次變形才能製成鍛件﹐這就需要在一個模塊上刻有幾個型腔。

金屬依次送至各個型腔﹐並在型腔內塑性流動﹐最後充滿型腔製成鍛件。

在模鍛成形中﹐坯料很難與終鍛時型腔體積相等﹐為了避免廢品﹐坯料選用稍大一些。

為此﹐在終鍛模的上﹑下模分界面的型腔四周設有飛邊槽﹐以存貯多餘的金屬﹐成形後將飛邊切去。

型腔中應儘量減少尖角﹑深槽﹐以利於金屬塑性流動和充填﹐減少模具磨損和開裂﹐提高模具壽命。

鍛模的技術特點是﹕
有多個形式複雜的型腔﹔工作條件惡劣﹐1000℃以上熾紅的鋼在模具型腔內變形和流動沖刷﹔模具要承受鍛錘的高速衝擊或重負載的壓下﹔在使用過程中常處於急冷﹑急熱和冷熱交變狀態。

因此﹐模具材料應具有很高的強度﹑韌性和耐磨性﹐熱鍛時還須有高的溫度強度和硬度﹐並經過強韌化熱處理。


擠壓模

用於將金屬擠壓成形的模具。

正擠壓模有一個靜止的凹模和放置坯料的擠壓筒和對坯料施加壓力的衝頭。

擠壓空心件時﹐衝頭前端帶有芯棒。

反擠壓模的擠壓筒為凹模﹐衝頭成為凸模。

金屬需要在很大的壓強下才能從凹模擠出成形﹐在冷態下所需壓強可高達2000千牛/毫米2(200千克/毫米2)以上。

為此﹐擠壓筒和反擠壓的凹模需要有很高的強度﹐常採用多層預應力組合結構。

衝頭和凸模的工作長度宜短﹐避免在高的壓應力下發生不穩和彎曲。


壓鑄模

安裝在壓鑄機上﹐液態金屬在高壓下注入型腔﹑保壓至金屬凝固和成形的模具。

它主要用於鋁﹑鋅﹑銅件﹐也可用於鋼件。

壓鑄模的結構與塑料注射模類似。

它由動模與定模構成型腔﹐用型芯形成鑄件的孔腔。

金屬在型腔內冷卻﹑凝固後抽出型芯﹐分開模具﹐由頂杆推出鑄件。

壓鑄件一般壁薄中空﹐有眾多台﹑筋﹐形狀結構複雜﹐尺寸要求較精確﹐表面較光潔﹐金屬在熔融的高溫下成形。因此壓鑄模需要採用耐高溫的材料製造。


塑料模

用於塑料成形的模具。

隨著塑料工業的發展﹐塑料模需求量日益增多﹐其產量已佔各類模具產量的首位。

常用的塑料模有注射模﹑壓塑模和擠塑模。

注射模﹕主要用於熱塑性塑料製品的成形﹐也可用於熱固性塑料製品的成形。

模具分為動模與定模﹐注射時動模與定模閉合﹐構成型腔和澆注系統。

融熔態的熱塑性塑料通過澆注系統充滿溫度較低的型腔﹐經短時間保壓﹑冷卻後固化成形。

開模時動模與定模分離﹐由推杆將製品頂出。


壓塑模﹕用於熱固性塑料製品的成形。

將經預熱的塑料粉加入熱的型腔內﹐經閉模﹑加壓﹑加熱(一般近180℃)﹐塑料逐漸軟化﹑熔融﹐充滿型腔﹐最後固化成形。


擠塑模﹕用於熱固性塑料成形或封裝電器元件等。

加料和成形前先閉模﹐然後將塑料粉放入加料室內加熱﹐成為融熔狀態﹐再在壓力作用下通過注射系統以高速擠入型腔內硬化成型。

擠塑模適用於嵌件較多和精度較高﹑形狀複雜的製品。


塑料模工作時﹐所承受的壓力﹑溫度都不高﹐但製件數量很大﹐表面要求特別光潔。

為此﹐模具材料可選用預淬硬鋼﹐即先對模具進行熱處理﹐達到一定硬度後再進行切削加工﹐以防止熱處理後變形﹐最後再進行拋磨加工﹐以提高表面質量。


橡膠模

用於輪胎﹑汽車蓄電池殼﹑鞋底等橡膠產品成形的模具。

一般是將橡膠材料夾入模具內﹐經蒸汽加熱成形。也有與塑料注射模相似的橡膠注射模。


粉末冶金模

將固體金屬粉末壓製成形的模具。

將金屬粉末定量地倒入下模﹐然後上模壓下﹑閉合﹑成形﹐再用頂料裝置頂出預製坯。

將預製坯送入燒結爐內燒結﹐遂製成粉末冶金零件。

一般粉末冶金件的空隙很大﹐佔總體積的15％左右﹐成形壓力不大﹐模具結構較簡單﹐精度﹑表面粗糙度要求一般﹐所以對模具無特殊要求。
為了減少空隙﹑提高密度和強度﹐對燒結後的坯件﹐再進行一次熱鍛﹐通稱粉末鍛造。所用的模具與模鍛模相似。





模具設計

對模具的要求是﹕
尺寸精確﹑表面光潔﹔結構合理﹑生產效率高﹑易於自動化﹔
製造容易﹑壽命高﹑成本低﹔
設計符合工藝需要﹐經濟合理。

模具結構設計和參數選擇須考慮剛性﹑導向性﹑卸料機構﹑定位方法﹑間隙大小等因素。

模具上的易損件應容易更換。

對於塑料模和壓鑄模﹐還需要考慮合理的澆注系統﹑熔融塑料或金屬流動狀態﹑進入型腔的位置與方向。

為了提高生產率﹑減少流道澆注損失﹐可採用多型腔模具﹐在一模具內能同時完成多個相同或不同的製品。

在大批量生產中應採用高效率﹑高精度﹑高壽命的模具。

衝壓模應採用多工位級進模﹐可採用硬質合金鑲塊級進模﹐以提高壽命。

在小批量生產和新產品試製中﹐應採用結構簡單﹑製造快﹑成本低的簡易模具﹐如組合衝模﹑薄板衝模﹑聚氨酯橡膠模﹑低熔點合金模﹑鋅合金模﹑超塑性合金模等。

模具已開始採用計算機輔助設計(CAD)﹐即通過以計算機為中心的一整套系統對模具進行最優化設計。這是模具設計的發展方向。





模具製造

按結構特點﹐模具分為平面的衝裁模和具有空間的型腔模。

衝裁模利用凸模與凹模的尺寸精確配合﹐有的甚至是無間隙配合。

其他鍛模如冷擠壓模﹑壓鑄模﹑粉末冶金模﹑塑料模﹑橡膠模等都屬於型腔模﹐用於成形立體形狀的工件。

型腔模在長﹑寬﹑高 3個方向都有尺寸要求﹐形狀複雜﹐製造困難。

模具生產一般為單件﹑小批生產﹐製造要求嚴格﹑精確﹐多採用精密的加工設備和測量裝置。

平面衝裁模可用電火花加工初成形﹐再用成形磨削﹐坐標磨削等方法進一步提高精度。

成形磨削可用光學投影曲線磨床﹐或帶有縮仿﹑修打砂輪機構的平面磨床﹐也可在精密平面磨床上採用專用成形磨削工具磨削。

坐標磨床可用於模具的精密定位﹐以保證精密孔徑和孔距。也可用計算機數控 (CNC)連續軌跡坐標磨床磨削任何曲線形狀的凸模和凹模。

型腔模多用仿形銑床加工﹑電火花加工和電解加工。

將仿形銑加工與數控聯合應用和在電火花加工中增加三向平動頭裝置﹐都可提高型腔的加工質量。電解加工中增加充氣電解可提高生產效率。

計算機數控多軸銑床加工﹑坐標磨削和加工中心機床﹐是型腔模加工的重要設備。

型腔的表面研磨和拋光一般採用電動或風動工具﹐配以各種研磨﹑拋光輪和研磨膏粉﹐也可採用超聲波研磨﹑擠壓珩磨﹑化學拋光等方法。三坐標測量機和光學投影比較儀是模具製造中常用的精密測量設備。





模具壽命

模具是精密工具﹐價格昂貴﹐必須儘量提高使用壽命。

模具的正常失效形式主要有磨損﹑塌陷﹑斷裂﹑黏合等。

不同用途的模具失效形式也各不相同。

提高模具壽命的途徑主要是根據應用條件合理選用模具鋼和確定熱處理規範。

選用在使用溫度下強度高的材料可防止塌陷。

提高模具硬度可以減少磨損。

較高的韌性和抗疲勞性能以及消除電加工的硬化層及加工殘餘應力﹐可以阻礙裂紋的產生和發展﹐防止裂斷。

表面處理﹐潤滑和選用抗黏合性能好的模具材料﹐是延長模具壽命的重要措施。

模具工作表面和基體的要求差異很大﹐很難用一種材料完全合理地滿足﹐但可以在工作部位用鑲塊﹑堆焊﹑噴鍍和局部強化的辦法提高其綜合性能。

此外﹐合理的操作使用﹐是消除非正常失效﹑減緩正常失效的另一途徑。





參考書目

萬戰勝等編﹕《衝壓模具設計》﹐中國鐵道出版社﹐北京﹐1983。

眼鏡

【作　者】沈詒谷


用以矯正人眼屈光異常﹑改善和提高視力或保護眼睛的工具。




沿革

公元前2000年﹐巴比倫迦勒底人就有視放大用具。

中國戰國時期有關於平面鏡﹑凸面鏡﹑凹面鏡的論述。

羅馬皇帝尼祿用精密藍寶石嵌在框內以增進視力。

中國東漢時期﹐張衡用透鏡研究月亮盈虧及日月蝕。

中國元代﹐已利用水晶幫助解決視力不足。

13世紀﹐義大利人馬可波羅記載﹐在中國看到眼鏡。

1268年﹐英國人R.培根提出製造眼鏡的最早建議﹐並將放大透鏡送給教皇克利門特四世﹐用於閱讀。義大利人得阿馬多的墓碑上刻有:“眼鏡的發明者A.D.1317”。由此可見﹐中國和歐洲幾乎在同一時期出現鑲入框架用於閱讀的眼鏡。

最初﹐鏡片用透明水晶或綠玉製造。
1628年﹐中國蘇州吳江人孫雲球用天然水晶磨製鏡片﹐製造老視﹑遠視﹑近視多種光度鏡片﹐隨目配鏡﹐並著有《鏡史》。在歐洲﹐最早製造眼鏡的中心是義大利威尼斯和德國紐倫堡。

1700年以後﹐由於光學技術的發展﹐開始用光學玻璃製作鏡片。

1784年﹐美國科學家B.富蘭克林發明了雙焦眼鏡﹐ 把遠用和近用的兩塊鏡片裝在一個框裡。最初鏡片的形狀都為雙凸或雙凹鏡片﹐像差嚴重。

1804年﹐英國W.沃拉斯頓發現做成前凸後凹鏡片可大大減少像散現象。

1827年﹐英國天文學家G.B.艾里為了矯正自己眼睛的散光﹐做出了柱鏡片。

1864年﹐荷蘭眼科醫師F.C.東德斯又在鏡片中增加棱鏡﹐以矯正由於眼肌不平衡而造成的複視現象。

1884年﹐貼片雙焦鏡片問世。

1885年﹐德國物理學家E.阿貝和化學家O.肖特發展了光學玻璃。

1887年﹐瑞士物理學家A.E.菲克製出第一副玻璃隱形眼鏡。

1908和1910年﹐相繼發明熔合雙焦鏡片和整體雙焦鏡片。

1913年﹐德國von羅爾設計了準光鏡片﹐不同光度用不同彎弧度﹐像散得到進一步修正。為了減輕白內障晶狀體摘除後所需高度凸透鏡和高度近視鏡片的重量﹐又採用了縮鏡鏡片。

1947年﹐英國人K.N.圖伊發明僅與眼角膜大小相近的角膜隱形眼鏡。

70年代以後發明變焦距(又稱漸進焦)鏡片。近百年來﹐由於與高技術結合﹐眼鏡的品種日益繁多﹐品質日益精良。




種類

眼鏡可按鏡片材質﹑鏡架材質﹑鏡片功能分類。


按鏡片材質分﹐有﹕

水晶片眼鏡﹐如水晶﹑茶晶﹑墨晶眼鏡等。

玻璃片眼鏡﹐如白托﹑克司﹑克賽﹑色片﹑高折射率片(超薄片)﹑鍍膜片眼鏡等。

塑膠片眼鏡﹐如CR39片﹑染色片﹑加膜片眼鏡等。



按鏡架材質分﹐有﹕

塑料架眼鏡﹐如賽璐珞架﹑醋酸纖維板架﹑醋酸纖維注塑架眼鏡等。

金屬架眼鏡﹐所用金屬架有金﹑銀﹑鎳﹑銅﹑鋁﹑鈦等合金架﹑不鏽鋼架﹑K金架﹑包金架﹑鍍金架﹑鍍鉻架﹑鍍銠架等。

金屬塑料混合架眼鏡。



按鏡片功能分﹐有﹕

光學眼鏡﹐其中有遠視﹑近視﹑老視﹑散光﹑三棱鏡斜光﹑雙焦﹑多焦和縮徑眼鏡等。

太陽眼鏡。

變色眼鏡。

防護眼鏡。

隱形眼鏡。

前 4種眼鏡通常將鏡片鑲入鏡架﹐戴在眼前方﹐統稱為框架眼鏡。



水晶眼鏡
中國最古老的眼鏡。由天然水晶磨製。無色透明的稱水晶﹐帶咖啡色的稱茶晶﹐帶黑色的稱墨晶。天然水晶中往往有稱為“棉”的不透明雜質。近代除採用天然水晶製作外﹐也用人造石英製作。水晶眼鏡的透光度和硬度都比光學玻璃眼鏡高﹐不易擦傷﹐保持長久光潔。


