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利用新材料的刀具技術

時間:2009年09月18日瀏覽:1129次收藏分享:
 近年來,切削加工技術高速銑削、微細形狀切削等領域有了快速發展。隨著新型工程材料開發應用以及零部件進一步小型化、精密化,刀具制造商正積極開發適用于各種加工用途高效刀具。
  切削加工基本要求快速而又成本低廉地生產高質量產品。這一要求與實現切削加工高精度化、高效率化、低成本化緊密相關。
構筑快速生產系統
  以汽車業為心制造業設備投資出口增長牽引下,對刀具產品需求日趨增長,刀具制造商紛紛國內外擴大生產能力。隨著全球性成本競爭不斷加劇,用戶要求實現高附加值、高效率生產呼聲與日俱增。為適應交貨期短、成本低廉快速生產發展趨勢,關鍵要利用最小限度生產設備實現長時間自動運轉加工。推進生產現場合理化有效方法引入能將多道工序集成一起復合切削技術能夠高速、高精度切削包括淬硬鋼內工件材料高速銑床等設備。
  復合切削、高速硬銑削等先進切削技術實現以最小限度生產設備高效、快速、柔性(適應不同品種、不同批量生產)加工零件生產方式核心。但,任何切削方式都離不開選用合適切削刀具確定合理刀具使用技術。近年來造車網,隨著機床高速化、高精度加工技術進步難加工材料切削增多,刀具材料(陶瓷、硬質合金、TiC/TiN基金屬陶瓷、涂層硬質合金等%進展也十分顯著。
日新月異刀具材料
  刀具材料必須滿足以下條件:硬度高、耐磨損、具有能抵抗切削抗力及振動沖擊高強度、良好高溫紅硬性、容易熱處理加工成型等。刀具材料,硬質合金特點高溫下硬度也很少降低。其,涂層硬質合金以碳化鎢系硬質合金為基體,其表面涂覆一層或多層碳化鈦(TiC)、氮化鈦(TiN)、氧化鋁(Al2O3)等薄膜材料。由于涂層材料耐熔結、耐磨損耐熱性能優于基體,因此能以超過基材切削速度進行高速切削。此外,由于涂層摩擦系數小,因此可以延長刀具使用壽命。
  高速銑削技術發展要求刀具材料具備良好耐磨性、耐熱性強韌性,于出現了許多超細顆粒硬質合金基材上涂覆多層復合薄膜以提高切削性能涂層立銑刀等產品。有超細顆粒硬質合金材料平均粒徑1μm以下,使刀具基體韌性抗彎強度明顯提高。復合涂層將多種涂層材料組合一起,一層又一層地進行多層薄膜涂覆,以此提高刀具切削性能。涂層材料除了適合高速切削鋼件碳化鈦氮化鈦以外,現還使用金剛石立方氮化硼。最近又出現了具有納米水平微細晶粒涂層硅基納米涂層刀具等,可用于高硬度鋼高速切削軟鋼高性能加工。
  金剛石涂層硬質合金刀具表面涂覆具有強粘附力高耐磨性金剛石材料。金剛石涂層組織特征非晶成分少、純度高、組織勻稱而細微搜企網,適用于加工鋁、銅等非鐵金屬石墨等非金屬材料,加工范圍廣泛。
  硬度僅次于金剛石立方氮化硼燒結體(CBN)(硬度HV3200~4000,約為硬質合金2倍)具有卓越高溫硬度穩定性,1200~1300℃高溫下對金屬尤其鋼鐵類材料完全不起化學反應,因此非常適合耐熱合金%淬硬高合金鋼等HRC40以上高硬度工件精加工以150m/min以上切削速度加工鎳鉻鐵合金、鎢鉻鈷合金等難切削工件材料(但不適合斷續切削加工)。
  當然,CBN刀具成本比其它刀具更昂貴,因此許多用戶將使用過刀片重新刃磨后再次使用,但刃磨本身也需要成本。為了降低加工成本,近年來出現了采用很小CBN刀尖,使用一次就廢棄刀具結構,對這種一次性刀具產品需求正不斷增加。
