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用陶瓷刀具銑削硬材料

應(yīng)用新的刀具技術(shù)和加工知識可以大大降低銑削硬材料的難度。

只要有足夠的時間和金錢,就有可能實現(xiàn)對任何工件材料的加工。然而掷漱,大多數(shù)加工車間并不擁有無限制的交貨時間和加工資源。市場競爭的壓力對加工效率和經(jīng)濟性提出了越來越高的要求榄檬,促使人們在縮短加工時間卜范、減少制造零件所需的加工步驟上持續(xù)進行改進。

硬銑削是實現(xiàn)提高生產(chǎn)率目標(biāo)的途徑之一鹿榜。通過合理應(yīng)用機床海雪、刀具和加工策略,可使硬銑削并不像當(dāng)初看起來那樣困難舱殿。

硬銑削的特點

硬材料(這里指硬度≥HRC45的工件材料)包括工具鋼奥裸、模具鋼、冷硬鑄鐵和鉻鐵沪袭、粉末合金湾宙、堆焊金屬以及一些鎳基和鈷基耐熱合金。制造商用硬材料制造模具冈绊、齒輪侠鳄、工具、航空零部件和加工設(shè)備枕捺,以延長其磨損壽命和保持精度。不幸的是壁歧,硬材料零件的這些優(yōu)異特性也使其更難以加工。長期以來睬嘿,硬材料零件加工一直存在切削速度慢宽用、刀具消耗快等缺陷闭榛。

傳統(tǒng)的加工方法是:首先在通過熱處理將工件淬硬之前對其進行粗加工和半精加工(如果可能的話)盒器,然后再用圓刀具、刀片或通過磨削衍肥、放電加工對其進行耗時費力的精加工攻睬。加工這些本身就很硬或淬硬的工件會影響其最終精度,需要從一開始就以很低的速度緩慢加工浅慎。加工時間長胁会、加工步驟多、工件裝調(diào)頻繁和加工過程復(fù)雜使硬材料零件的制造成本居高不下抵蚊。

降低制造成本的方法之一是在淬硬狀態(tài)下對工件進行銑削加工施绎。模具制造業(yè)是使用硬度與韌性俱佳的細顆粒硬質(zhì)合金銑刀進行硬銑削的先行者。為了提高耐熱性和潤滑性贞绳,這些刀具上通常都有涂層谷醉。一般來說,用硬質(zhì)合金刀具進行硬銑削需要采用較小的切削寬度和切削深度冈闭,以降低切削力和生成細小的切屑俱尼。根據(jù)被銑削材料的硬度,典型的切削速度處于中等到較低的范圍內(nèi):從銑削硬度HRC45左右工件材料的500sfm(150m/min)到銑削硬度HRC60以上工件材料的200sfm(60m/min)萎攒。

在過去幾十年中遇八,陶瓷材料在很高的切削溫度下仍能保持其硬度的能力使其能在許多切削加工中取代硬質(zhì)合金。但是耍休,對于大多數(shù)陶瓷材料而言刃永,其硬度的提高往往伴隨著韌性的下降。這種性能缺陷限制了陶瓷刀具在斷續(xù)切削(如銑削)加工中的應(yīng)用羊精。

不過揽碘,近年來,陶瓷刀具正越來越多地應(yīng)用于銑削加工脆逊。刀具制造商已經(jīng)生產(chǎn)出了韌性更好的陶瓷刀具(如氧化鋁/碳化鈦稀掠、氮化硅陶瓷刀具),以及用碳化硅“晶須”增韌補強的陶瓷刀具棒鞍。

與硬質(zhì)合金刀具一樣幽滤,陶瓷刀具的銑削速度也因為工件硬度的不同而存在差異。但平均來看崖蟀,陶瓷刀具的銑削速度要高于硬質(zhì)合金刀具哼沃,因為高速切削產(chǎn)生的熱量有利于提高陶瓷刀具的切削性能。實際上吹迎,切削熱會軟化切削刃前方的工件材料床候,并降低切削力。因此湃足,在銑削硬度為HRC45的工件材料時猩缺,陶瓷刀具的典型切削速度約為850sfm(255m/min)剂户;銑削硬度大于HRC60的工件材料時泣爷,典型的切削速度約為550sfm(165m/min)。由于切削刃前方工件材料的軟化效應(yīng)奉狈,陶瓷刀具可以采用比硬質(zhì)合金刀具更大的切削深度和切削寬度卤唉,使其在銑削硬材料時能獲得更高的金屬切除率涩惑。