雙焦眼鏡
又稱雙光眼鏡。根據中老年人視力特點﹐看遠和看近常常需換戴不同光度的眼鏡。雙焦眼鏡的鏡片上就有兩種光度。鏡片上部的光度適宜於看遠﹐區域較大﹐稱主鏡片﹔下部的光度適宜於看近﹐區域較小﹐稱子鏡片。根據製作工藝﹐雙焦眼鏡有以下3種。


膠合雙焦眼鏡﹕將主鏡片製成適宜看遠的光度﹐再在主鏡片的看近區上黏上小鏡片﹐該區兩鏡片焦度合成後即為看近時所需的光度。膠合雙焦眼鏡製作簡單﹐但交界線明顯。

整體雙焦眼鏡﹕鏡片的兩個視區製成不同的曲率﹐形成兩個光度。玻璃整體雙焦鏡片加工複雜﹐有一定難度。光學塑膠整體雙焦鏡片加工簡便。

熔合雙焦眼鏡﹕又稱無形雙光眼鏡。由折射率為正常值的眼鏡玻璃作主鏡片﹐在看近區磨拋出凹坑﹐由較高折射率的火石玻璃作小鏡片﹐磨拋成凸表面﹐通過燒成使兩者熔合在一起﹐磨成曲率一致的鏡片﹐利用折射率的差異形成兩種光度﹐舒適美觀﹐較為理想。



超薄玻璃眼鏡

又稱高折射率玻璃眼鏡。

國際統一規定製作玻璃眼鏡的材料採用比重 2.5﹑折射率 1.523的冕牌玻璃。

用這種玻璃製作高光度眼鏡時﹐鏡片中心和邊緣的厚度懸殊﹐鏡片重且不美觀。

超薄玻璃眼鏡採用比重為 3.1﹑折射率為1.70的專用火石玻璃﹐製作高光度眼鏡時﹐鏡片中心和邊緣的厚度差顯著減小﹐配戴時舒適美觀。




防護眼鏡

在一定環境下﹐為了防止強光﹑射線或有害飛濺物質傷害眼睛﹐通常配戴防護眼鏡。
主要有以下8種。


看火護目鏡﹕鏡片含鈷﹑鐵﹑銅而呈藍色的玻璃眼鏡﹐吸收熾烈強光﹐消除強光下眩光。宜於各種高溫爐前操作人員配戴。


焊工護目鏡﹕鏡片含鐵﹑鈷﹑鉻等著色劑而呈深綠色的玻璃眼鏡﹐對紫外﹑紅外和可見光都有強烈吸收﹐其可見光透過率一般為0.1％～1％。宜於氣焊﹑電焊﹑氬弧焊﹑等離子切割的操作工人配戴。

防強光護目鏡﹕鏡片含鐵﹑錳﹑鉻﹑鈰等著色劑而呈黃綠色的玻璃眼鏡﹐對紫外線和紅外線能全部吸收﹐可見光透過率為20％左右﹐宜於電焊輔助工人配戴﹐以減弱強光刺目﹐又能看到物件。

防X射線眼鏡﹕用含鉛玻璃製作的眼鏡﹐具有一定的鉛當量﹐呈淡黃色﹐防止 ﹑β﹑γ射線透過。宜於X射線操作人員配戴。

防微波眼鏡﹕在玻璃鏡片上真空蒸鍍或高溫噴塗四氯化錫導電膜﹐配戴後可防止微波﹑高頻波﹑超短波﹑雷達波等對眼睛的傷害﹐對毫米波至分米波的平均衰減量為20dB﹐其可見光透過率為65％左右。

防激光眼鏡﹕在鏡片中加入著色劑或在鏡片表面鍍金屬膜﹐能有效地吸收或反射某波長激光的眼鏡。如深藍色鏡片防禦紅寶石產生的0.6943m激光和氬離子﹑氦氖產生的0.6328m激光﹔橙紅色鏡片可防禦氬離子產生的0.48m激光﹔無色特種鏡片可防禦釹玻璃﹑釔鋁石和二氧化碳產生的1.06m激光。在鏡片表面鍍金屬膜﹐對0.53m﹑0.69m﹑1.06m等激光波段的反射率大於99％。適合於激光環境下操作人員配戴。

防衝擊眼鏡﹕工業生產﹑交通運輸﹑體育活動中往往會遇到外來衝擊﹐為保護眼睛﹐常需配戴平光或有光度眼鏡。玻璃眼鏡﹑塑膠眼鏡和鋼化玻璃眼鏡的耐衝擊強度依次增強。鋼化玻璃眼鏡的鏡片磨拋加工後再進行化學鋼化處理。將鏡片放置在鹼金屬熔鹽中使其與玻璃中鹼離子交換﹐玻璃表面小半徑鹼離子被熔鹽中大半徑鹼離子取代充填結構﹐在玻璃表面造成壓應力﹐增強了其耐衝擊力。由於化學鋼化處理在玻璃變形溫度以下進行﹐鏡片光度和形狀尺寸不改變。

防化學介質眼鏡﹕為橡皮邊框眼鏡。與眼睛周圍的肌肉緊貼﹐可防止化學氣體﹑化學濺液﹑粉末塵埃等。用於在惡劣的環境下防護介質對眼睛的刺激。

偏振眼鏡 鏡片上鍍以偏振薄膜﹐可使普通光經過鏡片時只通過規定方向振動的光波。配戴偏振眼鏡可防止水面反光﹐車燈眩光等。若將兩片偏振鏡片重疊起來﹐兩鏡片光振動方向平行時透光明亮﹐旋轉一片﹐透光逐漸減弱﹐當兩鏡片透過光振動方向完全垂直時﹐光全部被阻。這一方式可用來根據需要調節透光強度。若配戴兩鏡片接受光振動方向互相垂直的一副眼鏡時﹐兩眼可各自接受兩台放映機投射的﹑光振動方向相互垂直的相關畫面﹐構成立體影像。

增透眼鏡 為高透射率眼鏡。光線通過玻璃鏡片時﹐會在空氣與玻璃的界面上發生折射和反射。光的反射會使光強減小﹐引起的光強損失與介質的折射率有關。眼鏡玻璃對可見光的反射率約為 4％。眼鏡片與空氣有兩個反射界面﹐引起的光損失約8％。因此﹐光通過率最大不超過92％。增透眼鏡即利用光的波動本質﹐在鏡片表面鍍膜﹐使反射光之間相互干涉﹐削減光的反射量﹐增加透光率。一般採用真空蒸鍍法鍍氟化鎂膜。鍍膜時須精確計算和控制鏡片雙面膜層厚度﹐可將鏡片反射引起的光損失減少到4％。如需進一步增透﹐需鍍多層不同材料的膜﹐產生複合的各波長光干涉。多層鍍膜可以使鏡片透過率達到 99.2％以上。





驗光

配製眼鏡前﹐一般須對人眼作全面的視機能與視力檢查﹑屈光度測定﹐以確定矯正視力的眼鏡片的類型和光度。

對正視眼者﹐平行光線通過眼的屈光系統(角膜﹑房水﹑晶狀體和玻璃體)集焦於視網膜上﹐遠近物體都能看清﹐出於遮擋陽光﹑特種防護或修飾容貌的需要﹐只須佩戴平光眼鏡。

近視﹑遠視﹑散光等統稱為屈光異常。在調節靜止狀態下﹐射入的平行光線集焦於視網膜之前﹐眼軸過長或眼的屈光系統屈折力過強﹐就成為近視眼。反之﹐就成為遠視眼。

如果角膜表面相互垂直的子午線上弧度不同﹐射入的平行光線集焦不是一點而是一線(稱為焦線)﹐就成為散光眼。

散光有遠視性散光﹑近視性散光﹑混合散光和不規則散光。

隨著年齡增長﹐晶狀體彈性逐漸減弱﹐睫狀肌調節功能逐漸衰退﹐以致看近物時不能成像於視網膜上﹐就成為老視眼(又稱老花眼﹑老光眼)。

近視眼用凹球透鏡矯正﹐遠視眼和老視眼用凸球透鏡矯正﹐散光眼用柱鏡或球柱鏡矯正。


屈光度測定
1872年﹐法國F.莫羅耶倡議鏡片焦距以米計數﹐焦距1m的鏡片為1屈光度(D)﹐鏡片焦距的倒數即該鏡片的屈光度﹐近視用負號(-)﹐遠視用正號(+)。此後世界各國都以此法定度。中國亦採用此法﹐並習慣將0.01D定為1度﹐1.00D即100度。

屈光度測定分主覺法﹑他覺法和主他覺結合法。

主覺法﹕將視力表和散光圖表置於人眼前規定距離﹐逐一換戴調整各種(+)﹑(-)球鏡和柱鏡﹐交叉圓柱鏡﹐棱鏡﹐馬道士杆等試光片﹐直到主覺上認為最佳視力為止。為兒童和少年驗光可先散瞳﹐以消除其調節力﹔對青年和成人不必散瞳﹔老年人不可散瞳。

驗光所用的視力表是1862年H.斯內倫根據視力相當於光學系統極限鑑別角原理創造的。視力表定出不同大小的 “E”字視標。此後﹐有些國家根據這一原理製成“C”字﹑字母﹑數字等多種視力表。1952年中國眼科學會決定全國採用“E”字國際標準視力表﹐以5m距為標準﹐用小數記錄法﹐1.0為標準視力。散光圖表於1869年由格林創造﹐後來流行的雖有不同式樣﹐但基本圖形均相似。散光眼觀看散光圖表時﹐會在某一方向上清晰﹐而在與其垂直方向上模糊﹐不斷更換不同度數柱面鏡﹐直到看清各方向線條﹐即可確定散光度數和散光軸方向。

他覺法﹕在暗室中使用檢影鏡和檢眼鏡﹐不需瞭解被驗光者的主觀感覺﹐直接測定眼內屈光系統情況﹐確定矯正屈光不正的鏡片光度。

主他覺結合法﹕近年來發展用電子計算機控制的電腦驗光機。電腦驗光簡單快速﹐但是有時出現誤差。通常將主覺法和他覺法相結合﹐核對驗得屈光度的正確性﹐最後確定矯正光度。



瞳距測定
瞳孔距離為配鏡的主要參數之一。可用瞳距儀﹑專用測瞳距尺或普通小米尺測定。使人眼注視遠方或近方﹐人眼的右眼角膜內緣到左眼角膜外緣間的距離即相應為遠用瞳距或近用瞳距。




配鏡

按驗光處方正確地配製眼鏡還需做以下必要的工作。

選定鏡片材質。例如﹐
常在室外工作配克司鏡片以防紫外光﹔為增加膚色美觀配克賽鏡片﹔
經常出入室內外配光致變色鏡片以增加舒適﹔
老視眼鏡最好配白色鏡片﹔
深度近視或遠視配高折射率鏡片﹑塑膠鏡片或縮徑鏡片以防過重過厚﹔
兒童和老人配塑膠鏡片以防打碎﹔特殊職業需要配隱形眼鏡。

兩鏡片光學中心間隔距離必須與眼的瞳距相符﹐否則將產生棱鏡效果﹐使視覺產生疲勞﹐甚至複視。雙光鏡片的主鏡片光學中心符合遠用瞳距﹐子鏡片光學中心符合近用瞳距。鏡片離眼角膜應當為12mm左右﹐否則不能保證驗光準確度。近視鏡戴得過近等於加深光度﹐過遠等於減淺光度﹔遠視鏡則反之。運用時鏡框和鏡架腳應作向下大約10°傾斜﹐有利於工作並感到舒適。





鏡片加工

鏡片加工工藝因材質而異。


玻璃鏡片加工
包括粗磨﹑細磨﹑拋光﹑磨邊 4道主要工序。

粗磨成型﹕
近視﹑遠視鏡粗磨成型的傳統方法是在轉動的鑄鐵模具上﹐用粗砂把玻璃毛坯表面磨成所需彎曲度。

改進的方法是採用高速旋轉的環形金剛石砂輪﹐將玻璃毛坯裝在主軸上﹐銑出各種所需弧度。
散光鏡片一般採用圓輪多片磨法。

將鏡片黏於半徑等於鏡片基底屈光度的曲率半徑的圓輪上﹐將高速旋轉金剛石砂輪調整至所需曲率﹐銑磨鏡片至所需散光面。


細磨﹕
傳統的方法是在曲率準確的模具上用加水散粒細砂加工經粗磨的鏡片﹐使鏡片表面細潔﹐弧度準確。

還可在大膠盤上貼3～8塊鏡片﹐用曲率準確的大模具進行多片細磨。

改進的細磨方法是用數十片直徑10mm﹑厚 3mm的金剛石片黏於模體上組成細磨模具﹐用三乙醇胺有機溶液作冷卻液進行細磨。

散光面細磨在專用機床上進行。


拋光﹕
傳統的方法是在模具上用松香柏油黏上一層呢布﹐加氧化鐵紅粉和水對經過細磨的鏡片表面進行拋光。

改進的方法採取轉速達 1200r/min的高轉速機械﹐在模具上黏上一層聚氨脂﹐加氧化鈰和水進行拋光。

散光面拋光在專用機床上進行。


磨邊﹕
鏡片裝框前需製成所需的形狀﹑大小並研磨邊緣。

磨邊前先用塑料薄片依鏡架框形剪成樣板﹐並畫出幾何中心。

傳統的手工磨邊方法是用金剛石劃玻璃刀在鏡片上依樣板劃出刀痕﹐再用平口鉗按刀痕剝去多餘部分﹐然後在棕剛玉細砂輪或碳化硅硬砂輪上磨邊。

改進的磨邊方法採用自動磨邊機﹐將經拋光的鏡片夾裝準確﹐樣板套入樣板夾內﹐機內羅列粗﹑細﹑尖邊﹑方邊等砂輪﹐電腦控制﹐自動進刀﹐完成磨邊。




塑膠鏡片加工

一般以丙烯基二甘醇碳酸脂(CR39)﹑聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)﹑聚碳酸脂(PC)等光學塑料為原料﹐經注塑模鑄﹑聚合﹑染色﹑表面處理等工序製成 ﹐將聚合物單體及配合料在配料器中充分混合互溶﹐濾除雜質。

