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

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。”

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