  整體硬質合金立銑刀指從刀刃至刀柄用硬質合金整體制成立銑刀,其加工對象包括普通鋼、高硬度鋼、難切削材料、樹脂、鋁合金等各種材質。此外,超細顆粒硬質合金基體上涂覆氮化鈦+鋁(TiAlN,AlTiN)涂層刀具產品也不斷開發出來。
  梯度功能切削刃刀具同時兼有金屬陶瓷涂層特性梯度功能材料刀具。切削刃表層以下20μm部分由耐磨性能極好高硬度鈦基陶瓷層構成工業自動化網版權所有,芯部則越往深處強度越高硬質合金。這種材料構成帶有梯度結構,材料性能不斷變化。值得期待,這種刀具具有可與陶瓷涂層相媲美耐磨性強韌性同時,所加工出工件又具有與用金屬陶瓷刀具(具有硬質合金陶瓷間特性)加工相似精密表面。因此,迄今一直采用陶瓷涂層刀具進行粗加工,用金屬陶瓷刀具完成精加工這種分工今后可能就不再需要了。
切削難加工材料刀具開發
  適合各種加工用途新型刀具正不斷開發出來。此僅考察一下切削難加工材料用刀具、金屬模具加工刀具、鏜孔加工刀具鉆孔加工刀具最新發展動向。
  對難加工材料實現高效加工可以顯著降低生產成本提高產品質量。隨著機床性能、刀具材料刀具刃形設計進步,針對難加工材料切削技術也有了很大發展。用于切削難加工材料刀具刃形有以下三種類型:①加工淬硬鋼、高硬鑄鐵等高硬度材料時,刀具材料采用CBN陶瓷,刀具切削刃設計為負前角:②加工不銹鋼鈦合金材料時,銑刀切削刃采用正大前角:③加工鋁合金等軟質金屬時,刀具刃形采用超大前角大后角。
  飛機發電設備零部件大多使用耐熱超級合金鈦合金等難加工材料制造,并常常采用整塊金屬毛坯直接切削成形。然而不少加工場合,由于工件材料可切削性差,造成加工效率低、刀具壽命短,需要消耗大量加工時間刀具。例如ARCHEAN.net版權所有,Ti6Al4V一種極具代表性鈦合金材料,也一種典型難加工材料。它具有很高比強度以及優異耐熱性耐腐蝕性,同時化學活性較強,切削加工時易與刀具發生化學反應,尤其高速切削時會出現劇烈粘附現象,造成刀具損壞。因此,一般認為對Ti6Al4V進行高速切削時將切削速度調至150m/min比較適當。
  加工耐熱合金等難加工材料其它問題還包括工件熱傳導率低,切削熱易集于切削刃刀尖部位,刀具與工件容易粘附一起等。解決這些問題方法通過對刀具螺旋角、截面形狀、切削角度以及硬質合金材料涂層最佳設計來提高刀具耐熱性抗粘附性。例如,45°螺旋立銑刀通過增大螺旋角,可以增加刀刃鋒利度,降低切削阻力,抑制切削溫度上升工件材料粘附。
  考慮到耐熱超級合金鈦合金特性,選擇加工刀具時,要求刀刃鋒利,易于散熱,并具有良好韌性抗切屑粘附性等。但ipi.sooq版權所有,不同種類耐熱超級合金鈦合金加工性能各不相同,實際加工要根據工件材質、形狀、夾緊方式、機械剛性等特點慎重選用刀具。通過選用合適切削刀具加工條件,可以實現鈦合金等材料高速、高效切削加工延長刀具壽命。
高性能模具加工刀具開發
  使用金屬模具進行注塑加工能夠低成本、大批量地快速生產相同形狀工件。最近,高精度小型或薄型零部件也能采用注塑方式加工,但其前提需要制作高精度金屬模具。
  用于加工金屬模具刀具對切削性能要求較高。為了適應高精密模具加工,已開發出了各種長壽命、高可靠性整體硬質合金立銑刀,對刀具性能改進包括采用(Ti,Al)N涂層、將容屑槽設計成波浪形三線槽、調節切屑與刃端前角接觸面以提高切屑流出性能等。此外,還開發了切削阻力小、鋒利度高球頭立銑刀等模具加工專用高效刀具。