銑削加工策略

用陶瓷刀具銑削硬材料時,需要密切關(guān)注加工方法和切削參數(shù)桑驱。在任何加工操作中竭恬,機床、夾具和刀具的剛性都至關(guān)重要熬的,用陶瓷刀具銑削硬材料時尤其如此萍聊。當(dāng)切削力的作用方式為壓縮力,而不是拉伸力或剪切力時悦析,陶瓷刀具具有最大的強度寿桨。此外,由振動或反復(fù)切入和切出引起的切削力急劇變化最終將會對切削刃造成損壞强戴。

從刀具夾頭來看亭螟,剛性好的工具系統(tǒng)(如HSK和熱裝式夾頭)以及經(jīng)過平衡的刀具可以最大限度地減小會縮短刀具壽命的振動和徑跳。在硬銑削中骑歹,某些刀具路徑編程策略可以延長陶瓷刀具的壽命预烙。反復(fù)切入和切出工件可能會損壞切削刃,因此夜墓,應(yīng)盡可能使刀具吃刀量均勻一致千荡。為了最大限度地增大刀具與工件的接觸長度,制造商應(yīng)采用刀具以漸進螺旋刀軌(而不是階梯式刀軌)下降切入工件的走刀策略(如坡走銑削泰锦、螺旋插補銑削和等高銑削)绅踪。采用每一種走刀策略,都應(yīng)該仔細考慮如何減小對刀具的沖擊诗实。例如兄诱,坡走銑削時,應(yīng)以較平緩的下降率切入工件昆饲。此類編程策略除了可以最大限度地延長刀片處于壓縮切削力下的時間以外旧育,還有助于保持在切削時可以提高切削性能的熱量。

在一次用陶瓷刀具銑削P-20模具鋼(硬度為HRC52-53)的加工示范中蝗袄,其他加工變量均未改變路揖,只對走刀路徑進行了重新編程,以最大限度地延長刀具與工件的接觸時間贮爹,結(jié)果使刀具壽命提高了4倍斋射。

雖然在切屑、工件和刀片之間的剪切區(qū)需要保持較高的溫度光羞,但過多的熱量也可能會造成問題绩鸣,因為這些熱量可能會使工件損壞或變形。重要的是纱兑,切削形成的切屑應(yīng)將多余的熱量帶走呀闻。在理想的情況下,切屑應(yīng)該吸收75%的切削熱潜慎。

控制切屑厚度

既要在切削區(qū)保留足夠多的熱量捡多,同時又要確保切屑能帶走多余的熱量,這就涉及到如何保持平均切屑厚度(銑削時自然產(chǎn)生的不同切屑厚度的平均值)“最佳平衡點”的問題铐炫。

太薄的切屑缺乏足夠大的質(zhì)量來吸收并帶走熱量垒手。此外,產(chǎn)生薄切屑可能表明倒信,切削刃是在磨擦而不是切削工件科贬。薄切屑還會使切削壓力集中在最薄弱的刀尖上,而不是作用于強度更好的前刀面上鳖悠。這種情況會導(dǎo)致切削刃快速磨損渺广,并造成刀具崩刃,而這樣又會加劇冷作硬化和縮短刀具壽命血洞。

反之湃鳖,如果切屑太厚,就會從切削刃帶走大量熱量僻携,從而降低切削區(qū)的溫度狮最,由于缺乏材料軟化效應(yīng),會對刀具產(chǎn)生更大的切削壓力疹返。

編制切削加工程序時泌祥,由于切屑減薄效應(yīng),基于軸向和徑向切深來形成切屑厚度的銑削策略并不總是能獲得預(yù)期結(jié)果律跺。切屑厚度是由刀具的軸向切深伞下、徑向切深以及前角的綜合作用來決定的。例如刚肠,前角為0°的直邊型刀片產(chǎn)生的切屑厚度等于編程切屑負荷的100%辛蕊。而前角為45°的刀片產(chǎn)生的切屑分布在一段更長的工件表面上,其切屑厚度僅為編程切屑負荷的70%冒晰。為了克服切屑減薄效應(yīng)同衣、保持最佳切屑厚度,必須根據(jù)計算公式來增大編程切屑負荷壶运。

使用圓刀片時耐齐,控制切屑減薄變得更為復(fù)雜。由于圓形切削刃比形成刀尖的切削刃強度更高蒋情,因此許多陶瓷銑刀都采用圓刀片埠况。圓刀片的前角會根據(jù)切削深度而發(fā)生變化。切深越小棵癣,有效前角就越大辕翰,產(chǎn)生的切屑也越薄夺衍。

使用圓刀片時,計算平均切屑厚度的計算公式為:HM=√(d÷D)×Fz(式中:HM為切屑厚度喜命,d為軸向切深沟沙,D為刀片直徑,F(xiàn)z為每齒進給率)壁榕。雖然該公式并未全面考慮這種銑削加工的每一種影響因素矛紫,但為確定平均切屑厚度提供了一個起點。

