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深度解析高光高硬加工刀具磨损与刀具寿命
编辑:深圳市米克工业有限公司   发布时间:2017-05-03

超硬刀具       

金属切削过程中所产生的功率消耗以切削热和摩擦的形式表现出来。这些因素使刀具处于表面高负载、高切削温度的加工环境下,之所以产生高温是因为切屑沿刀具前刀面高速滑移,对切削刃产生高压及强烈的摩擦。加工过程中,刀具遇到部件微结构中的硬质点,或进行断续切削,可导致切削力出现波动。因此,对切削刀具有耐高温、高韧性、高耐磨性、高硬度等特点的要求。

       通常假设切削过程中所产生的所有能量均转换为切削热,80%的切削热会被切屑带走(这一数值会随着一些因素而变化,切削速度为主要影响因素)。这使得大约20%的热量进入了刀具。即使切削低碳钢,刀具温度也可超过550℃,而此温度值是高速钢(HSS)保持硬度所能承受的最高温度。用立方氮化硼(CBN)刀具切削淬硬钢时,刀具和切屑温度可超过1000℃。

刀具磨损形态可分为以下几类:

1:后刀面磨损

2:沟槽磨损

3:月牙洼磨损

4:切削刃崩刃

5:热裂纹

6:积屑瘤

       从实践的角度来看,为了抑制过度的刀具磨损并克服高温,应注意三个关键要素:基体、涂层以及切削刃处理。每个要素都关系到金属切削加工成败。这三个要素,结合卷屑槽形制、刀尖圆角半径,共同决定了每刀具适用的被加工材料及应用场合。以上所有相关参数共同配合作用,才能保障刀具的长寿命,并最终体现为加工的经济性和可靠性。


基体

 

       兼具耐磨性及韧性的钨基硬质合金刀具,加工适应范围更广。刀具供应商通常通过控制WC晶粒度范围:0.3微米至5微米,来把握基体的性能。WC晶粒度对刀具切削加工中的表现具有重大影响。WC晶粒度越小,刀具越耐磨;反之,WC晶粒度越大,刀具韧性越佳。超细晶粒基体所制成的刀片主要用于加工航空航天工业的被加工材料,譬如:钛合金,铬镍铁合金,高温合金等。此外,将钴含量从6%调整至12%可以显著提高基体的韧性。因此,只需调整基体材料成分,即可满足金属加工应用中刀具对韧性、耐磨性的需求。基体性能既可以通过毗邻表层的“富钴层”进行增强,也可以通过选择性地在硬质合金中加入其它类型的合金元素进行增强,例如碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化钒(VC)以及碳化铌(NbC)。富钴层显著提高了切削刃强度,使得刀具在粗加工和断续加工应用中有着优异的表现。此外,为了匹配工件材料并满足特定加工要求,选择合适的基体时还要考虑以下五个物理特性: 冲击韧性、横向断裂强度、抗压强度、硬度和热冲击韧性。


涂层

 

       目前市场上主流的涂层材料包括:

       氮化钛(TiN) - 通常采用PVD涂层,具有高硬度、抗氧化温度高的特点。

       氮碳化钛(TiCN) - 添加碳有助于提高涂层的硬度和涂层表面自润滑性。

       氮化铝钛(TiAlN 或 AlTiN)- 包括一层氧化铝,在切削温度高的应用中可延长刀具寿命,特别适用于准干切削/干切削。相对于TiAlN 涂层,由于铝/钛比例的不同,AlTiN涂层表面硬度更高。此涂层方案非常适合于高速加工应用。

       氮化铬(CrN) - 具有高硬度、耐磨性高的优点,是抗积屑瘤的首选解决方案。

       金刚石(PCD)- 具有最好的非铁合金材料加工性能,尤其是加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金和其它研磨材料。完全不适合加工钢,因为化学反应会破坏涂层与基体的结合。

刀片切削刃刃口处理

 

       在许多情况下切削刃处理(钝化)决定了加工的成败。钝化参数由预设定的应用决定。例如,钢的高速精加工所需的切削刃刃口处理完全不同于应用于粗加工的切削刃刃口处理。一般来说,连续车削需要对切削刃进行钝化处理,大多数的钢和铸铁的铣削也是如此。对于苛刻的断续加工,还需加大钝化参数或对切削刃进行T-LAND负倒棱处理。相比之下,当加工不锈钢或高温合金时,需对刀片进行钝化处理以获得小钝化半径,并采纳锋利切削刃,这是因为加工此类被加工材料时,具有容易产生积屑瘤的特性。同样,加工铝时也需要锋利切削刃。

       在几何方面,希普思提供众多采用螺旋切削刃的刀片,切削刃轮廓沿轴线方向均匀地围绕在一个圆柱面上渐进。螺线刃旋向类似于一个螺旋。螺旋刃设计的好处之一是使得切削加工平滑过度,降低振颤,从而获取更高的表面光洁度。此外,螺旋切削刃可以承受更大的切削载荷,使得在降低切削力的同时,去除更多的金属。螺旋切削刃的刀具的另一个优点是刀具寿命更长,这是因为刀具切削力及切削热更低。


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