用兩片玻璃和密封圈精確配合﹐組成模具。

將模具充分清洗擦淨﹐配好的單體用壓縮空氣管注入模具內﹐抽真空除去氣泡﹐送聚合爐內加溫聚合﹐形成塑料鏡片。

為遮陽和減少紫外線透過以及美容裝飾的塑膠鏡片可經過染色工序。

鏡片清洗擦淨後﹐放入染液槽中﹐控制染色溫度和染色時間﹐完畢後用熱水沖洗一定時間﹐擦淨。

染色鏡片如果色澤不理想﹐可重複在其他染色液或漂白液﹑退色液中改色。

CR39塑膠鏡片通常需表面鍍膜﹐提高鏡片表面的耐磨性。

鍍膜方法有浸泡法﹑旋轉法和澆塗法等化學法﹐還有真空鍍膜等物理法。

真空鍍膜法工藝複雜﹑成本較高。

化學法較為常用。
化學法鍍膜液是一種熱固性有機硅化合物﹐鏡片表面預先脫脂清洗並擦淨﹐再在鍍膜液中浸泡﹑旋轉或澆塗﹐然後在烘箱中固化處理。




鏡架製造

眼鏡架由鏡腿﹑鏡框﹑鏡樑﹑鼻托﹑鉸鏈等部分組成。

根據材質可分為全金屬﹑全塑料和金屬塑料混合 3種類型。
由於造型和選材的多樣化﹐形成了多種精細加工工藝。


金屬鏡架製造

由於強度﹑韌性﹑質輕﹑耐蝕﹑經濟等要求﹐多採用不同成分如鈦﹑鎳﹑銅﹑鋅﹑鋁﹑鉻﹑錳等合金線材﹐整形後分別製成鏡圈﹑鏡腿﹑鼻樑等零部件。

將零部件按設計用高頻焊接﹐拋光﹑電鍍﹐隨後可採取噴砂﹑染色﹑塗層等多種裝飾工藝。


塑料鏡架製造

過去用硝酸纖維素(即賽璐珞)﹐由於易燃﹐現在代之以醋酸纖維素。
板材採用加熱衝製或仿形銑磨成型﹔顆粒料採用注塑成型。
鉸鏈﹑鉚釘等零部件可一次注入﹐隨後進行染色﹑拋光﹑塗色等多道加工工序。

金屬塑料混合架製造

在金屬架上鑲裝部分塑料部件﹐適應美化鏡架的設計需要﹐製造工藝兼有金屬和塑料鏡架部件加工工藝。

隱形眼鏡

【作　者】沈詒谷

以淚液為媒介﹐附著於眼球角膜表面﹐以矯正眼的屈光異常的小而薄的鏡片。
又稱接觸眼鏡﹑無形眼鏡。

沿革 1508年﹐達‧芬奇認為把眼睛浸入水中可以改善視力。

1827年﹐英國人J.F.W.赫謝爾確認了這一理論。

1884年﹐瑞士物理學家A.E.菲克提出接觸眼鏡的概念。

1887年F.A.米勒吹製出第一副實用的隱形眼鏡。

1930年以來﹐隨著塑料的發明和製作眼模型技術的發展﹐改變了隱形眼鏡的製造工藝。用聚甲基丙烯酸甲酯(簡稱PMMA﹐俗稱有機玻璃)為原料﹐根據眼模型製成鏡片。當時所做的是鞏膜隱形眼鏡﹐鏡片與鞏膜接觸﹐角膜部分充滿液體。

1947年﹐英國人K.N.圖伊發明了大小僅與角膜相近的角膜隱形眼鏡。此後發展成直徑 9.5mm左右的微型鏡片和多弧度的輪廓型鏡片。

1964年﹐捷克人威切特菜發明了用聚甲基丙烯酸羥乙酯製成親水軟性角膜隱形眼鏡。

1957年中國試製成硬性角膜隱形眼鏡﹐上海﹑北京﹑天津﹑杭州﹑廣州等地相繼生產。

1974年﹐試製成親水軟性角膜隱形眼鏡。

1984年試製成厚度 0.1mm以下的薄型軟性角膜隱形眼鏡。由於鞏膜隱形眼鏡配製困難﹐淚液循環不暢﹐戴用時間不能太長﹐已被角膜隱形眼鏡所替代。


製造方法

硬性隱形眼鏡的材料PMMA是固體材料﹐一般採用材料加工切削研磨工藝。

切削使用配有金剛石刀的專用球面車床﹐拋光採用六軸研磨機。

邊緣的修磨多在旋轉的尖頭上進行手工操作。


軟性隱形眼鏡的材料聚甲基丙烯酸羥乙酯的單體為流質﹐聚合後呈固體。

聚合有化學催化加溫聚合法﹑光引發聚合法﹑電離性射線輻射聚合法﹑超聲波引發聚合法和微波輻射聚合法等多種方式。



鏡片製造通常採用以下 3種工藝﹕

聚合成固體後﹐用加工硬性鏡片的方法加工﹐但加工和採用輔料時不可與水接觸﹐車削﹑研磨拋光都要用油劑﹐加工後尺寸與溶脹後尺寸須精確控制。

將液態單體注入預製拋光的玻璃模具或塑料模具內﹐聚合固化﹐模製成型﹐有時再經研磨拋光。
將液態單體注於離心器上模具內﹐離心澆注﹐一次成型。

最後進行磨邊﹐浸於生理鹽水中﹐製成親水軟性鏡片。



特點和用途

隱形眼鏡與框架眼鏡(見眼鏡)相比較﹐有以下特點。

用隱形眼鏡和框架眼鏡矯正同樣光度的屈光不正﹐所用鏡片的光度不同。

近視眼時隱形眼鏡的光度比框架眼鏡淺﹐遠視眼時隱形眼鏡的光度比框架眼鏡深。


隱形眼鏡貼於角膜上﹐隨眼球轉動﹐視軸始終保持在鏡片光學中心。

其球差像散等軸外像差和棱鏡效果比框架眼鏡小得多﹐視野比框架眼鏡廣闊得多。

對屈光參差患者或單眼白內障摘除者起雙眼單視作用。

隱形眼鏡與角膜之間有一層淚液﹐構成淚液透鏡﹐可將角膜上高低不平處填平﹐具有消除角膜散光的效果﹐對不規則散光﹑圓錐角膜等具有顯著矯正效果。

戴框架眼鏡矯正屈光異常時﹐每增加 1.00D光度﹐視網膜成像會產生2～3％放大或縮小。

隱形眼鏡附著角膜表面﹐其放大或縮小倍數比框架眼鏡小。

因此﹐對高度近視者可消除視物像縮小的缺點﹐對屈光參差患者能減小視物像不等現象﹐同時具有與裸眼相近的視物距離感覺。


隱形眼鏡無鏡框鏡腳﹐對認為戴眼鏡有損美觀者﹐高度近視或遠視感到普通眼鏡太重者以及由於工作要求不可戴框架眼鏡的演員﹑運動員﹑外科醫生﹑海員等更為方便和適宜。


親水軟性隱形眼鏡有吸收水分性能﹐有眼疾者可將藥液吸入鏡片內﹐戴上後藥液不斷放出﹐達到連續供藥的治療作用。

隱形眼鏡配戴前﹐必須對眼睛詳細檢查。眼球前部有組織畸形﹑進行性炎症﹑角膜痲痺﹑過敏﹑乾燥等症者不得配戴隱形眼鏡。患有眼炎症﹑外傷﹑異物等眼疾的必須痊癒後配戴。老人﹑兒童﹑精神病患者以及不能自行按正確程序配戴者均不宜配戴隱形眼鏡。


驗光和配戴

隱形眼鏡的驗光和配戴與框架眼鏡不同。

驗光﹕除用普通驗光法確定屈光度外﹐必須再用角膜曲率儀測量角膜屈率半徑﹐把驗光度數換算成隱形眼鏡光度。選試鏡片試戴。用硬性隱形眼鏡時﹐試鏡片基弧應比角膜的屈率半徑大0.3～0.4mm﹐鏡片光度為換算光度減去液體透鏡光度。

如驗得光度有散光﹐應換算成近視光。液體透鏡光度是鏡片凹面屈光度(正值)和角膜表面屈光度(負值)之和。

試鏡片直徑應比角膜小1.5～2mm。軟性隱形眼鏡的試鏡片僅4﹑5種基弧。

試鏡片光度依據已換算的光度﹐不考慮液體透鏡。

試片直徑為13.5mm和14mm(濕體)兩種。

試片選定後清洗並滴生理鹽水﹐戴入眼內進行移動檢查﹑中心位置檢查和視力檢查﹐如移動不正常﹐患者感覺不適或視力不良﹐更換試鏡片反覆試驗﹐直至患者無任何不舒適感後﹐再次戴試鏡片驗光精調﹐開處方配鏡片。


戴鏡﹕戴隱形眼鏡有一個適應期。

硬性鏡片通常第一周內每天戴1小時﹐以後每過1周增加1小時﹐直至全天能戴。

軟性鏡片適應期較短﹐開始兩天戴3小時﹐以後每過兩天增加1小時﹐直至全天能戴。

如為周戴隱形眼鏡﹐開始幾天宜每天取出﹐以後逐步延長戴鏡時間﹐直至適應周戴。


消毒保養﹕戴隱形眼鏡須注重消毒保養﹐以保持鏡片使用壽命和防止眼睛感染甚至致盲。

每次戴用需清洗雙手﹐鏡片用新鮮生理鹽水沖洗。
使用完畢取下後﹐必須用特製清洗液清洗﹐然後浸入泡浸液中﹐次日再用。


軟性親水隱形眼鏡是網狀結構的聚合體﹐眼的分泌物及外來細菌容易積聚網孔中﹐須定期用以下方法進行消毒﹕

加熱消毒法﹐鏡片洗淨後置蒸餾水中煮沸20分鐘﹔
過氧化氫消毒法﹐鏡片浸入3％過氧化氫溶液中5分鐘﹐用碳酸氫鈉中和﹐然後沖洗潔淨﹔
水溶殺菌液消毒法﹐鏡片放在幾種混合的可溶於水的藥液中﹐如氯化克殺丁﹑硫柳汞﹑乙二胺四醋酸(簡稱EDTA)等。

難加工金屬材料的切削

【作　者】張幼禎

某些高強度或高硬度金屬材料的切削加工性很差﹐切削時或者刀具壽命縮短﹐或者捲屑﹑斷屑困難﹐或者加工表面質量差﹐或者這幾種現象兼而有之﹐故這類材料稱為難加工金屬材料。

切削加工中常遇到的難加工金屬材料有不鏽鋼﹑鈦合金﹑高溫合金﹑高強度鋼和高錳鋼等。



這類金屬材料難於加工的主要原因是﹕

材料中含有高熔點的合金元素如鐵﹑鈦﹑鉻﹑鈷﹑鎳﹑釩﹑鎢﹑鉬和錳等﹐它們相互結合﹐或與氮﹑硼﹑碳等元素相結合﹐形成高硬度的化合物(顆粒)﹐加劇了刀具的磨損﹔

材料本身的強度(特別是高溫強度)和硬度高﹐韌性大﹐加工時由於表面塑性變形而產生嚴重的加工硬化﹐使切屑強韌﹐因此切削力很大﹐切削溫度高﹔

有些難加工材料(如鈦合金)的化學活性大﹐與刀具材料的化學親和力強﹐使刀具容易產生黏著磨損和擴散磨損(指在切削區的高溫作用下﹐刀具與工件中的元素互相擴散﹐使刀具表層組織變化)﹐而加快刀具磨損。


各種難加工材料具有不同的特點﹐在切削加工時需要採取不同的措施才能有效地改善切削加工性。




常用的基本措施是﹕
提高工藝系統的剛度﹔
加大機床的功率﹔
合理選用刀具材料﹔
合理設計刀具結構和幾何參數﹔
選用適當的切削用量﹔
選用適當的切削液和供液方法﹔
採用振動切削﹑等離子弧加熱切削(見切削加工)等新工藝或電火花加工﹑電解加工等特種加工方法。

鏡面磨削

【作　者】鄭煥文

能達到最小表面粗糙度的磨削方法。

磨削後的工件﹐表面粗糙度R a不大於0.01微米﹐光如鏡面﹐可以清晰成像﹐故稱鏡面磨削。

磨削圓柱面的圓度不大於 0.5微米﹐直線度不大於1微米/300毫米﹔磨削平面的平面度不大於3微米/1000毫米。

鏡面磨削主要用於加工精密軋輥﹑精密線紋尺等需要特別光潔的精密零件的外圓或平面。

鏡面磨削用的磨床要具備以下條件﹕
有很高的精度﹑剛度並採取減振措施﹔
砂輪主軸的旋轉精度高於1微米﹔
砂輪架相對工作台的振幅小於1微米﹔
橫向進給機構能精確微動﹔
工作台在低速運動時無爬行現象。

鏡面磨削時﹐先採用粒度60號以內的陶瓷結合劑砂輪﹐經精細修整﹐使砂輪表面的有效磨粒形成許多等高的半鈍態微刃﹐磨削時只切下微細的磨屑﹐並有適當的摩擦拋光作用﹐表面粗糙度達到R a0.08～0.04微米﹐這是超精磨削階段。