影響切屑厚度的另一個因素是切削寬度(徑向切深)燕紊。如果切削寬度小于刀具直徑的1/2塌或,隨著切削位置遠離刀具中心線,切屑將會顯著減薄荔寞。提高進給率將有助于保持合理的切屑厚度缚形。典型的切削寬度為刀具直徑的60%-70%;采用40%-60%的切削寬度噩五,將會獲得最長的刀片壽命排击。

采用順銑方式也有助于形成較厚的切屑。與切削開始時切屑厚度非常小碳携,切削結(jié)束時才達到全切屑厚度的逆銑方式不同患漆,順銑加工從切削一開始就能形成全切屑厚度。

在刀片前刀面上制備一條負棱帶可將切削力導(dǎo)入刀片的刀體之中临辰,而不是直接作用于相對比較薄弱的刀片切削刃上任础,從而使刀片能夠承受銑削加工中斷續(xù)切削的沖擊。為了減小崩刃風(fēng)險亏乞,可對切削刃頂端進行鈍化處理焰究。

對硬銑削刀片切削刃制備的標(biāo)準(zhǔn)方式包括制備一條窄棱帶和進行輕微鈍化。有些加工(如重度斷續(xù)銑削怒详,或銑削有很厚氧化皮的工件)需要制備較大的棱帶炉媒。每齒進給率應(yīng)大于切削刃鈍化值,以確保刀具能切削——而不是磨擦——工件昆烁,并能形成足夠的切屑厚度吊骤。

了解和控制切屑減薄現(xiàn)象可以提高加工車間的生產(chǎn)率。例如静尼,用直徑為8mm的圓刀片(RPGN-2.52)以0.5mm的切深白粉、0.076mm/齒的切屑負荷、540mm/min的進給率精銑硬材料時鼠渺,獲得的切屑平均厚度為0.018-0.020mm鸭巴。這一切屑厚度值小于此類加工通常采用的切削刃鈍化值,因此可能會引起刀片磨擦(而不是切削)工件,從而加快刀具磨損鹃祖,并對刀片的切削刃施加過大的壓力溪椎。將進給率提高到725mm/min,可使平均切屑厚度大于切削刃鈍化值惯豆。消除磨擦現(xiàn)象有利于提高刀具壽命池磁。此外犀刀,提高進給率還能將生產(chǎn)率提高33%葬籽。

用陶瓷刀具銑削硬材料時,通常不建議使用冷卻液饮茬,因為冷卻液會降低切削區(qū)溫度——較高的溫度對于軟化工件材料努示、提高加工效率必不可少——和縮短刀具壽命。然而拉狸,必須避免由切屑造成的二次切削盾峭。解決辦法是用高壓氣流——如果可能的話,最好通過刀具內(nèi)冷卻通道——從切削區(qū)吹走切屑稿纺。

大進給銑削

用陶瓷刀具銑削硬材料時甫碉,刀體的選擇取決于具體的加工條件。在任何情況下谭驮,采用高剛性刀體和安全的刀具夾持系統(tǒng)都能最大限度地減小徑跳誤差的影響蝗质。對于重載粗銑加工,采用負前角刀片的銑刀可使切削刃具有更高的強度齐秕。對于精銑加工(尤其是銑削容易發(fā)生冷作硬化的工件材料時)沈机,采用正前角刀片的高剪切銑刀能使刀片切削刃定位于切削(而不是推擠)工件材料所需的位置。高剪切銑刀具有較大的正軸向前角笋敞。

刀具的選擇有助于確定適當(dāng)?shù)挠层娤骷庸C床碱蒙。大多數(shù)機床都能夠勝任基本的硬銑削加工。但是夯巷,為了充分發(fā)揮大進給銑刀的切削性能和陶瓷刀具的優(yōu)勢赛惩,要求機床具有足夠大的功率和扭矩。例如趁餐,用直徑50mm的銑刀喷兼,以1.9mm的切深對硬度HRC50的鋼件進行硬銑削,要求機床具有大約15匹馬力的功率澎怒,以及在2,165r/min的轉(zhuǎn)速下200英尺磅的扭矩褒搔。對機床功率的要求基本上與需要達到的金屬切除率呈正相關(guān)。

高效硬銑削需要采用適當(dāng)?shù)募庸げ呗院图庸C床喷面,以及合理應(yīng)用先進的切削刀具材料星瘾。將這些要素結(jié)合到一起,加工車間就會發(fā)現(xiàn),硬銑削不僅沒有想象的那么困難琳状,而且還會大大提高生產(chǎn)效率伶葵。

 


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