不同工件材料可选用的高速切削刀具材料[范文大全]

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第一篇:不同工件材料可选用的高速切削刀具材料

表5.2 不同工件材料可选用的高速切削刀具材料

工件材料 选用刀具

铝合金

对结构铝合金和铸造硅铝合金,金刚石刀具最适于高速切削。但复杂刀 具可用整体超细晶粒硬质合金和粉末高速钢及其涂层高速加工结构铝合 金。

钢、铸铁

及其合金3 Al O 基陶瓷刀具适于软、硬高速切削加工;立方氮化硼适于HRC45~ 65 的高速硬切削加工;氮化硅基陶瓷和立方氮化硼更适于铸铁及其合金 的高速切削加工,但不宜于切削以及铁素体为主的钢铁;涂层刀具(包 括复杂刀具)有广泛的应用,特别是整体复杂刀具。

高温合金

可选用涂层、增韧补强的2 3 Al O 基和3 4 Si N 基陶瓷刀具。使用PCBN 刀具 可以100~200m/min 的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金 及其涂层刀具。

钛合金

一般可用涂层、WC 基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能 良好的切削液,可获得好的结果。还没有好的适于高速切削的刀具材料。表5.3 高速切削刀具材料适于加工的工件材料

刀具材料 适于加工的工件材料

涂层

硬涂层刀具如金刚石膜涂层刀具适合高速切削有色金属;软涂层刀具如 WS2,MoS2 涂层刀具适合加工高强度铝合金、钛合金和贵重金属材料。金属陶瓷 可高速切削加工钢和铸铁。

陶瓷 可高速切削加工钢、铸铁及其合金。也可加工淬硬钢及冷硬铸铁。PCBN

是高速精加工或半精加工铸铁、淬硬钢、高温合金等的理想刀具。根据 加工材料的不同,可适当选择PCBN 的配比。

PCD

适合有色金属及耐磨非金属材料的高速切削,但应根据精加工材料的不 同,适当选择PCD 颗粒的大小。可以加工钛合金。

硬质合金 适于加工钛合金和高温合金

工件材料类别 刀具材料牌号 刀具材料类别 推荐分类 优先系数 铸铁 CB50 PCBN 推荐 90

铸铁 CC6090 陶瓷 推荐 80

铸铁 CC690 陶瓷 推荐 70

铸铁 GC3020 涂层 推荐 60

铸铁 GC3040 涂层 推荐 50

铸铁 H13A 硬质合金 补充40

铸铁 GC4020 涂层 补充30

铸铁 GC4030 涂层 补充20

铸铁 GC4040 涂层 补充10

第二篇:改善工件材料切削加工性的方法

改善工件材料切削加工性的措施

改善工件材料的切削加工性通常可通过以下三种方法:

一、选择加工性好的存在状态

低碳钢以冷拔及热轧状态最好加工;中碳钢以部分秋花的珠光体组织最好加工;高碳钢则以完全球化的的退火状态加工性最好。

二、通过热处理改善加工性

如工具钢,一般经退火处理可降低硬度、强度,提高加工性。白口铸铁可以加热到950~1100℃,保温、退火,来提高加工性。

有的工件材料通过调质处理,提高硬度、强度,降低塑性来改善加工性。如车制不锈钢2Cr13螺纹时,由于硬度太低,塑性较大,光洁度不易提高,当经调质处理后,硬度达到HRC28时,塑性下降,光洁度可以改善,生产效率也相应提高。

还有一些工件材料,如氮化钢,为了减小工件以加工表面的残余应力,可采取去应力退火。

时效处理也是改善加工性的方法,如加工Cr20Ni80Ti3之前,先加热到1000℃保持8小时,然后在900~950℃温度下时效处理16小时,再在空气里冷却,这样处理后可以提高切削加工性

用热处理的方法改善加工性,要在工艺允许范围内进行,而且具体采用哪一种热处理规范,要跟据工厂的条件而定。

三、在工艺要求许可的范围内,选用加工性好的工件材料

如机床用的某些丝杠,可以选用易切钢。自动机、自动线生产中使用易切材料,对提高刀具耐用度及保证稳定生产有重要作用。这是由于易切钢中的金属夹杂物(如MnS)具有润滑与脆化的作用,可以降低切削力,克服粘刀现象,并使切屑容易折断。随着切削加工技术和刀具材料的发展,工件材料的加工性也会发生变化。如电加工的出现,使一些原来认为难加工的材料,变得不难加工。“群钻”的发展,使碳素结构钢和合金结构钢钻孔的加工性差距变小了。