然後再用微粉磨料 (W14～W5)﹑樹脂結合劑和石墨填料做成的砂輪﹐經過精細修整﹐在適當的磨削壓力下進行鏡面磨削﹐經過一定時間的摩擦拋光作用﹐最後達到表面粗糙度R a不大於0.01微米的鏡面。

鏡面磨削的磨削用量較小﹐例如磨削外圓時﹐砂輪速度為15～20米/秒﹐工件速度小於10米/分﹐工作台進給速度為50～100毫米/分﹐橫向進給磨削深度為3～5微米﹐然後作無進給的光磨20～30次。

磨削時﹐切削液要充分﹐並有良好的過濾裝置﹐以防劃傷工件表面。

砂輪修整需用鋒利的單顆粒金剛石﹐修整時﹐工作台速度為6～10毫米/分﹐橫向進給2～4次﹐每次切深2～3微米﹐再無進給光修一次。

機床

【作　者】范宏才　張克昌

對金屬或其他材料的坯料或工件進行加工﹐使之獲得所要求的幾何形狀﹑尺寸精度和表面質量的機器。

機械產品的零件通常都是用機床加工出來的。

機床是製造機器的機器﹐也是能製造機床本身的機器﹐這是機床區別於其他機器的主要特點﹐故機床又稱為工作母機或工具機。


機床包括﹕
金屬切削機床﹐主要用於對金屬進行切削加工﹔
木工機床﹐用於對木材進行切削加工﹔
特種加工機床﹐用物理﹑化學等方法對工件進行特種加工﹔
鍛壓機械﹐用於對坯料進行壓力加工﹐如鍛造﹑擠壓和衝裁等。
狹義的機床僅指使用最廣﹑數量最多的金屬切削機床。

機床是機械工業的基本生產設備﹐它的品種﹑質量和加工效率直接影響著其他機械產品的生產技術水平和經濟效益。因此﹐機床工業的現代化水平和規模﹐以及所擁有的機床數量和質量是一個國家工業發達程度的重要標誌之一。



簡史

公元前2000多年出現的樹木車床是機床最早的雛形。工作時﹐腳踏繩索下端的套圈﹐利用樹枝的彈性使工件由繩索帶動旋轉﹐手拿貝殼或石片等作為刀具﹐沿板條移動工具切削工件。

中世紀的彈性桿棒車床運用的仍是這一原理。

15世紀由於製造鐘錶和武器的需要﹐出現了鐘錶匠用的螺紋車床和齒輪加工機床﹐以及水力驅動的炮筒鏜床。

1500年左右﹐義大利人列奧納多‧達芬奇曾繪製過車床﹑鏜床﹑螺紋加工機床和內圓磨床的構想草圖﹐其中已有曲柄﹑飛輪﹑頂尖和軸承等新機構。

中國明朝出版的《天工開物》中載有磨床的結構﹐用腳踏的方法使鐵盤旋轉﹐加上沙子和水剖切玉石。

18世紀的工業革命推動了機床的發展。

1774年﹐英國人J.威爾金森發明較精密的炮筒鏜床﹐次年﹐他用這台炮筒鏜床鏜出的汽缸﹐滿足了瓦特﹐J.蒸汽機的要求。為了鏜製更大的汽缸﹐他又於1776年製造了一台水輪驅動的汽缸鏜床﹐促進了蒸汽機的發展。從此﹐機床開始用蒸汽機通過天軸驅動。

1797年英國人莫茲利﹐H.創製成的車床由絲杠傳動刀架﹐能實現機動進給和車削螺紋﹐這是機床結構的一大變革。

19世紀﹐由於紡織﹑動力﹑交通運輸機械和軍火生產的推動﹐各種基本類型的機床相繼出現。

1817年﹐英國人R.羅伯茨創製龍門刨床。

1818年美國人E.惠特尼製成臥式銑床。

1876年﹐美國製成萬能外圓磨床。

1835和1897年先後發明滾齒機和插齒機。
隨著電動機的發明﹐機床開始先採用電動機集中驅動﹐後又廣泛使用單獨電動機驅動。

20世紀初﹐為了加工精度更高的工件﹑夾具(見機床夾具)和螺紋加工工具﹐相繼創製出坐標鏜床和螺紋磨床。同時為了適應汽車和軸承等工業大量生產的需要﹐又研製出各種自動機床﹑仿形機床﹑組合機床和自動生產線。

隨著電子技術的發展﹐美國於1952年研製成第一台數字控制機床。

1958年研製成能自動更換刀具以進行多工序加工的加工中心。

從此﹐電子技術和計算機技術的發展和應用﹐使機床在驅動方式﹑控制系統和結構功能等方面都發生顯著的變革。




類型

金屬切削機床可按不同的分類方法劃分為多種類型。

按加工方式或加工對象
可分為車床﹑鑽床﹑鏜床﹑磨床﹑齒輪加工機床﹑螺紋加工機床﹑花鍵加工機床﹑銑床﹑刨床﹑插床﹑拉床﹑特種加工機床(如電火花加工機床)﹑鋸床和刻線機等。每類中又按其結構或加工對象分為若干組﹐每組中又分為若干型。中國機床的型號由類別﹑組別和型別加上主參數的規格組成﹐例如C6140是最大加工直徑為400毫米的普通車床的型號。


按工件大小和機床重量
分為儀錶機床﹑中小型機床﹑大型機床﹑重型機床和超重型機床。

按加工精度
分為普通精度機床﹑精密機床和高精度機床 3類。

鑽床﹑昇降台銑床等加工精度要求不很高﹐屬於普通精度機床。

坐標鏜床﹑螺紋磨床和磨齒機等要求加工精度很高﹐為高精度機床。

介於普通精度與高精度之間的稱精密機床。

車床﹑磨床等分別有3種精度類型。70年代末期出現加工精度高於0.1微米的超精密加工機床。


按自動化程度
分為手動操作機床﹑半自動機床和自動機床3類。

手動操作機床的工件裝卸﹐以及工件的形狀﹑尺寸和精度的控制等均由工人手動操作。

半自動機床經人工調整好後﹐除裝卸工件之外機床的工作機構可自動完成一個循環運動﹐加工好所裝夾的工件。

自動機床則經人工調整好後﹐機床的全部運動﹐包括裝卸工件在內都能自動連續完成﹐加工出成批合格的工件﹐工人僅監視機床是否正常工作。


按機床的自動控制方式
分為仿形機床﹑程序控制機床﹑數字控制機床﹑適應控制機床﹑加工中心和柔性製造系統。


按適用範圍
分為通用﹑專門化和專用機床3類。

通用機床是可以加工多種工件﹑完成多種工序﹑適用範圍較廣的機床﹐如普通車床﹑外圓磨床和龍門刨床等。

專門化機床是用於加工形狀相似而尺寸不同的特定工件的機床﹐如曲軸磨床和凸輪軸磨床等。

專用機床用於加工某一特定工件的特定工序﹐如東風牌汽車發動機氣缸鏜床等。專用機床中有一種以標準的通用部件為基礎﹐配以少量按工件特定形狀或加工工藝設計的專用部件組成的自動或半自動機床﹐稱為組合機床。


對一種或幾種零件的加工﹐按工序先後安排一系列機床﹐並配以自動上下料裝置和機床與機床間的工件自動傳遞裝置﹐這樣組成的一列機床群稱為切削加工自動生產線。柔性製造系統是由一組數字控制機床和其他自動化工藝裝備組成的﹐用電子計算機控制﹐可自動地加工有不同工序的工件﹐能適應多品種生產。





機床的運動
機床的切削加工是由刀具與工件之間的相對運動來實現的。
機床的運動可分為表面形成運動和輔助運動兩類。



表面形成運動
使工件獲得所要求的表面形狀和尺寸的運動﹐它包括主運動 ﹑進給運動和切入運動。

主運動﹕從工件毛坯上剝離多餘材料時起主要作用的運動。

主運動可以是工件的旋轉運動(如車削)﹑工件的直線運動(如在龍門刨床上刨削)﹐刀具的旋轉運動(如銑削和鑽削)或刀具的直線運動(如插削和拉削)。

進給運動﹕刀具和工件待加工部分相向移動﹐使切削得以繼續進行的運動﹐如車削外圓時刀架溜板沿機床導軌的移動﹐外圓磨削時工件的旋轉和工作台的直線運動都是進給運動﹐它們分別稱為圓周進給運動和縱向進給運動。

切入運動﹕使刀具切入工件表面一定深度的運動﹐其作用是在每一切削行程中從工件表面切去一定厚度的材料﹐如車削外圓時小刀架的橫向切入運動。在不同類型的機床上﹐用不同形式的刀具﹐通過以上3種運動的配合可以實現刀尖軌跡法﹑成形法和展成法(見切削加工)的表面形成運動。



輔助運動
主要包括刀具或工件的快速趨近和退出﹑機床部件位置的調整﹑工件分度﹑刀架轉位﹑送夾料﹑啟動﹑變速﹑換向﹑停止和自動換刀等運動。



主要技術參數
機床的主要技術參數包括主參數和基本參數。


主參數
表示機床的規格﹐是確定其他參數﹑設計機床結構和用戶選用機床的主要依據﹐例如普通車床的床身上最大迴轉直徑﹑臥式鏜床的主軸直徑和拉床的額定拉力等。

有的機床為了更完整地表示機床的工作能力﹐還有第二主參數﹐如最大工件長度﹑最大加工模數等。


基本參數
決定機床基本性能的一些技術參數﹐包括尺寸參數﹑運動參數和動力參數等。

尺寸參數是表示機床工作範圍的主要尺寸﹐以及與刀具﹑夾具﹑量具和機床結構有關的尺寸。

如工作台行程﹑主軸錐孔尺寸和機床外形尺寸等。

運動參數包括機床主運動和進給運動的速度範圍和級數﹑輔助運動的速度等。

動力參數包括機床上各電動機的功率﹑最大切削力﹑主軸最大扭矩﹑最大工件重量和機床淨重等。




基本組成
機床結構須滿足夾持刀具和工件的要求﹐並使之產生相對運動﹐還要能夠控制切削速度﹑進給量和切削深度等。

各類機床通常由下列基本部分組成﹕

支承部件﹐用於安裝和支承其他固定的或運動的部件和工件﹐承受其重量和切削力﹐如床身和立柱等﹔

變速機構(如機床變速箱)﹐用於改變主運動的速度﹔

進給機構(如機床進給箱)﹐用於改變進給量﹔

主軸箱﹐用以安裝機床主軸﹐也可與變速機構或進給機構合在一起﹔

刀架﹑刀庫等安裝或儲存刀具的部件﹔

控制和操縱系統﹔潤滑系統﹔冷卻系統。




機床附屬裝置
機床附屬裝置包括機床上下料裝置﹑機械手﹑工業機器人等機床附加裝置﹐以及卡盤﹑吸盤﹑彈簧夾頭﹑虎鉗﹑迴轉工作台和分度頭等機床附件。



技術性能指標
評價機床技術性能的指標最終可歸結為加工精度和生產效率。

加工精度包括被加工工件的尺寸精度﹑形狀精度﹑位置精度﹑表面質量和機床的精度保持性。

生產效率涉及到切削加工時間和輔助時間﹐以及機床的自動化程度和工作可靠性。

這些指標一方面取決於機床的靜態特性如靜態幾何精度和剛度﹐而另一方面與機床的動態特性如運動精度﹑動剛度﹑熱變形和噪聲等關係更大。



靜態幾何精度
機床不受外載荷﹑靜止或運動速度很低時的原始精度。

它包括機床各主要零部件的製造精度以及它們的相對位置和運動軌跡之間的精度﹐如工作檯面的平面度﹑主軸錐孔中心線的徑向跳動﹑溜板移動在水平面和垂直面內的直線度等。

國際標準化組織(ISO)和許多國家都制訂了各種機床的精度標準。


運動精度
機床主要零部件在工作速度下運動時的精度。

例如高速旋轉的主軸﹐由於軸承製造誤差或油膜厚度的變化﹐其迴轉中心的位置不斷變化﹐形成“主軸軸心漂移”。運動精度還包括零部件的移動軌跡精度和速度不均勻性(或爬行)﹐以及螺紋加工機床和齒輪加工機床的傳動鏈精度等。


靜剛度
機床抵抗在外加靜態力作用下產生變形的能力。

實踐中也常用靜柔度來表示﹐其定義為靜剛度的倒數。

當扭矩作用在機床或其零部件上時﹐其變形量為角位移﹐扭轉剛度以牛‧米/弧度表示。

機床在切削力﹑重力和夾緊力等的作用下﹐除產生零件的拉壓﹑彎曲或扭轉變形外﹐還引起各零件接觸表面之間的接觸變形(以接觸剛度表示)﹐這種影響是比較大的。

機床的靜剛度與零部件的結構設計和製造裝配質量都有關係﹐它不僅影響加工精度﹐也影響機床的動剛度。


動剛度

機床在大小以一定頻率變化的正弦交變載荷(激振力)作用下所表現的剛度。

動剛度在數值上等於激振力與機床振幅之比﹐其常用單位為牛/微米。動剛度的倒數稱為動柔度。

機床﹑工件和刀具是一個彈性系統﹐動剛度與激振頻率對系統的固有頻率之比和系統的阻尼特性有關﹐當這兩頻率之比接近於 1時即引起共振﹐這時的動剛度最小。

機床工作時產生的機械振動會導致加工表面質量惡化﹐加速刀具磨損﹐降低生產率﹐嚴重時可使機床不能正常工作。

引起機床振動的主要原因有﹕
切削過程中切削力的變化﹐如在一定加工條件下會產生自激振動﹔
斷續切削或切削餘量不均勻﹔
機床傳動件的不平衡和機構的慣性力等﹔
外來的振源。