  一般來說,加工HRC60以上高硬度材料(如淬硬鋼)需要采用CBN刀具,因為刀具與工件硬度差越大,刀具壽命就越長,切削淬硬鋼等高硬度工件時,使用硬度更高CBN刀具比使用陶瓷刀具更為有利。
  涂層硬質合金立銑刀一直被認為很難加工硬度HRC60以上工件材料。對于精度要求較高機械零部件金屬模具加工,由于淬硬材料硬度高、切削阻力大,立銑刀切削速度切削深度不得不受到一定影響。
加工小型零部件用防振型鏜桿
  鏜桿深孔鏜削加工必備工具。最近,為了適應IT產品零部件等輕薄短小化工件加工需要造車網版權所有,正大力開發相關防振型鏜桿。
  計算機、手機、數碼相機、DVD收錄機等家電產品以及IT相關設備需求增加大大改變了發達國家產業結構。對組裝這些產品小型零部件切削加工需求也日益增多。對于小型零部件切削加工,即使將主軸轉數設定為高速,但由于工件直徑很小,因此切削速度只能停留低速范圍。至今仍有不少廠家還使用高速鋼刀具或釬焊式硬質合金刀具進行切削加工。但,隨著刃磨設備老化技術人員高齡化,釬焊式刀具制作重磨都越來越困難,加上重磨費用,進一步增大了刀具成本。隨著零部件加工高精度、高效率、低成本化發展趨勢,要求采用不重磨硬質合金刀具高效加工小型零部件呼聲越來越強烈。
    對于鏜削這種刀具懸伸量較大加工,刀具防振性能不容忽視大問題。與傳統鏜桿相比,防振型鏜桿不容易產生振動,即使出現振動也可很快衰減。目前開發出刀具將柄部設計成高剛性結構,安裝一次性使用刀片,將容屑槽設計為僅保留最小限度空間結構造車網版權所有,以防止刀具剛性下降。
加工周期明顯縮短
  鉆孔加工經常受到用戶要求實現高速化、高精度化嚴峻考驗,這由于鉆削加工整個機械加工占有很大比例,其加工水平直接關系到產品質量提高生產成本降低。此外,如何減輕加工現場環境負擔,鉆頭也起著示范作用。
  近年來發展令人矚目整體硬質合金鉆頭,其加工能力可比高速鋼鉆頭提高5倍以上,刀具壽命則高速鋼鉆頭10倍左右。采用超細顆粒硬質合金整體硬質合金鉆頭可用于碳鋼、合金鋼等普通鋼,不銹鋼等特殊鋼,模具鋼、淬硬鋼等高硬度鋼SOOQ版權所有,灰口鑄鐵、球墨鑄鐵,鋁合金、銅合金等工件材料鉆孔加工。許多鉆頭使用PVD(物理氣相沉積)工藝進行了TiN、(Ti,Al)N等涂層處理。由于刀具韌性可靠性提高,即使斷續切削等切削刃要承受機械沖擊高熱影響不穩定切削狀態下,鉆頭也不易發生崩刃缺損。整體硬質合金鉆頭也適用于高硬度鋼、不銹鋼、耐熱超級合金等難加工材料鉆孔加工。
  目前,鋁半干式切削加工已部分用戶實際應用。為了進一步提高刀具使用壽命,刀具制造商涂層公司正探討如何以PVD方式將DLC(DiamondLikeCarbon,類金剛石碳)等涂覆刀具表面上。可以預計,為了實現產品輕量化IIAnews版權所有,鋁制零部件使用今后將進一步增加。為了保護環境降低成本,對干式、半干式切削加工需求也將不斷增大。為了滿足這些需求,將不斷開發出最適用刀具。為了滿足用戶對刀具日益提高要求,刀具制造商將以提高加工效率為目標,刀具材料、涂層、刀刃設計等方面進一步加強研究與開發。

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