硬质合金的不断改进,新刀具材料的不断涌现,将使各种的加工性差距逐渐缩小。随着新的工件材料(如耐热材料、高强度材料、高硬材料、高纯材料)的出现,高精度、高光洁度加工以及自动化技术的发展,必然给工件材料的切削加工性带来新的矛盾,这就要求人们进一步的去认识它、分析和解决它。

第三篇:木材切削原理与刀具填空总结

绪论

1,木材切削的实质:__________________(木材在刀具作用下,切削区发生变形的过程)

2,木材切削研究的基本问题:___________和_________(切屑类型;切削区木材变形)3,木材切削的发展趋势:

(1)___________________(2)___________________(3)____________________(4)_____________________

(探索新的加工方法;提高刀具耐用度,刀具寿命和加工质量;用近现代试验手段深入研究木材切削;加强电子计算机在木材切削研究中的应用)第一章木材切削的基本原理 1,木材切削(定义):___________________________________________________(刀具沿着预定的工件表面,切开木材之间的联系,从而获得要求的尺寸,形状和粗糙度的制品,此工艺过程称为---木材切削)2,切屑(定义):__________________________ 绝大多数情况下,切屑不是______,但是有特例:________(工件上被切去的相对变形较大的一层木材;制品;单板旋切)

3,2种基本的切削方式:__________和__________ _________是________的特例,是刀具半径_____,切削刃角速度为____的情况。

(直角自由切削;直齿圆柱铣削;直角自由切削;直齿圆柱铣削;无限大;零)4,直角自由切削(定义):_______________________________________ 直齿圆柱铣削(定义):_________________________________________

(指刀刃⊥刀具与工件的相对运动方向,且主运动为直线运动的切削; 指刀刃⊥刀具与工件的相对运动方向,且主运动为回转运动的切削)ζ1.1基本概念

1,木材切削三要素:_________,________,_____(刀具,工件,运动)

2,刀具作直线运动的为:_______;刀具作回转运动的为______(刨削;铣削)

3,切削运动是指:_________________________ 包括:________和_________

(切削运动:指刀具切削木材过程中刀具和工件之间的相对运动 主运动;进给运动)4,主运动(定义):_________________________,用___(符号)表示,通常是速度___,消耗功率___的运动。

主运动方向:___________________________ 主运动大小:________________(主运动为回转运动)* D应取___________,原因_______________ 5,进给运动(定义):_________________________,用______(符号)表示

进给运动的表示分4种:____,_____,_____,_____(1)进给速度(__),表示______________________ 单位:_______(2)每转进给量(__),表示_____________________ 公式:_____________,单位:_________(3)每齿进给量(__),表示____________________ 公式:_____________,单位:_________(4)每双行程进给量(___)

6,切削运动是_______和_________的合成。大小为___________,方向________________________ 7,进给运动与主运动同时进行的运动(例子):_______ 进给运动和主运动间隙交替进行的运动(例子):________ 8,运动后角(___),是____运动方向和______运动方向的夹角 运动遇角(___),是____运动方向和______运动方向的夹角 _______是反应进给速度对切削速度的影响。图:

9,切削运动的2个基本运动元:__________和________ 10,常见的运动组合:

刨削,刮削:_________;带锯,排锯锯切:________ 铣削,圆锯切削运动,钻削:__________________ 仿形铣削:_________________

11,工件的3个与刀具相关的表面:_____,_____,______ 12,切削层参数:______,_______,_______

_________对切削力的影响最大。

公式:__________

13,刀具分为2部分:________,________

14,坐标平面是_______(__)和__________(__)切削平面_基面

15,测量平面是_______(__)和_________(__)16,刀具的角度有____,_____,_____,_______

前角:反应________________(前角越大,变形越__)

前角分___________

后角:反应________________(后角越大,摩擦越__)

后角__0,(一般后角为___-___之间)