後三者引起的是受迫振動。

提高動剛度的措施是合理設計機床結構﹐如提高其靜剛度﹑改善機床的阻尼特性(如選用阻尼比較大的主軸軸承﹐提高構件接合面間的摩擦阻尼)等。


熱變形

由於機床內部或外部熱源的影響﹐機床本身溫度分布(溫度場)不均勻﹐機床各部件會產生不同的變形﹐從而破壞機床的幾何精度和工件與刀具間的相對位置﹐以致加工精度降低。

機床內部熱源主要是切削過程﹑電動機﹑軸承﹑機械摩擦和液壓系統等﹔外部熱源主要有氣溫﹑陽光和採暖設備等。

減小熱變形的措施在於減小或均衡機床內部熱源﹑採取散熱和隔熱措施和控制環境溫度等。


噪聲

機床噪聲過大﹐對於工人健康和安全生產都有不利的影響。

機床噪聲的大小是機床設計和製造水平的綜合反映。

噪聲的主要來源是電動機﹑帶傳動﹑齒輪傳動和液壓系統等發出的振動。

降低噪聲的途徑是合理地設計結構﹐提高加工和裝配質量﹐採取適當的隔聲和消聲措施。




發展趨勢

機床的主要發展趨勢是﹕
進一步應用電子計算機技術﹑新型伺服驅動元件﹑光柵和光導纖維等新技術﹐簡化機械結構﹐提高和擴大自動化工作的功能﹐使機床適應於納入柔性製造系統工作﹔提高功率﹑主運動和進給運動的速度﹐相應提高結構的動﹑靜剛度以適應採用新型刀具的需要﹐提高切削效率﹔提高加工精度並發展超精密加工機床﹐以適應電子機械﹑航天等新興工業的需要﹔發展特種加工機床﹐以適應難加工金屬材料和其他新型工業材料的加工。




參考書目

北京機床研究所編﹕《金屬切削機床》﹐機械工業出版社﹐北京﹐1974。

吳聖莊主編﹕《金屬切削機床》﹐機械工業出版社﹐北京﹐1980。戴曙主編﹕《金屬切削機床設計》﹐機械工業出版社﹐北京﹐1981。

超精密加工

【作　者】池去病

20世紀60年代為了適應核能﹑大規模集成電路﹑激光和航天等尖端技術的需要而發展起來的精度極高的一種加工技術。

到80年代初﹐其最高加工尺寸精度已可達10納米(1納米=0.001微米)級﹐表面粗糙度達1納米﹐加工的最小尺寸達 1微米﹐正在向納米級加工尺寸精度的目標前進。

納米級的超精密加工也稱為納米工藝(nanotechnology) 。超精密加工是處於發展中的跨學科綜合技術。

超精密加工的精度比傳統的精密加工提高了一個以上的數量級﹐除需要採用新的加工方法或新的加工機理之外﹐對工件材質﹐加工設備﹑工具﹑測量和環境條件等都有特殊的要求。

工件材質必須極為細緻均勻﹐並經適當處理以消除內部殘餘應力﹐保證高度的尺寸穩定性﹐防止加工後發生變形。

加工設備要有極高的運動精度﹐導軌直線性和主軸迴轉精度要達到0.1微米級﹐微量進給和定位精度要達到0.01微米級。

對環境條件要求嚴格﹐須保持恆溫﹑恆濕和空氣潔淨﹐並採取有效的防振措施。

加工系統的系統誤差和隨機誤差都應控制在 0.1微米級或更小。

這些條件是靠綜合應用精密機械﹑精密測量﹑精密伺服系統和計算機控制等各種先進技術獲得的。

超精密加工主要分為超精密切削加工和超精密特種加工。


超精密切削加工

主要有超精密車削﹑鏡面磨削和研磨等。

在超精密車床上用經過精細研磨的單晶金剛石車刀進行微量車削﹐切削厚度僅1微米左右﹐常用於加工有色金屬材料的球面﹑非球面和平面的反射鏡等高精度﹑表面高度光潔的零件。

例如加工核聚變裝置用的直徑為800毫米的非球面反射鏡﹐最高精度可達0.1微米﹐表面粗糙度為R z0.05微米。


超精密特種加工

當加工精度以納米﹐甚至最終以原子單位(原子晶格距離為0.1～0.2納米)為目標時﹐切削加工方法已不能適應﹐需要藉助特種加工的方法﹐即應用化學能﹑電化學能﹑熱能或電能等﹐使這些能量超越原子間的結合能﹐從而去除工件表面的部分原子間的附著﹑結合或晶格變形﹐以達到超精密加工的目的。

屬於這類加工的有機械化學拋光﹑離子濺射和離子注入﹑電子束曝射﹑激光束加工﹑金屬蒸鍍和分子束外延等。

這些方法的特點是對表面層物質去除或添加的量可以作極細微的控制。

但是要獲得超精密的加工精度﹐仍有賴於精密的加工設備和精確的控制系統﹐並採用超精密掩膜作仲介物。

例如超大規模集成電路的製版就是採用電子束對掩膜上的光致抗蝕劑(見光刻)進行曝射﹐使光致抗蝕劑的原子在電子撞擊下直接聚合(或分解)﹐再用顯影劑把聚合過的或未聚合過的部分溶解掉﹐製成掩膜。

電子束曝射製版需要採用工作台定位精度高達±0.01微米的超精密加工設備。

銑刀

【作　者】朱廣頤　胡孝忠


用於銑削加工的﹑具有一個或多個刀齒的旋轉刀具。工作時各刀齒依次間歇地切去工件的餘量。銑刀主要用於在銑床上加工平面﹑台階﹑溝槽﹑成形表面和切斷工件等。

銑刀按用途區分有多種常用的型式。

圓柱形銑刀﹕用於臥式銑床上加工平面。

刀齒分布在銑刀的圓周上﹐按齒形分為直齒和螺旋齒兩種。

按齒數分粗齒和細齒兩種。

螺旋齒粗齒銑刀齒數少﹐刀齒強度高﹐容屑空間大﹐適用於粗加工﹔細齒銑刀適用於精加工。

面銑刀﹕用於立式銑床﹑端面銑床或龍門銑床上加工平面﹐端面和圓周上均有刀齒﹐也有粗齒和細齒之分。

其結構有整體式﹑鑲齒式和可轉位式 3種。

立銑刀﹕用於加工溝槽和台階面等﹐刀齒在圓周和端面上﹐工作時不能沿軸向進給。

當立銑刀上有通過中心的端齒時﹐可軸向進給。

三面刃銑刀﹕用於加工各種溝槽和台階面﹐其兩側面和圓周上均有刀齒。

角度銑刀﹕用於銑削成一定角度的溝槽﹐有單角和雙角銑刀兩種。

鋸片銑刀﹕用於加工深槽和切斷工件﹐其圓周上有較多的刀齒。

為了減少銑切時的摩擦﹐刀齒兩側有15～1°的副偏角。

此外﹐還有鍵槽銑刀﹑燕尾槽銑刀﹑T形槽銑刀和各種成形銑刀等。



銑刀的結構分為4種。

整體式﹕刀體和刀齒製成一體。

整體焊齒式﹕刀齒用硬質合金或其他耐磨刀具材料製成﹐並千焊在刀體上。

鑲齒式﹕刀齒用機械夾固的方法緊固在刀體上。

這種可換的刀齒可以是整體刀具材料的刀頭﹐也可以是焊接刀具材料的刀頭。

刀頭裝在刀體上刃磨的銑刀稱為體內刃磨式﹔刀頭在夾具上單獨刃磨的稱為體外刃磨式。

可轉位式﹕這種結構已廣泛用於面銑刀﹑立銑刀和三面刃銑刀等。



銑刀按齒背的加工方式分為兩類。

尖齒銑刀﹕在後面上磨出一條窄的刃帶以形成後角﹐由於切削角度合理﹐其壽命較高。

尖齒銑刀的齒背有直線﹑曲線和折線3種形式。

直線齒背常用於細齒的精加工銑刀。

曲線和折線齒背的刀齒強度較好﹐能承受較重的切削負荷﹐常用於粗齒銑刀。

鏟齒銑刀﹕其後面用鏟削(或鏟磨)方法加工成阿基米德螺旋線的齒背﹐銑刀用鈍後只須重磨前面﹐能保持原有齒形不變﹐用於製造齒輪銑刀等各種成形銑刀。

刀具

【作　者】朱廣頤

機械製造中用於切削加工的工具﹐又稱切削工具。
廣義的切削工具既包括刀具﹐還包括磨具。

絕大多數的刀具是機用的﹐但也有手用的。由於機械製造中用的刀具基本上都用於切削金屬材料﹐“刀具”一詞一般就理解為金屬切削刀具。切削木材用的刀具則稱為木工刀具。


簡史

刀具的發展在人類進步的歷史上佔有重要的地位。

中國早在公元前 28～前 20世紀就已出現黃銅錐和紫銅的錐﹑鑽﹑刀等銅質刀具。戰國後期(公元前3世紀)﹐由於掌握了滲碳技術﹐製成了銅質刀具。當時的鑽頭和鋸﹐與現代的扁鑽和鋸已有些相似之處。

然而﹐刀具的急劇發展是在18世紀後期伴隨蒸汽機等機器的發展而來的。

1783年﹐法國的S.勒內首先製出銑刀。

1792年﹐英國的莫茲利﹐H.製出絲錐和板牙。有關麻花鑽的發明最早的文獻記載是在1822年﹐但直到1864年才作為商品生產。那時的刀具是用整體高碳工具鋼製造的﹐許用的切削速度約為5米/分。

1868年﹐英國的R.穆舍特製成含鎢的合金工具鋼。

1898年﹐美國的泰勒﹐F.W.和M.懷特發明高速鋼。

1923年﹐德國的K.施勒特爾發明硬質合金。在採用合金工具鋼時﹐刀具許用的切削速度提高到約 8米/分﹐採用高速鋼時﹐又提高2倍以上﹐到採用硬質合金時﹐又比用高速鋼提高2倍以上﹐切削加工出的工件表面質量和尺寸精度也大大提高。由於高速鋼和硬質合金的價格比較昂貴﹐刀具出現了焊接和機械夾固式結構。

1949～1950年間﹐美國開始在車刀上採用可轉位刀片(見可轉位刀具)﹐不久即應用在銑刀和其他刀具上。

1938年﹐德國德古薩公司取得關於陶瓷刀具的專利。

1972年﹐美國通用電氣公司生產了聚晶人造金剛石和聚晶立方氮化硼刀片。這些非金屬刀具材料可使刀具以更高的速度切削。

1969年﹐瑞典山特維克鋼廠取得用化學氣相沉積法生產碳化鈦塗層的硬質合金刀片的專利。

1972年﹐美國的R.F.邦沙和A.C.拉古蘭發展了物理氣相沉積法﹐在硬質合金或高速鋼刀具表面塗覆碳化鈦或氮化鈦硬質層。表面塗層方法把基體材料的高強度和韌性與表層的高硬度和耐磨性結合起來﹐從而使這種複合材料具有更好的切削性能。




