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    陶瓷刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用
    陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能好、耐热性和化学稳定性优良等特点,且不易与金属产生粘接。陶瓷刀具在数控加工中占有十分重要的地位,陶瓷刀具已成为高速切削及难加工材料加工的主要刀具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工传统刀具根本不能加工的高硬材料,实现“以车代磨”;陶瓷刀具的*佳切削速度可以比硬质合金刀具高2~lO倍,从而大大提高了切削加工生产效率;陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中*丰富的元素,因此,陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义,也将极大促进切削技术的进步。⑴ 陶瓷刀具材料的种类陶瓷刀具材料种类一般可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、复合氮化硅一氧化铝基陶瓷三大类。其中以氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料应用*为广泛。氮化硅基陶瓷的性能更优越于氧化铝基陶瓷。⑵ 陶瓷刀具的性能、特点① 硬度高、耐磨性能好:陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD和PCBN高,但大大高于硬质合金和高速钢刀具,达到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料,适合于高速切削和硬切削。② 耐高温、耐热性好:陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能, A12O3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好,切削刃即使处于赤热状态,也能连续使用。因此,陶瓷刀具可以实现干切削,从而可省去切削液。③ 化学稳定性好:陶瓷刀具不易与金属产生粘接,且耐腐蚀、化学稳定性好,可减小刀具的粘接磨损。④ 摩擦系数低:陶瓷刀具与金属的亲合力小,摩擦系数低,可降低切削力和切削温度。⑶ 陶瓷刀具有应用陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。刀具破损适用于切削加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁)和钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等),也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。
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    金刚石刀具的种类
    ① 天然金刚石刀具:天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了,天然单晶金刚石刀具经过精细研磨,刃口能磨得极其锋利,刃口半径可达0.002μm,能实现超薄切削,可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度,是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。② PCD金刚石刀具:天然金刚石价格昂贵,金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石(PCD),自20世纪70年代初,采用高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(Polycrystauine diamond,简称PCD刀片研制成功以后,在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。PCD原料来源丰富,其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口,加工的工件表面质量也不如天然金刚石,现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。因此,PCD只能用于有色金属和非金属的精切,很难达到超精密镜面切削。③ CVD金刚石刀具:自从20世纪70年代末至80年代初,CVD金刚石技术在日本出现。CVD金刚石是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石膜,CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。威尼人斯网址CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近,兼有天然单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点,在一定程度上又克服了它们的不足。