契角:反应______________

契角越大,_____越大,但刃口_____

契角越小,_____越小,但刃口______

切削角:反应______________________

17,工作角度,影响木材切削的是________,而不是_______ 18工作角度与标注角度的关系? ζ1,2木材切削变形

1,3种切削方向:_______,________,________ 2,纵向切削(90-0),90代表_____________,0代表___________ 3,切屑类型:

(1)纵向切削:________,________,________

质量评比:______>_______>_____ 纵Ⅱ型切屑形成的条件:(1)(2)(3)

(2)横向切削:________,_________,_______

质量评比:_______>________>______(3)端向切削:______(分______,_______)_______(分______,________)

质量评比:_____>_____>_____>_____ 4,切削力分析:

(1)前刀面对Ⅰ区的作用力:

公式:________________ 当___________________(2)后刀面对Ⅱ区的作用力:

公式:________________ 5,切削力Fx= 前刀面对Ⅰ区木材在切削方向上作用力+后刀面对Ⅱ区木材在切削面上作用力 公式:_______________ 当切削厚度a=0,Fx=_______ 6,切削力的经验计算

(1)确立单位切削力p与切削厚度a的关系: A,当切削厚度a≥0.1mm,其关系为: B,当切削厚度a<0.1mm,其关系为: 当切削厚度a=0时,刀具对Ⅰ区的作用力为__,此时,切削力就是后刀面对Ⅱ区的作用力。前刀面的单位切削力随a 的增大,而__ 切削厚度a对______无影响!

(2)确立单位切削力p与刀具磨损变钝的关系:

刀具磨损与_______有关,与______无关

钝化系数___,刀具锋利,Cp=____,刀具磨损增大,Cp______ 考虑刀具磨损变钝在内的单位切削力p的计算公式:(1)当a≥0.1mm,p=(2)当a<0.1mm,p= 7,切削力的影响因素:______,_______,______,______,_______(有时_________)8,钝化系数Cp与后刀面的摩擦系数的关系: 表:

由表知:当刀具磨损变钝厉害,摩擦系数__,这说明后刀面法向力Fay的增加程度____后刀面的切削力Fax。【考】 第二章木工刀具材料及刀具磨损 ζ2.1木工刀具特点及材料 1,木工刀具的特点:

(1)_________________

(2)______________________________(3)_____________________ 2,木工刀具切削部分材料应具有的性能:【必考】

(1)________(2)_________(3)________(4)________(5)_________ 3,木工刀具的材料(分类):

(1)_________(2)__________(3)_______(4)_________(5)___________(6)______ 4,高速钢的主要特性:_______(弥补了______钢的致命缺点)5,硬质合金钢的组成:___________和_________

6,硬质合金钢的性能:______,_________,_______ 7,硬质合金钢的分类:________,_______,_______ 代号分别是____,_____,______ 木工刀具常使用_______,YG6A:__________________________ *细晶粒硬质合金--超细晶粒硬质合金 8,立方氮化硼(______),硬度仅低于__________

9,超硬刀具材料:______,_________,________ 金刚石刀具的优点? 聚晶金刚石刀具的优点?

10,PCD: ________,CBN: _________;PCBN: ______

CVD: _________ *刀具材料的性能比较?

11,木工刀具磨损分为3阶段:_____;________;______ 12,木工刀具磨损的原因:【考】(1)(2)(3)(4)

13,提高木工刀具耐磨性技术:(1)(2)(3)(4)

第三章铣削与铣刀 1,铣削(定义):__________________________ 2,最基本的铣削形式:________ 3,直齿圆柱铣削的铣削要素:

(1)切削速度:_________

(2)进给速度:__________(包括______,______)(3)切削深度:___(4)切削宽度:___(5)接触弧长l,接触角: 公式:

(6)运动遇角,动力遇角【不要求】(7)切削厚度a【计算】 公式:

瞬时切削速度:______________ 切屑平均厚度:______________ 切屑最大厚度:______________ 切削平均厚度:______________(8)切屑横断面积A:_________ 4,铣削的特点?【看一下】 5,铣刀的分类?【重点】 6,铣刀设计

(1)铣刀的主要几何参数;铣刀直径D和孔径d;________,铣刀角度(2)铣刀齿数计算:Z=_____________(3)______决定了工件表面的运动不平度

________,工件表面光滑;________,工件表面质量中等 ________,工件表面粗糙

(4)成形刀齿廓形确定原则:_______________________________________

(5)工件截形分为________,__________(6)刀齿廓形有____,_____,______ 关系:________________ 公式: A, hw= B, hr= C, hf=(7)刀齿法平面后角___:

公式:_________________

当λ=0°时,法面后角______,摩擦_____,表面_______ 7,套装铣刀分为_________,_________

8,铲齿铣刀的后刀面为_________或____________ 9,阿基米德螺旋线公式:____________________

由公式可得:____________________________ 10,尖齿铣刀刃口上选定点的后刀面为_____,是在磨床上磨出的。11,与铲齿铣刀相比,尖齿铣刀刃磨前刀面后,后角改变_____ 12,尖齿铣刀分为3种:_______;______;_____ 13,装配铣刀的刀片分为2种:_______,________

14,组合铣刀的调节方法:_______,_______,______ 15,偏心装夹刃铣刀的后刀面为__________,铣刀以一定的装刀角偏心固定住装刀卡头上,以获得适当的____。第四章锯切和锯子 1,锯切(定义):___________________________ 2,夹锯现象(原因):________________________ 解决方法:锯路宽度____锯身宽度 3,锯料的方法:

(1)____________________________(2)____________________________(3)____________________________ 应用:小带锯使用的方法:________

4,齿形分为:________和________

5,锯切一次可以完成____切削面--锯路底和两侧的锯路壁

6,木材纵锯是指________________________ 特点:____________________________ 前角________

7,木材横锯是指___________________________ 特点:________________________________ 前角:________

8,纵锯齿多为________,横锯齿都是________

9,直磨齿以________为主,斜磨齿只能________

10,锯切运动:得到一条______________,即________(1)切削厚度a:____________是(常数)(2)切削长度l:________(3)主运动速度:________(4)进给运动速度:________

(5)主运动与进给运动的关系:________________

11,带锯条的4个应力____________,____________ ____________,____________

12,硬质合金圆锯片上的特殊结构有________,________,________,________ 第五章钻削与钻头

1,钻削的种类:________和________

2,横纹钻削:________________________ 弦向钻削:____________________ 径向钻削:____________________ 图:

3,纵向钻削:________________________ 图:

4,钻削时,主运动和金给运动是________进行,刃口各点的相对运动轨迹为________________________

钻削时,主刃的运动后脚的计算:____________________ 当半径R____,运动后脚________ 第六章旋切与旋刀

1,旋切的主运动:___________,进给运动:________ 2,旋切工作后角的变化规律:(后角的变化与旋切的装刀高度有关)总结:

(1)________________________________(2)________________________________(3)________________________________ 3,压尺的种类:________,________,________ 第七章磨料与磨具

1,磨削加工在木材加工工业的用途?【问答题】

(1)____________________________(2)____________________________(3)____________________________(4)____________________________

2,磨具的磨料分为:________,________,_______ 3,磨具硬度(定义):________________________ 4,带式砂光机的功能:________,________ 5,影响磨削表面质量的因素?{看一下}(1)(2)(3)(4)(5)(6)

第四篇:超精密切削加工主要指金刚石刀具的超精密切削

超精密切削加工主要指金刚石刀具的超精密切削。超精密切削的工作机理:

普通的切削的切削深度一般远大于材料晶粒的尺寸,切削加工以数十计的晶粒团为加工单位,在切削力的作用下从基体上去除金属。而超精密加工的切削层很薄或尺寸很小,切削深度和进给量必然很小,特别是亚微米和纳米级的超精密切削,切削深度通常小于材料晶粒直径,使的切削只能在晶粒内部进行。

超精密切削时的切削力的特征为:切削力微小,单位切削力很大,切削力随着切削深度的减小而增大,而在切深很小时切削力却急剧上升。

超精密切削加工的特点与应用

(1)单位切削力大 实现纳米级的超精密加工的物理实质是切断材料的分子、原子间的结合,实现原子或者分子的去除,因此切削力必须超过晶体内部的分子、原子结合力。

(2)切削温度 由于超精密切削的切削用量极小以及金刚石刀具和工件材料具有的高导热性,因此超精密切削温度相当低。

(3)刀刃圆弧半径对最小切削厚度的限制 刀具刃口半径限制了其最小的切削厚度,刀具刃口越小,允许的最小切削厚度也越小。

超精密切削的应用 超精密加工主要用于加工软金属材料以及光学玻璃、大理石和碳素纤维板等非金属材料,主要加工对象是精度要求很高的镜面零件。(下图是超精密切削球面镜的加工原理图)