分類

刀具按工件加工表面的形式可分為 5類。

加工各種外表面(平面﹑旋轉體表面﹑溝槽﹑台階等)的刀具﹕包括車刀﹑刨刀﹑銑刀﹑外表面拉刀和銼刀等。

孔加工刀具﹕包括鑽頭﹑擴孔鑽﹑鏜刀﹑鉸刀和內表面拉刀等。

螺紋加工工具﹕包括絲錐﹑板牙﹑自動開合螺紋切頭﹑螺紋車刀和螺紋銑刀等。

齒輪加工刀具﹕包括滾刀﹑插齒刀﹑剃齒刀﹑錐齒輪加工刀具等。

切斷刀具﹕包括鑲齒圓鋸片﹑帶鋸﹑弓鋸﹑切斷車刀和鋸片銑刀等。此外﹐還有組合刀具。



按切削運動方式和相應的刀刃形狀﹐刀具又可分為3類。

通用刀具﹕其刀刃的形狀不是根據工件專門設計的﹐刀具相對工件的進給運動(見機床)由機床導軌控制﹐或者由靠模(見仿形機床)或其他機構控制。

屬於這類的刀具有車刀﹑刨刀﹑銑刀(不包括成形的車刀﹑成形刨刀和成形銑刀)﹑鏜刀﹑鑽頭﹑擴孔鑽﹑鉸刀和鋸等。

成形刀具﹕這類刀具的刀刃必須具有與被加工工件斷面相同或接近相同的形狀。

屬於這一類的刀具有成形車刀﹑成形刨刀﹑成形銑刀﹑拉刀﹑圓錐鉸刀和各種螺紋加工刀具等。

展成刀具﹕這類刀具是用展成法(見齒輪加工) 加工齒輪的齒面或類似的工件。

屬於這類的刀具有滾刀﹑插齒刀﹑剃齒刀﹑錐齒輪刨刀和錐齒輪銑刀盤等。




結構

各種刀具的結構都由裝夾部分和工作部分組成。

整體結構刀具的裝夾部分和工作部分都做在刀體上﹔鑲齒結構刀具的工作部分(刀齒或刀片)則鑲裝在刀體上。


裝夾部分
刀具的裝夾部分有帶孔和帶柄兩類。

帶孔刀具依靠內孔套裝在機床的主軸或心軸上﹐藉助軸向鍵或端面鍵傳遞扭轉力矩﹐如圓柱形銑刀﹑套式面銑刀等。

帶柄的刀具通常有矩形柄﹑圓柱柄和圓錐柄3種形式。

車刀﹑刨刀等一般為矩形柄。

圓錐柄靠錐度承受軸向推力﹐並藉助摩擦力傳遞扭矩。

在錐柄麻花鑽和機用鉸刀等的柄端有扁尾﹐以便在錐孔中卸下。

錐柄立銑刀和插齒刀的柄端有螺孔﹐可用拉杆將其拉緊在機床的主軸孔內。

圓柱柄一般適用於較小的麻花鑽﹑立銑刀等刀具﹐切削時藉助夾緊時所產生的摩擦力傳遞扭轉力矩。

手用鉸刀和絲錐的圓柱柄端有方尾﹐以傳遞扭矩。

削平型圓柱柄靠螺釘和摩擦力傳遞扭矩﹐因傳遞力矩大﹑刀具的軸向位置可調節﹐已被應用於大尺寸的立銑刀上﹐但柄的加工精度要求較高。

為了節省昂貴的高速鋼﹐很多帶柄的刀具的柄部用低合金鋼製成﹐而工作部分則用高速鋼把兩部分對焊而成。




工作部分

刀具的工作部分就是產生和處理切屑的部分﹐包括刀刃﹑使切屑斷碎或捲攏的結構﹑排屑或容儲切屑的空間﹑切削液的通道等結構要素。

有的刀具的工作部分就是切削部分﹐如車刀﹑刨刀﹑鏜刀和銑刀等。

有的刀具的工作部分則包含切削部分和校準部分﹐如鑽頭﹑擴孔鑽﹑鉸刀﹑內表面拉刀和絲錐等。

切削部分的作用是用刀刃切除切屑。

校準部分的作用是修光已切削的加工表面和引導刀具。

刀具工作部分的結構有整體式﹑焊接式和機械夾固式 3種(只有鑲片圓鋸採用鉚接結構)。

整體結構是在刀體上做出切削刃﹐焊接結構是把刀片千焊到鋼的刀體上。

機械夾固結構又有兩種﹕一種是把刀片夾固在刀體上﹔另一種是把千焊好的刀頭夾固在刀體上。

硬質合金刀具一般製成焊接結構或機械夾固結構﹐只有小尺寸的用整體硬質合金製成(如鑽頭﹑絲錐和小模數齒輪滾刀等)。

陶瓷刀具都採用機械夾固結構。聚晶金剛石和立方氮化硼刀具則既採用機械夾固結構﹐也採用焊接結構。





刀具切削部分的幾何形狀和參數

各種刀具都有擔負切削的切削部分。

單齒刀具只有一個切削部分﹐多齒刀具則有多個。

不論刀具結構如何複雜﹐在分析各種刀具時﹐都可以把它當成只有一個切削部分的車刀來分析。

車刀的切削部分主要由主切削刃﹑副切削刃﹑刀尖﹑前面﹑主後面和副後面組成。

為了確定刀面與刀刃在空間的位置﹐需要選擇一些參考平面作為基準﹐以構成刀具角度的坐標系。根據設計﹑工藝的不同需要﹐國際標準化組織推薦了4種刀具標註坐標系。

其中以主剖面系應用最廣﹐它由3個平面組成。

基面P ﹕通過切削刃上某選定點﹐且平行或垂直於刀具在製造﹑刃磨和測量過程中適於定位或定向的平面或軸線。
車刀的基面是平行刀杆底面的平面。

切削平面P S﹕和切削刃上的選定點相切﹐並垂直於基面的平面。

主剖面P ﹕通過主切削刃上某選定點﹐同時垂直於基面和切削平面的平面。

在參考平面確定以後﹐刀面和主切削刃的方位只要用4個不同類型的角度就可以表達﹐即前角﹑後角﹑刃傾角﹑主偏角。

前角﹕在主剖面中測量的前面與基面間的夾角。

後角﹕在主剖面中測量的後面與切削平面間的夾角。

主偏角κ ﹕主切削刃與進給運動方向在基面上投影間的夾角。

刃傾角 S ﹕主切削刃與基面間的夾角。

同樣﹐副切削刃及其關連的刀面在空間的定向可通過副切削刃主剖面P ﹑副切削平面P 和基面P 組成的副剖面系中4個角度表達﹐即副前角﹑副後角﹑副刃傾角﹑副偏角κ ﹐它們的定義與主切削刃上4個角度類似。



刀具切削部分的幾何參數對切削效率的高低和加工質量的好壞有很大影響。

增大前角﹐可減小前刀面擠壓切削層時的塑性變形﹐減小切屑流經前面的摩擦阻力﹐從而減小切削力和切削熱。

但增大前角﹐同時會降低切削刃的強度﹐減小刀頭的散熱體積。

後角的作用是減小刀具在切削過程中後面與加工表面之間的摩擦。

各種刀具的後角一般為 5°～12°。

刃傾角影響切削時切屑流出的方向﹐也影響刀尖的強度和散熱條件。

負的刃傾角有利於加強刀尖強度和散熱﹐在加工淬硬鋼和刀具承受衝擊載荷時﹐應採用負的刃傾角。

主偏角影響切削加工殘留面積高度和切削力的大小﹑比例關係。

主偏角大時﹐徑向分力小﹐軸向分力則大。


在選擇刀具的角度時﹐需要考慮多種因素的影響﹐如工件材料﹑刀具材料﹑加工性質(粗加工﹑精加工)等﹐必須根據具體情況合理選擇。

通常講的刀具角度﹐是指製造和測量用的標註角度。

在實際工作時﹐由於刀具的安裝位置不同和切削運動方向的改變﹐實際工作的角度和標註的角度有所不同﹐但通常相差很小。


刀具的前面是切屑流出時經過的表面﹐多數刀具的前面為平面或以直線為母線的螺旋面。

但車刀不同﹐為了摺斷切屑和加強刀刃﹐車刀的前面常製有負倒棱﹑斷屑槽和斷屑台等。

刀具的後面有3種形式﹐即平面﹑圓弧曲面(如成形車刀)和鏟齒曲面(通常為阿基米德螺旋面﹐如成形銑刀和齒輪滾刀)。

具有平面後面的刀具用鈍後刃磨後面﹔具有旋轉曲面和鏟齒曲面的刀具則刃磨前面。

這兩種後面形式使刀具在刃磨後刀刃廓形保持不變。




材料

刀具材料必須具有﹕高的高溫硬度和耐磨性﹐必要的抗彎強度﹑衝擊韌性和化學惰性﹐良好的工藝性(切削加工﹑鍛造和熱處理等)並不易變形。

通常材料硬度高﹐耐磨性也高﹔抗彎強度高﹐衝擊韌性也高。

但材料硬度越高﹐其抗彎強度和衝擊韌性越低。

高速鋼因具有很高的抗彎強度和衝擊韌性﹐以及良好的可加工性﹐現代仍是應用最廣的刀具材料﹐其次是硬質合金。

聚晶立方氮化硼適用於切削高硬度淬硬鋼和硬鑄鐵等。

聚晶金剛石適用於切削不含鐵的金屬及合金﹑塑料和玻璃鋼等。

碳素工具鋼和合金工具鋼現在只用作銼刀﹑板牙和絲錐等工具。

硬質合金可轉位刀片已用化學氣相沉積法塗覆碳化鈦﹑氮化鈦﹑氧化鋁硬層或複合硬層。

正在發展的物理氣相沉積法不僅可用於硬質合金刀具﹐也可用於高速鋼刀具如鑽頭﹑滾刀﹑絲錐和銑刀等。

硬質塗層作為阻礙化學擴散和熱傳導的障壁﹐使刀具在切削時的磨損速度減慢﹐塗層刀片的壽命與不塗層的相比大約提高1～3倍以上。




發展趨勢

由於在高溫﹑高壓﹑高速下和在腐蝕性流體介質中工作的零件應用的難加工材料越來越多﹐切削加工的自動化水平和對加工精度的要求越來越高。

適應這種情況﹐刀具的發展趨勢是﹕

發展和應用新的刀具材料﹐進一步發展刀具的氣相沉積塗層技術﹐在高韌性﹑高強度的基體上沉積更高硬度的塗層﹐更好地解決刀具材料硬度與強度間的矛盾﹔進一步發展可轉位刀具的結構﹔提高刀具的製造精度﹐減小產品質量的差別﹐並使刀具的使用實現最佳化。




參考書目

華南工學院﹑甘肅工業大學主編﹕《金屬切削原理及刀具設計》﹐上海科學技術出版社﹐上海﹐1981。

金屬切削原理

【作　者】劉培德

研究金屬切削加工過程中刀具與工件之間相互作用和各自的變化規律的一門學科。

在設計機床和刀具﹑制訂機器零件的切削工藝及其定額﹑合理地使用刀具和機床以及控制切削過程時﹐都要利用金屬切削原理的研究成果﹐使機器零件的加工達到經濟﹑優質和高效率的目的。



簡史

金屬切削原理的研究始於19世紀中葉。

1851年﹐法國人M.科克基拉最早測量了鑽頭切削鑄鐵等材料時的扭矩﹐列出了切除單位體積材料所需功的表格。

1864年﹐法國人若塞耳首先研究了刀具幾何參數對切削力的影響。

1870年﹐俄國人..季梅首先解釋了切屑的形成過程﹐提出了金屬材料在刀具的前方不僅受擠壓而且受剪切的觀點。

1896年﹐俄國人..布里克斯開始將塑性變形的概念引入金屬切削。至此﹐切屑形成才有了較完整的解釋。

1904年﹐英國人J.F.尼科爾森製造了第一台三向測力儀﹐使切削力的研究水平跨前了一大步。

1907年美國人泰勒﹐F.W.研究了切削速度對刀具壽命的影響﹐發表了著名的泰勒公式。

1915年﹐俄國人..烏薩喬夫將熱電偶插到靠近切削刃的小孔中測得了刀具表面的溫度(常稱人工熱電偶法)﹐並用實驗方法找出這一溫度同切削條件間的關係。

1924～1926年﹐英國人E.G.赫伯特﹑美國人H.肖爾和德國人K.科特文各自獨立地利用刀具同工件間自然產生熱電勢的原理測出了平均溫度(常稱自然熱電偶法)。

1938～1940年美國人H.厄恩斯特和M.E.麥錢特利用高速攝影機通過顯微鏡拍攝了切屑形成過程﹐並且用摩擦力分析和解釋了斷續切屑和連續切屑的形成機理。

40年代以來﹐各國學者系統地總結和發展了前人的研究成果﹐充分利用近代技術和先進的測試手段﹐取得了很多新成就﹐發表了大量的論文和專著。例如﹐美國人S.拉馬林加姆和J.T.布萊克於1972年通過掃描電鏡利用微型切削裝置對切屑形成作了動態觀察﹐得到用位錯力學解釋切屑形成的實驗根據。


學科內容
主要內容包括金屬切削中切屑的形成和變形﹑切削力和切削功﹑切削熱和切削溫度﹑刀具的磨損機理和刀具壽命﹑切削振動和加工表面質量等。


切屑形成機理
從力學的角度來看﹐根據簡化了的模型﹐金屬切屑的形成過程與用刀具把一疊卡片1﹑2﹑3﹑4﹑……等推到 1﹑2﹑3﹑4﹑……等位置的情形相似﹐卡片之間相互滑移即表示金屬切削區域的剪切變形。經過這種變形以後﹐切屑從刀具前面上流過時又在刀﹑屑界面處產生進一步的摩擦變形。通常﹐切屑的厚度比切削厚度大﹐而切屑的長度比切削長度短﹐這種現象就叫切屑變形。金屬被刀具前面所擠壓而產生的剪切變形是金屬切削過程的特徵。由於工件材料﹑刀具和切削條件不同﹐切屑的變形程度也不同﹐因此可以得到各種類型的切屑。


積屑瘤
在用低﹑中速連續切削一般鋼材或其他塑性材料時﹐切屑同刀具前面之間存在著摩擦﹐如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強和溫度的作用下﹐同切屑基體分離而黏結在刀具前面上﹐再經層層重疊黏結﹐在刀尖附近往往會堆積成一塊經過劇烈變形的楔狀切屑材料﹐叫做積屑瘤。

積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上﹐實際上可代替刀刃切削。

積屑瘤的底部較穩定﹐頂部同工件和切屑沒有明顯的分界線﹐容易破碎和脫落﹐一部分隨切屑帶走﹐一部分殘留在加工表面上﹐從而使工件變得粗糙。

所以在精加工時一定要設法避免或抑制積屑瘤的形成。

積屑瘤的產生﹑成長和脫落是一個週期性的動態過程(據測定﹐它的脫落頻率為30～170次/秒)﹐它使刀具的實際前角和切削深度也隨之發生變化﹐引起切削力波動﹐影響加工穩定性。

在一般情況下﹐當切削速度很低或很高時﹐因沒有產生積屑瘤的必要條件(較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度)﹐不產生積屑瘤。


切削力
切削時刀具的前面和後面上都承受法向力和摩擦力﹐這些力組成合力F ﹐在外圓車削時﹐一般將這個切削合力F 分解成三個互相垂直的分力﹕

切向力F ──它在切削速度方向上垂直於刀具基面﹐常稱主切削力﹔

徑向力F ──在平行於基面的平面內﹐與進給方向垂直﹐又稱推力﹔

軸向力F ──在平行於基面的平面內﹐與進給方向平行﹐又稱進給力。

一般情況下﹐F 最大﹐F 和F 較小﹐由於刀具的幾何參數﹑刃磨質量和磨損情況的不同和切削條件的改變﹐F ﹑F 對F 的比值在很大的範圍內變化。

切削過程中實際切削力的大小﹐可以利用測力儀測出。
測力儀的種類很多﹐較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測力儀。測力儀經過標定以後就可測出切削過程中各個分力的大小。


切削熱
切削金屬時﹐由於切屑剪切變形所作的功和刀具前面﹑後面摩擦所作的功都轉變為熱﹐這種熱叫切削熱。使用切削液時﹐刀具﹑工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走﹔不用切削液時﹐切削熱主要由切屑﹑工件和刀具帶走或傳出﹐其中切屑帶走的熱量最大﹐傳向刀具的熱量雖小﹐但前面和後面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況﹐所以瞭解切削溫度的變化規律是十分必要的。



