奇石乐测力计助力研发陶瓷切削刀具达到更高精度和耐用度


TUSA, the Swiss machining specialist, is testing new microtools made of ceramic at the renowned Polytechnic University of Milan (Politecnico di Milano). This innovative material offers significantly longer lifetimes, but extensive testing is needed to optimize it. MicroDyn from Kistler, the world’s smallest dynamometer, ensures that cutting forces are measured precisely so that performance parameters can be determined.

There’s no doubt that ceramic is an exceptional material – as confirmed by its unique success story. It was used for pottery in the ancient world and then, as porcelain, it came to Europe from China in the 17th century (which is why we still call it “china”); this was followed by the advent of industrial ceramics in the 19th century. And now, the success story is set to continue as new application areas are developed and new material mixes and combinations are researched.

A tool specialist in the southern Swiss canton of Ticino has also begun to focus on ceramics recently: TUSA Precision Tools SA manufactures high-performance machining tools such as those used to make components for watches. Gennaro Teta of Omnino Technology, TUSA’s development partner, explains: “Production of highly intricate components for watch movements has to meet the highest requirements, of course – the tolerances are sometimes in the micrometer range.” Teta’s attention was drawn to the potential of industrial ceramics in his quest for new ways to improve tool life and process reliability for his customers. Watch manufacture is one of the many sectors where the trend is moving towards highly automated, unmanned production. “But what’s the point of being 10% faster if you can manufacture throughout the night at a slightly slower speed – knowing that the process is reliable?” Teta asks. Ceramic material is harder than steel, so it can offer significantly greater resistance to wear as long as the cutting forces are kept under control.

Ceramic cutting tools
Research on ceramic cutting tools is under way at Milan Polytechnic.

瑞士机械加工专业公司TUSA在著名的米兰理工大学Politecnico di Milano 对陶瓷制成的新型微型工具开展了测试。陶瓷这种创新材料的寿命明显长于一般材料,但为对其进行进一步优化,仍需开展大量测试。奇石乐的MicroDyn是世界上最小的测力计,可以精确测量切削力,确定材料的性能参数。

毫无疑问,陶瓷是一种杰出的材料,在历史上曾大放异彩。在古代,它被用于制作陶器;17世纪时,以瓷器形式从中国传入欧洲(直到现在,在英文中,“瓷器”和“中国”仍是同一个单词);19世纪,工业陶瓷诞生;在当代,它的应用领域不断拓展,与各种新型材料混合和组合,仍在不断续写辉煌、再谱新篇

TUSA Precision Tools SA是瑞士南部提契诺州的一家公司,专注于制造高性能加工工具,如用于制造手表零件的工具等。该公司最近也开始关注陶瓷刀具。TUSA的开发伙伴Omnino Technology公司的Gennaro Teta解释道:“手表机芯零件异常复杂,其生产必须满足最严苛的要求,公差有时必须控制在微米级别。”Teta一直在为客户寻找新方法,来延长工具使用寿命,并提高工艺可靠性;在这一过程中,他们注意到工业陶瓷的潜力。与很多行业一样,手表制造业也在走向高度自动化、无人化生产。“但是,如果工艺非常可靠,可以全天二十四进行生产,速度稍慢又有何妨?在这种情况下,何必汲汲于将生产速度提高10%?”Teta说道。陶瓷材料的硬度比钢材更高,因此,只要切削力得到控制,其耐磨性将明显优于后者。

切削工具的使用寿命可以提高三十倍

Teta指出,这种新材料的精度与传统材料相当,但可以将切削工具的使用寿命延长30倍。TUSA联系了公司附近、意大利著名的米兰理工大学协助开发这种材料。“工业试验表明,陶瓷工具可以大幅延长工具使用寿命。但是,随着陶瓷基板不同,陶瓷工具会有巨大差异。由此,我们萌生了与米兰理工大学合作开发不同陶瓷混合物,并对它们进行测试的想法,”Teta说道。

在米兰理工大学机械工程学院,Giulia Giovanni和Paolo Parenti正在Massimiliano Annoni教授和Nora Lecis教授的指导下开展新材料和新型切削工具的研究。他们利用电子显微镜、超精密加工中心和专用机床进行摩擦力研究。“TUSA的试验装置使用了一种微型切削工具来铣削黄铜板。我们使用两套不同的切削参数来测试3种不同的陶瓷材料,”Giovanni解释道。“奇石乐新推出的测力计MicroDyn助了我们一臂之力。它的固有频率非常高,即使在测试对象高速运转的情况下,也能为极为精准地测量三个空间方向的力和扭矩,再通过算法确定三个轴上的合力。粗略地说,这个数值越低,切削工具的使命寿命就越长。”Giovanni补充道。

MicroDyn——世界上最小的测力计

“我们使用两套不同的切削参数来测试3种不同的陶瓷材料。奇石乐新推出的测力计MicroDyn助我们一臂之力。它的固有频率非常高,即使在测试对象高速运转的情况下,也能极为精准地测量三个空间方向的力和扭矩。”
米兰理工大学博士生Giulia Giovannelli

Microdyn的尺寸仅为30×30 mm,是世界上最小的测力计。它在三个轴上拥有高达15 kHz的固有频率,可以精确测量高达500 N的高动态力,并计算高达50 Nm的扭矩。测量工作直接在速度高达120,000 rmp的切削刃上开展,使用压电晶体环来确保高灵敏度和极低的响应阈值。同时,它们特殊的安装方式,也在很大程度上补偿了温度影响。

精确的测量值,带来清晰的测试结果

米兰理工大学的研究显示,在三种材料中,其中一种材料产生的切削力稳定地显示出其独特的特性。在切削深度为1.3 mm和0.5 mm的情况下,B类陶瓷材料的合力明显低于A类和C类。这一结果令研究者非常满意,因为工件最佳表面质量也来自于B类切削工具。但是,对于年轻的研究员Giulia Giovannelli来说,这仅仅是个开始:“在初始阶段,我们只考虑了方肩铣。槽铣的情况可能完全不同,槽铣主要用于给黄铜板铣削主图案。”

Gennaro Teta对该结果非常满意:“这表明我们的方向是正确的,我们有了合适的材料。下一步,我们计划在真实的工业环境中对它进行测试——也就是说,在另一台机器上测试,以观察实验室里得出的数值能否通过类似的切削参数复现。当然,要将这种材料用于工业生产,还有很长的路要走,但起码第一步已经顺利迈出。”