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    HSM 对切削刀具的要求
    1. 几何形状刀具振动直接影响加工所获得的表面质量。因此,在HSM精加工过程中保持刀具均匀的切削力极其重要,避免引发刀具振动。刀具相邻几何特性对切削力的影响:1)同心度好有利于负载在切削刃上均匀分布;2)较大的切削刃重叠有利于获得均匀的切削力特性(较大螺旋角和槽数);3)短切削长度有利于获得较好的刚性(相对于机床陡壁,轴的直径被减小一点);4)芯部横截面状态*好,槽口处的应力集中*小。可以使用HSM加工高强度材料,这意味着抗变形能力随着待加工材料硬度的增加而增大。切削刃上负载增加,要求对切削刃的几何形状进行稳定的设计。然而,高速切削状态下在工件表面的自由区域还将产生更多的摩擦热,这意味着必须减小刀具的间隙角。因此,增加切削刃的稳定性只能通过减小斜角的方式实现。在材料很硬、刀具材料很脆的情况下,甚至可能导致负的斜角。精确配合的半径在刀刃尖部磨削,以避免突然变热时达到红热状态或者切削刃局部断裂。如果对加工工件的形状精度要求很高,则所用精加工刀具的球部半径对于待加工工件的形状精度有直接的影响。因此,作为基本条件,在非常精密零件的精加工过程中使用具有非常严格半径公差(在微米范围内)的刀具是非常重要的。2. 材料和涂层刀具材料必须比待加工材料硬。工件材料与刀具材料之间的硬度差越大,刀具磨损越小,刀具寿命越长。因为局部温度很高,还必须保证刀具材料具有抗氧化性。较大热负载波动和对刀具材料抗氧化性的要求使得*终需要在精细颗粒碳化钨刀体上进行涂层。
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    刀具高速切削加工技术特点
    高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念,对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料,高速切削加工时应用的切削速度并不相同。通常把切削速度比常规高出5~10倍甚至以上的切削加工叫作高速切削或超高速切削。以德国达姆施塔特工业大学H.Schulz教授提出的铣削速度范围比较具有代表性:铝合金1000~7000m/min,铸铁800~3000m/min,钢500~2000m/min,钛合金100~1000m/min,镍基合金50~500m/min。传统硬质合金类刀具加工铝合金壳体切削速度一般在150~300m/min之间,而聚晶金刚石(PCD)类刀具的切削速度能达到2000m/min以上,实现高速切削。高速切削加工时,高切削速度在材料剪切区短时释放大量热能。因此,随着切削速度的增加,切削的剪切区、切屑压缩区和变形区内材料的单位切削力反而下降。总切削力和必需的切削功率同样下降。高速切削工艺典型的小切削深度结合高进给速度和高主轴转速,将降低切削刃切入工件的时间,或称接触时间。威尼人斯网址在高速切削加工过程中还应该考虑的一个问题是刀柄与机床主轴锥孔的连接方式,常用的锥柄有BT、HSK、CAT及CAPITO等多种形式,但是在高速切削时HSK因其独特的双面接触过定位结构可以保证刀尖很高的跳动要求,性能卓越,特别适合高转速工况。
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    刀具冷却液的使用技巧
    正确使用冷却液对于获得良好的钻削性能而言至关重要,它会直接影响到加工中的排屑、刀具寿命及加工孔的质量。(1)冷却液的使用方式1)内冷设计内冷设计始终是避免堵屑的**,特别是在加工长切屑材料以及钻削较深的孔 (大于3倍孔径) 时。对于水平钻头,当冷却液从钻头中流出时,在至少30cm的长度上都不应有切削液下冲现象。2)外冷设计使用外冷却液可在切屑形成良好以及孔深较浅时使用。为了改善排屑,至少应有一个冷却液喷嘴 (如果是非旋转应用,则为两个喷嘴) 靠近刀具轴线位置。3)干式钻削技巧,不使用冷却液通常不建议进行干式钻削。a)可用于短切屑材料且孔深可达直径3倍的应用场合b)适合于卧式机床c)建议降低切削速度d)刀具寿命会降低建议切勿将干式钻削用于:a)不锈钢材料 (ISO M和S)b)可换头钻头4)高压冷却(HPC) (~70 bar)使用高压冷却液的益处是:a)由于冷却效果增强,刀具寿命较长b)改善不锈钢等长切屑材料加工中的排屑效果,并且可能延长刀具寿命c)排屑性能更好,因此安全性更高d)根据给定的压力和孔尺寸提供足够的流量,以保持冷却液供应(2)冷却液的使用技巧请务必使用含有EP (极压) 添加剂的可溶性切削油 (乳化液)。为了确保*佳刀具寿命,油水混合物中的含油量应介于5-12%之间 (加工不锈钢和高温合金材料时应介于10-15%之间)。提高切削液的含油量时,务必用分油器进行检查,以确保不会超过推荐的含油量。在条件允许的情况下,与外冷却液相比,始终**使用内冷却液。净油能够改善润滑效果,在钻削不锈钢应用时带来益处。请务必与EP添加剂一起使用。整体硬质合金钻头和可转位刀片钻头都能使用净油并能取得不错的效果。压缩空气、雾状切削液或MQL (微量润滑) 可能成为稳定工况下的成功之选,特别是在加工某些铸铁和铝合金时。由于温度升高进而可能对刀具寿命产生负面影响,建议降低切削速度。
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