切削溫度
切削過程中切削區各處的溫度是不同的﹐形成一個溫度場﹐這個溫度場影響切屑變形﹑積屑瘤的大小﹑加工表面質量﹑加工精度和刀具的磨損等﹐還影響切削速度的提高。

一般說來﹐切削區的金屬經過剪切變形以後成為切屑﹐隨之又進一步與刀具前面發生劇烈摩擦﹐所以溫度場中溫度分布的最高點不是在正壓力最大的刃口處﹐而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區的溫度分布情況﹐須用人工熱電偶法或紅外測溫法等測出。

用自然熱電偶法測出的溫度僅是切削區的平均溫度。



刀具磨損
刀具在切削時的磨損是切削熱和機械摩擦所產生的物理作用和化學作用的綜合結果。

刀具磨損表現為在刀具後面上出現的磨損帶﹑缺口和崩刃等﹐前面上常出現的月牙窪狀的磨損﹐副後面上有時出現的氧化坑和溝紋狀磨損等﹐當這些磨損擴展到一定程度以後就引起刀具失效﹐不能繼續使用。

刀具逐漸磨損的因素﹐通常有磨料磨損﹑黏著磨損﹑擴散磨損﹑氧化磨損﹑熱裂磨損和塑性變形等。在不同的切削條件下﹐尤其是在不同切削速度的條件下﹐刀具受上述一種或幾種磨損機理的作用。

例如﹐在較低切削速度下﹐刀具一般都因磨料磨損或黏著磨損而破損﹔在較高速度下﹐容易產生擴散磨損﹑氧化磨損和塑性變形。


刀具壽命
刀具由開始切削達到刀具壽命判據以前所經過的切削時間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度)﹐刀具壽命判據一般採用刀具磨損量的某個預定值﹐也可以把某一現象的出現作為判據﹐如振動激化﹑加工表面粗糙度惡化﹐斷屑不良和崩刃等。

達到刀具壽命後﹐應將刀具重磨﹑轉位或廢棄。

刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。

生產中常根據加工條件按最低生產成本或最高生產率的原則﹐來確定刀具壽命和擬定工時定額。


切削加工性
指零件被切削加工成合格品的難易程度。

它根據具體加工對象和要求﹐可用刀具壽命的長短﹑加工表面質量的好壞﹑金屬切除率的高低﹑切削功率的大小和斷屑的難易程度等作為判據。

在生產和實驗研究中﹐常以作為某種材料的切削加工性的指標﹐它的含義是﹕當刀具壽命為分鐘時﹐切削該材料所允許的切削速度。

越高﹐表示加工性越好﹐一般取60﹑30﹑20或10分鐘。


加工表面質量
通常包括表面粗糙度﹑加工硬化﹑殘餘應力﹑表面裂紋和金相顯微組織變化等。

切削加工中影響加工表面質量的因素很多﹐例如刀具的刀尖圓弧半徑﹑進給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素﹔刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘餘應力的主要因素。因此﹐生產中常通過改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來提高加工表面質量。


切削振動
切削過程中﹐刀具與工件之間經常會產生自由振動﹑強迫振動或自激振動(顫振)等類型的機械振動。

自由振動是由機床零部件受到某些突然衝擊所引起﹐它會逐漸衰減。

強迫振動是由機床內部或外部持續的交變干擾力(如不平衡的機床運動件﹑斷續切削等)所引起﹐它對切削產生的影響取決於干擾力的大小及其頻率。

自激振動是由於刀具與工件之間受到突然干擾力(如切削中遇到硬點)而引起初始振動﹐使刀具前角﹑後角和切削速度等發生變化﹐以及產生振型耦合等﹐並從穩態作用的能源中獲得週期性作用的能源﹐促進並維持振動。

通常﹐根據切削條件可能產生各種原生型自激振動﹐從而在加工表面上留下的振紋﹐又會產生更為常見的再生型自激振動。上述各種振動通常都會影響加刀表面質量﹐降低機床和刀具的壽命﹐降低生產率﹐並引起噪聲﹐極為有害﹐必須設法消除或減輕。


切屑控制
指控制切屑的形狀和長短。

通過控制切屑的捲曲半徑和排出方向﹐使切屑碰撞到工件或刀具上﹐而使切屑的捲曲半徑被迫加大﹐促使切屑中的應力也逐漸增加﹐直至摺斷。

切屑的捲曲半徑可以通過改變切屑的厚度﹑在刀具前面上磨製捲屑槽或斷屑台來控制﹐其排出方向則主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來控制。

現代人們已能用兩位或三位數字編碼的方式來表示各種切屑的形狀﹐通常認為短弧形切屑是合理的斷屑形狀。


切削液
也稱冷卻潤滑液﹐用於減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度﹐以提高刀具壽命﹑加工質量和生產效率。常用的切削液有切削油﹑乳化液和化學切削液3類。





金屬切削原理在生產中的應用

在設計和使用機床和刀具時﹐需要應用切削原理中有關切削力﹑切削溫度和刀具切削性能方面的數據。

例如﹐在確定機床主軸的最大扭矩和剛性等基本參數時﹐要應用切削力的數據﹔
在發展高切削性能的新材料時﹐需掌握刀具磨損和破損的規律﹔
在切削加工中分析熱變形對加工精度的影響時﹐要研究切削溫度及其分布﹔
在自動生產線和數字控制機床上﹐為了使機床能正常地穩定工作﹐甚至實現無人化操作﹐更要應用有關切屑形成及其控制方面的研究成果﹐並在加工中實現刀具磨損的自動補償和刀具破損的自動報警。

為此﹐各國研製了品種繁多的在線檢測刀具磨損和破損的傳感器﹐其中大多數是利用切削力或扭矩﹑切削溫度﹑刀具磨損作為傳感信號。

此外﹐為了充分利用機床﹐提高加工經濟性和發展計算機輔助製造(CAM)﹐常需要應用切削條件﹑刀具幾何形狀和刀具壽命等的優化數據。

因此﹐金屬切削原理這門學科在生產中的應用日益廣泛﹐各國都通過切削試驗或現場採集積累了大量的切削數據﹐並用數學模型來表述刀具壽命﹑切削力﹑功率和加工表面粗糙度等同切削條件之間的關係﹐然後存入計算機﹐建立金屬切削數據庫或編製成切削數據手冊﹐供用戶查用。





參考書目

華南工學院﹑甘肅工業大學主編﹕《金屬切削原理及刀具設計》上冊﹐第2版﹐上海科學技術出版社﹐上海﹐1981。

布思羅伊德著﹐山東工學院機製教研室譯﹕《金屬切削加工的理論基礎》﹐山東科學技術出版社﹐濟南﹐1980。(G. Boothroyd﹐ Fundamentals of metal machining and machine tools﹐Scripta Book Co.﹐Washington.)

切削加工資料

【作　者】貝季瑤

用切削工具(包括刀具﹑磨具和磨料)把坯料或工件上多餘的材料層切去成為切屑﹐使工件獲得規定的幾何形狀﹑尺寸和表面質量的加工方法。

任何切削加工都必須具備3個基本條件﹕切削工具﹑工件和切削運動。

切削工具應有刃口﹐其材質必須比工件堅硬。不同的刀具結構和切削運動形式構成不同的切削方法。用刃形和刃數都固定的刀具進行切削的方法有車削﹑鑽削﹑鏜削﹑銑削﹑刨削﹑拉削和鋸切等﹔用刃形和刃數都不固定的磨具或磨料進行切削的方法有磨削﹑研磨﹑珩磨和拋光等。

切削加工是機械製造中最主要的加工方法。雖然毛坯製造精度不斷提高﹐精鑄﹑精鍛﹑擠壓﹑粉末冶金等加工工藝應用日廣﹐但由於切削加工的適應範圍廣﹐且能達到很高的精度和很低的表面粗糙度﹐在機械製造工藝中仍佔有重要地位。



簡史

切削加工的歷史可追溯到原始人創造石劈﹑骨鑽等勞動工具的舊石器時期。

在中國﹐早在商代中期(公元前13世紀)﹐就已能用研磨的方法加工銅鏡﹔商代晚期(公元前12世紀)﹐曾用青銅鑽頭在卜骨上鑽孔﹔西漢時期(公元前 206～公元23)﹐就已使用杆鑽和管鑽﹐用加砂研磨的方法在“金縷玉衣”的4000多塊堅硬的玉片上鑽了 18000多個直徑1～2毫米的孔。17世紀中葉﹐中國開始利用畜力代替人力驅動刀具進行切削加工。如公元1668年﹐曾在畜力驅動的裝置上﹐用多齒刀具銑削天文儀上直徑達2丈(古丈)的大銅環﹐然後再用磨石進行精加工。18世紀後半期的英國工業革命開始後﹐由於蒸汽機和近代機床的發明﹐切削加工開始用蒸汽機作為動力。到19世紀70年代﹐切削加工中又開始使用電力。對金屬切削原理的研究始於19世紀50年代﹐對磨削原理的研究始於19世紀80年代。此後各種新的刀具材料相繼出現。19世紀末出現的高速鋼刀具﹐使刀具許用的切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼刀具提高兩倍以上﹐達到25米/分左右。1923年出現的硬質合金刀具﹐使切削速度比高速鋼刀具又提高兩倍左右。30年代以後出現的金屬陶瓷(見陶瓷)和超硬材料(人造金剛石和立方氮化硼)﹐進一步提高了切削速度和加工精度。隨著機床和刀具不斷發展﹐切削加工的精度﹑效率和自動化程度不斷提高﹐應用範圍也日益擴大﹐從而促進了現代機械製造業的發展。



分類

金屬材料的切削加工有許多分類方法。常見的有以下3種。

按工藝特徵區分
切削加工的工藝特徵決定於切削工具的結構以及切削工具與工件的相對運動形式。
按工藝特徵﹐切削加工一般可分為﹕車削﹑銑削﹑鑽削﹑鏜削﹑鉸削﹑刨削﹑插削﹑拉削﹑鋸切﹑磨削﹑研磨﹑珩磨﹑超精加工﹑拋光﹑齒輪加工﹑蝸輪加工﹑螺紋加工﹑超精密加工﹑鉗工和刮削等。


按材料切除率和加工精度區分 可分為﹕
粗加工﹕用大的切削深度﹐經一次或少數幾次走刀從工件上切去大部分或全部加工餘量﹐如粗車﹑粗刨﹑粗銑﹑鑽削和鋸切等﹐粗加工加工效率高而加工精度較低﹐一般用作預先加工﹐有時也可作最終加工。

半精加工﹕一般作為粗加工與精加工之間的中間工序﹐但對工件上精度和表面粗糙度要求不高的部位﹐也可以作為最終加工。

精加工﹕用精細切削的方式使加工表面達到較高的精度和表面質量﹐如精車﹑精刨﹑精鉸﹑精磨等。精加工一般是最終加工。

精整加工﹕在精加工後進行﹐其目的是為了獲得更小的表面粗糙度﹐並稍微提高精度。精整加工的加工餘量小﹐如珩磨﹑研磨﹑超精磨削和超精加工等。

修飾加工﹕目的是為了減小表面粗糙度﹐以提高防蝕﹑防塵性能和改善外觀﹐而並不要求提高精度﹐如拋光﹑砂光等。超精密加工﹕航天﹑激光﹑電子﹑核能等尖端技術領域中需要某些特別精密的零件﹐其精度高達IT4以上﹐表面粗糙度不大於 R a 0.01微米。這就需要採取特殊措施進行超精密加工﹐如鏡面車削﹑鏡面磨削﹑軟磨粒機械化學拋光等。

按表面形成方法區分
切削加工時﹐工件的已加工表面是依靠切削工具和工件作相對運動來獲得的。
按表面形成方法﹐切削加工可分為 3類。

刀尖軌跡法﹕
依靠刀尖相對於工件表面的運動軌跡來獲得工件所要求的表面幾何形狀﹐如車削外圓﹑刨削平面﹑磨削外圓﹑用靠模車削成形面等。刀尖的運動軌跡取決於機床所提供的切削工具與工件的相對運動。

成形刀具法﹕
簡稱成形法﹐用與工件的最終表面輪廓相匹配的成形刀具或成形砂輪等加工出成形面。此時機床的部分成形運動被刀刃的幾何形狀所代替﹐如成形車削﹑成形銑削和成形磨削等。由於成形刀具的製造比較困難﹐機床-夾具-工件-刀具所形成的工藝系統所能承受的切削力有限﹐成形法一般只用於加工短的成形面。

展成法﹕
又稱滾切法﹐加工時切削工具與工件作相對展成運動﹐刀具(或砂輪)和工件的瞬心線相互作純滾動﹐兩者之間保持確定的速比關係﹐所獲得加工表面就是刀刃在這種運動中的包絡面。齒輪加工中的滾齒﹑插齒﹑剃齒﹑珩齒和磨齒(不包括成形磨齒)等均屬展成法加工。

有些切削加工兼有刀尖軌跡法和成形刀具法的特點﹐如螺紋車削。




提高切削加工質量的途徑

切削加工質量主要是指工件的加工精度(包括尺寸﹑幾何形狀和各表面間相互位置)和表面質量(包括表面粗糙度﹑殘餘應力和表面硬化)。隨著技術的進步﹐切削加工的質量不斷提高。18世紀後期﹐切削加工精度以毫米計﹔20世紀初﹐切削加工精度最高已達0.01毫米﹔至50年代﹐切削加工精度最高已達微米級﹔70年代﹐切削加工精度又提高到0.1微米。影響切削加工質量的主要因素有機床﹑刀具﹑夾具﹑工件毛坯﹑工藝方法和加工環境等方面。要提高切削加工質量﹐必須對上述各方面採取適當措施﹐如減小機床工作誤差﹑正確選用切削工具﹑提高毛坯質量﹑合理安排工藝﹑改善環境條件等。