球面镜的加工原理 1-主轴;2-凹面镜;3-刀具轴

超精密磨削

超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法。超精密磨削去除量最薄,采用较小修整导程和吃刀量来修整砂轮,是靠超微细磨粒等高微刃磨削作用,并采用较小的磨削用量磨削。超精密磨削要求严格消除振动,并保证恒温及超净的工作环境。超精密磨削的光磨微细摩擦作用带有一定的研抛作用性质。

1.超精密砂轮磨削的磨削 超精密砂轮磨削机理:

(1)超微量切除 超精密磨削是一种极薄切削,切屑厚度极小,磨削深度可能小于晶粒的大小,磨削就在晶粒内进行,因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力,从而磨粒上所承受的切应力就急速地增加并变得非常大,可能接近被磨削材料的剪切强度的极限。同时,磨粒切削刃处受到高温和高压作用,要求磨粒材料有很高的高温强度和高温硬度(2)单颗粒磨削加工过程 砂轮中的磨粒分布是随机的,磨削时磨粒与工件的接触也是无规律的,超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用,同时还有滑擦作用。当刀刃锋利,有一定磨削深度时,微切削作用较强;如果刀刃不够锋利,或磨削深度太浅,磨粒切削刃不能切入工件,则产生塑性流动、弹性破坏以及滑擦。

超精密砂轮磨削特点及其应用

超精密砂轮磨削由于其微粉磨料的粒度很细,可以获得极低的表面粗糙度,加工表面无烧伤、裂纹和组织变化,是一种比较理想的微纳米加工方法。但是由于磨粒粒度很细,容屑空间小,磨屑容易堵塞,因此除了一般的休整外还要进行在线休整才能保证正常加工。

它可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料以及铜铝等有色金属及其合金类。

2.超精密砂带磨削技术

砂带磨削是砂带这一特殊形式的涂附磨具,借助于张紧机构使之张紧,和驱动轮使之高速运动,并在一定压力作用下,使砂带与工件表面接触以实现磨削加工的整个过程。

广义地讲,砂带磨削与砂轮磨削同样都是高速运动的“微刃切削刀具”磨粒的微量切削而形成的累积效应,因而其磨削机理大致上也是相同的。但由于砂带本身的构成特点和使用方式不同,使砂带磨削不论是在磨削加工机理方面,还是其综合磨削性能方面都有别于砂轮磨削,这主要表现在:

(1)砂轮磨削是刚性接触磨削,而砂带磨削则是弹性接触磨削,而且即使是在使用无弹性的钢制接触轮的情况时也是如此,因为组成砂带的基材、粘结剂都具有一定的弹性,更何况大多数情况下都采用有弹性的橡胶作接触轮。(2)正因为如此,砂带磨削除了具有砂轮同样的滑擦、耕犁和切削作用外,还有磨粒对工件表面的挤压作用,并使之产生塑性变形、冷硬层变化和表层撕裂,以及由于摩擦使接触点温度升高,而引起的热塑性流动等综合作用。所以,从这点来看,砂带磨削同时具有磨削、研磨和抛光的多重作用。而这也正是砂带磨削表面质量好的原因。

另一方面,由于砂带的这种弹性磨削特点,还使砂带在磨削区域内与工件接触的长度比砂轮大,同时参加磨削的磨粒数目多,单颗磨粒所受载荷小,且均匀,磨粒破损小。而使整个砂带的磨耗比(磨削材料去除量与砂带磨粒消耗量之比称为磨削比,而磨削比的倒数就称为磨耗比)比砂轮要小得多。3.电泳磨削技术

电泳磨削也是一种新的超精密及其纳米磨削级技术,它的磨削机理是利用超细磨粒的电泳特性,在加工过程中使磨粒在电场力的作用在向磨具表面移动,并且在磨具表面沉积形成一超细磨粒吸附层,利用磨粒吸附层对工件进行磨削加工,同时新的磨粒又不断补充。由于磨粒层表面凹陷处局部电流大,新的磨粒更容易在凹陷处沉积,从而使磨粒表面趋于均匀,同时,磨具每旋转一周磨粒层表面都有大量新磨粒的补充,使微刃始终保持锋利尖锐。