減小機床工作誤差
通常採用的方法有﹕選用具有足夠精度和剛度的機床。

必要時可以採取補償校正的方法﹐如在螺紋磨床或滾齒機上﹐根據事先測得的機床傳動鏈誤差加裝誤差校正裝置﹐以校正機床的傳動系統誤差。

採用機床夾具來保證加工精度﹐如利用鏜模加工箱體上的孔系﹐使孔距精度由鏜模決定而不受機床定位誤差的影響。

防止機床熱變形對加工精度的影響。消除機床內部振源和採取隔振措施﹐以減少振動對加工精度和粗糙度的影響。

提高機床自動化程度﹐如採用主動測量或自動控制系統﹐以減少加工過程中的人為誤差。


正確選用切削工具
應採用耐磨性好的刀具﹐合理選用刀具幾何參數﹐並仔細地研磨刃口﹐使其光滑而鋒利。例如用磨具加工﹐一般選用較細﹑較硬磨粒的磨具﹐砂輪要正確和及時地修整。


提高毛坯質量
工件毛坯要具有均勻的材質和加工餘量﹐同時採用適當的熱處理﹐如時效處理﹑退火﹑正火﹑調質等措施以消減內應力﹐並改善材料的切削加工性。


合理安排工藝
採用合理的工藝程序﹔正確選用切削用量﹐以減小切削力和切削熱的影響﹐並防止產生自激振動﹔選用合適的切削液對切削區進行充分冷卻和潤滑﹔選擇工件的安裝定位基準和夾緊方式時﹐注意減小安裝誤差和工件變形。


改善環境條件
保持加工環境清潔﹔對外部振源和熱源採取隔離措施﹔精密加工在恆溫﹑恆濕和防塵的條件下進行。


提高切削加工效率的途徑
提高切削用量以提高材料切除率﹐是提高切削加工效率的基本途徑。常用的高效切削加工方法有高速切削﹑強力切削﹑等離子弧加熱切削和振動切削。

高速切削
一般指採用硬質合金刀具所能達到的切削速度的切削加工。磨削速度在45米/秒以上的切削稱為高速磨削。採用高速切削(或磨削)既可提高效率﹐又可減小表面粗糙度。用硬質合金刀具高速車削普通鋼材的切削速度可達200米/分﹔用陶瓷刀具可達500米/分﹔用金剛石刀具車削有色金屬的切削速度可達 900米/分。實驗室中試驗的超高速切削的速度可達4000米/分以上。60年代以來﹐磨削速度已從 30米/秒左右逐步提高到45﹑60﹑80以至 100米/秒﹔實驗室中的磨削速度已達200米/秒。高速切削(或磨削)要求機床具有高轉速﹑高剛度﹑大功率和抗振性好的工藝系統﹔要求刀具有合理的幾何參數和方便的緊固方式﹐還需考慮安全可靠的斷屑方法。

強力切削
指大進給或大切深的切削加工﹐一般用於車削和磨削(見緩進給磨削)。強力車削的主要特點是車刀除主切削刃外﹐還有一個平行於工件已加工表面的副切削刃同時參與切削﹐故可把進給量比一般車削提高幾倍甚至十幾倍。在一般機床上﹐只要功率足夠和工藝系統剛度好就可實行強力切削。與高速切削比較﹐強力切削的切削溫度較低﹐刀具壽命較長﹐切削效率較高﹔缺點是加工表面較粗糙。強力切削時﹐徑向切削力很大﹐故不適於加工細長工件。

等離子弧加熱切削
利用等離子弧的高溫把工件切削區的局部瞬時加熱到800～900℃的切削方法﹐常採用陶瓷刀具﹐適用於加工大件。切削時要根據工件的材質﹑尺寸以及切削速度﹑切削深度和進給量來調整等離子弧的加熱強度。適當調整後﹐可使工件已加工表面的溫度保持在 150℃以下而不致發生金相組織變化。這種方法適於加工淬硬工件和難加工金屬材料的切削。材料切除率可提高2～20倍﹐成本降低30～85％。


振動切削
沿刀具進給方向附加低頻或高頻振動的切削加工﹐可以提高切削效率。低頻振動切削具有很好的斷屑效果﹐可不用斷屑裝置﹐使刀刃強度增加﹐切削時的總功率消耗比帶有斷屑裝置的普通切削降低40％左右。高頻振動切削也稱超聲波振動切削﹐有助於減小刀具與工件之間的摩擦﹐降低切削溫度﹐減小刀具的黏著磨損﹐從而提高切削效率和加工表面質量﹐刀具壽命約可提高40％。





非金屬材料的切削加工

對木材﹑塑料﹑橡膠﹑玻璃大理石﹑花崗石等非金屬材料的切削加工﹐雖與金屬材料的切削類似﹐但所用刀具﹑設備和切削用量等各有特點。



木材切削加工
木材製品的切削加工主要在各種木工機床上進行﹐其方法主要有﹕鋸切﹑刨切﹑車削﹑銑削﹑鑽削和砂光等。

木材的鋸切通常採用木工圓鋸機或木工帶鋸機(見木工鋸機)。兩者都可用不同鋸齒形狀的刀具(鋸片或鋸帶)進行截料﹑剖料或切榫。帶鋸切的鋸縫較窄﹐窄帶鋸切還能切割曲面和不規則的形狀。

刨削通常用木工平刨床或木工壓刨床。兩者都可用旋轉的刨刀刨削平面或型面﹐其中壓刨床加工可得到較高的尺寸精度。當表面的光潔程度要求較高時可用木工精光刨。

木料的外圓一般在木工車床上車削。

木料的開榫﹑開槽﹑刻模和各種型面的加工﹐可用成形銑刀在木工銑床上銑削。

鑽孔可用木工鑽頭﹑麻花鑽頭或扁鑽﹐在台鑽或木工鑽床上進行。小孔也可用手電鑽加工。

木料表面的精整可用木工砂光機。平面砂光可用帶式砂光機﹔各種型面的砂光可用滾筒式砂光機﹔端面砂光和邊角倒棱可用盤式砂光機。也可用木工車床或木工鑽床砂光。

木料加工的切削速度比金屬切削高得多﹐所以刀具的刃口都較薄而鋒利﹐進給量也較大。
如鋸切速度常達40～60米/秒﹔車削或刨削時﹐刀具前角常達30°～35°﹐切削速度達60～100米/秒﹐故出屑量很大。

切削時一般不用切削液﹐乾切下來的大量木屑可用抽風機吸走。

高速旋轉的木工機床一般都設有機動進給和安全防護裝置﹐但不少木材的切削加工仍需用手動進給﹐因此必須特別注意操作安全。



塑料切削加工
塑料的剛度比金屬差﹐易彎曲變形﹐尤其是熱塑性塑料導熱性差﹐易昇溫軟化。

故切削塑料時﹐宜用高速鋼或硬質合金刀具﹐選用小的進給量(0.1～0.5 毫米/轉)和高的切削速度﹐並用壓縮空氣冷卻。

若刀具鋒利﹐角度合適(一般前角為10°～30°﹐後角為5°～15°)﹐可產生帶狀切屑﹐易於帶走熱量。若短屑和粉塵太多則會使刀具變鈍並污染機床﹐這時需要對機床上外露的零件和導軌進行保護。切削賽璐珞時﹐容易著火﹐必須用水冷卻。

車削酚醛塑料﹑氨基塑料和膠布板等熱固性塑料時﹐宜用硬質合金刀具﹐切削速度宜用 80～150米/分﹔車削聚氯乙烯或尼龍﹑電木等熱塑性塑料時﹐切削速度可達200～600米/分。

銑削塑料時﹐採用高速鋼刀具﹐切削速度一般為35～100米/分﹔採用硬質合金刀具﹐切削速度可提高2～3倍。

塑料鑽孔可用螺旋角較大的麻花鑽頭﹐孔徑大於30毫米時﹐可用套料鑽。採用高速鋼鑽頭時﹐常用切削速度為40～80米/分。由於塑料有膨縮性﹐鑽孔時所用鑽頭直徑應比要求的孔徑加大0.05～0.1毫米。鑽孔時﹐塑料下面要墊硬木板﹐以阻止鑽頭出口處孔壁周圍的塑料碎落。

刨削和插削的切削速度低﹐一般不宜用於切削塑料﹐但也可用木工刨床進行整平和倒棱等工作。攻絲時可採用溝槽較寬的高速鋼絲錐﹐並用油潤滑﹔外螺紋可用螺紋梳刀切削。

對尼龍﹑電木和膠木等熱固性塑料﹐可以用組織疏鬆的白剛玉或碳化硅砂輪磨削﹐也可用砂布(紙)砂光﹐但需用水冷卻。由於熱塑性塑料的磨屑容易堵塞砂輪﹐一般不宜磨削。



橡膠切削加工
車削硬橡膠工件時﹐可用刃口鋒利的硬質合金車刀(前角為12°40°﹐後角為10°～20°)﹐採用150～400米/分的切削速度﹐可以乾車﹐也可用水或壓縮空氣冷卻。如用高速鋼刀具車削﹐切削速度要低些。

硬橡膠鑽孔可用頂角為80°左右的硬質合金或高速鋼麻花鑽頭乾鑽。
當鑽削孔徑為10～20毫米時﹐切削速度可取21～24米/分。硬橡膠工件也可用鬆而軟的砂輪磨削。


玻璃切削加工
玻璃(包括鍺﹑硅等半導體材料)的硬度高而脆性大。對玻璃的切削加工常用切割﹑鑽孔﹑研磨和拋光等方法。

對厚度在 3毫米以下的玻璃板﹐最簡單的切割方法是﹕用金剛石或其他堅硬物質在玻璃表面手工刻劃﹐利用刻痕處的應力集中﹐即可用手摺斷。

玻璃的機械切割一般採用薄鐵板(或不鏽鋼薄片)製成的圓鋸片﹐並在切削過程中加磨料和水。常用的磨料是粒度為 400號左右的碳化硅或金剛石。當需要把圓棒形的半導體錠料切割成 0.4毫米左右厚度的晶片時﹐有採用環形圓鋸片﹐利用其內圓周對棒狀錠料進行切割的﹐切割0.4毫米厚度的晶片﹐切縫寬約為0.1～0.2毫米。方形晶片平面的切割常採用薄片砂輪直接劃出劃痕後摺斷﹐圓形晶片也可採用超聲波切割。

研磨和拋光玻璃的工作原理與金屬的相似。研磨後的玻璃表面是半透明的細毛面﹐必須經過拋光後才能成為透明的光澤表面。研磨壓力一般取1000～3000帕 ﹐磨料可用粒度為W5～20號的石英砂﹑剛玉﹑碳化硅或碳化硼﹐水與磨料之比約為 1﹕2。玻璃研磨後﹐平整的毛面常留有平均深度為4～5微米的凹凸層﹐且有個別裂紋深入表裡﹐故拋光時常需去除厚達20微米玻璃層﹐這個厚度約為研磨去除量的1/10左右﹐但拋光所需的時間遠比研磨長(數小時到數十小時)。拋光盤的材料通常採用毛氈﹑呢絨或塑料﹐所用磨料是粒度W5號以下的氧化鐵(紅粉) ﹑氧化鈰和氧化鋯等微粉(直徑 5微米以下)。研磨時加等量的水製成懸浮液作為拋光劑﹐在 5～20℃的環境溫度下工作效果較好。

在玻璃上鑽削大孔或中孔時﹐一般用端部開槽的銅管或鋼管作為鑽頭﹐在30米/分的切削速度下進行﹐同時在鑽削部位注入碳化硅或金剛石磨料和潤滑油。鑽孔時 ﹐玻璃必須用毛氈或橡膠墊平﹐以防壓碎。對孔徑5毫米以下的小孔常採用衝擊鑽孔法﹐即用硬質合金圓鑿以2000轉/分左右的轉速﹐同時通過電磁振盪器使圓鑿給玻璃表面以6千赫的振動衝擊﹐這種方法的效率很高﹐只要10秒鐘就可鑽出孔徑2毫米﹑深5毫米的小孔。對方孔和異形孔採用超聲波(18～24千赫)加工最為方便。

玻璃的外圓加工一般用碳化硅砂輪磨削﹐也可用金剛石車刀或負前角的硬質合金車刀在2000轉/分左右的轉速下進行車削。



石料切削加工
對大理石﹑花崗石和混凝土等堅硬材料的加工主要用切割﹑車削﹑鑽孔﹑刨削﹑研磨和拋光等方法。

切割時可用圓鋸片加磨料和水﹔外圓和端面可採用負前角的硬質合金車刀以10～30米/分的切削速度車削。

鑽孔可用硬質合金鑽頭﹐切削速度為4～7米/分。大的石料平面可用硬質合金刨刀或滾切刨刀刨削﹔精密平滑的表面可用三塊互為基準對研的方法或磨削和拋光的方法獲得。




參考書目

哈爾濱工業大學﹑上海工業大學主編﹕《機械製造工藝學》(第一分冊)﹐上海科學技術出版社﹐上海﹐1980。

W.鄧格納等著﹐張信等譯﹕《切削加工》﹐機械工業出版社﹐北京﹐1983。(W.Denger﹐ Spanende Forming﹐Verlag Technik﹐Berlin﹐1978.)

Machining Data Handbook﹐3rd ed.﹐Vol.1～2﹐Machinability Data Center﹐Metcut Research Association Inc.﹐Cincinnati﹐1980.
A.Davidson﹐ Handbook of Precision Engineering﹐Macmillan Pr.﹐London﹐1972.