电泳磨削技术的特点与应用

在电泳磨削过程中,磨粒吸附层可以作为磨具用于脆性材料的精密磨削工艺;自进给电泳磨削实现微米级深度进给,而不依赖机床本身的进给精度。

第五篇:航空航天用钛合金的切削加工现状及发展趋势

航空航天用钛合金的切削加工现状及发展趋势

钛合金在航空航天工业和其他工业部门有着广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步和我国国民经济的快速发展,作为“崛起的第三代金属”钛工业必将大有作为。

航空航天用钛合金的特点及应用

作为航空航天领域不断兴起的材料,钛合金有以下优势[1-3]:

(1)比强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1176MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。

(2)高温性能优良。钛合金在高温下仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽。

(3)抗腐蚀性强。在550℃以下的空气中,钛表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,其耐蚀性优于大多数不锈钢。

在航空工业领域,钛合金主要用于制造喷气发动机的压气机盘、涡轮盘、叶片、机匣等,以及诸如大型主起落架支撑梁、机身后段及转向梁等结构件[4]。因钛合金具有比强度高和耐高温特点,用于制造飞机发动机和机体能够有效地提高发动机推重比和机体机构效率,有利于缓解热障现象[5]。近年来军用飞机上所用钛合金材料的比例正在不断增加[6],钛合金材料的应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。美国第四代战斗机的F-22 的机体主要承力材料大量采用钛64(Ti-6Al-4V),约占机身总质量的36%,钛62222 主要用于发动机周围蒙皮机构及发动机框架,约占机身总质量的3%[7]。在民用飞机方面,钛合金的应用也较为广泛。在波音777 上大约采用了11%的钛结构,其平面钛箔的用量将达到12247kg[8]。在航天工业领域,钛合金主要用于制造耐高温和低温零件[9]。如上海钢铁研究所的7715D 用于DFH-3 卫星的FY-25 型远地点发动机喷注器;俄罗斯的BT37 合金广泛应用于宇航工业形状复杂的低温管路系统。

航空航天用钛合金的切削加工现状

航空航天用钛合金零部件主要有两类。一类是复杂曲面,如叶轮、涡轮盘和叶片等,实际生产中采用多轴数控加工。图1 中采用多轴铣削加工的钛合金涡轮即为复杂曲面。另一类是薄壁框型件,如大型框、梁和壁板等多采用铣削加工。图2 中采用立铣加工的钛合金壁板是典型的薄壁框型件。上述两种工件的加工都必须从整块坯料中去除大量的材料,而钛合金的切削加工性较差,其工件的加工成本占工件总成本的比重很大。切削加工困难是导致钛合金零件价格高昂的重要因素。钛合金的切削加工性

钛合金是典型的难加工材料,其加工特性表现如下[10-11]:

(1)钛合金的导热性差,是不良导热体金属材料。切削加工时,切屑与前刀面的接触面积很小,特别容易引起薄壁件的热变形。

(2)钛合金弹性模量低,弹性变形大。切削时接近后刀面处工件的回弹量大,导致已加工表面与后刀面的接触面积特别大,造成加工件几何形状和精度差、表面粗糙度增大、刀具磨损增加。

(3)钛合金的亲和性大、切削温度高。切削时,钛屑及被切表层与刀具材料咬合,产生严重的粘刀现象,容易引起刀具强烈的粘结磨损。钛合金的高温化学活性强,在600℃以上时,与氧、氮产生间隙固溶。吸收气体后钛合金表面的硬度明显上升,对刀具有强烈的磨损作用。

目前,我国的钛合金切削加工效率还比较低,生产中应用最多的硬质合金刀具推荐的切削速度在30~50m/min,与国外相比还存在很大差距。目前的钛合金切削加工工艺

现有的钛合金切削加工方式主要是车削和铣削。钛合金车削加工时易获得较好的表面粗糙度,加工硬化不严重,但切削温度高,刀具磨损快。钛合金的铣削加工比车削加工困难。因为铣削是断续切削,并且切屑易与刀刃发生粘结,当粘屑的刀齿再次切入工件时,粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料,形成崩刃,极大地降低了刀具的耐用度。

在加工钛合金时,通常选择较小的前角,以增大切屑与前刀面的长度;选择较大的后角,以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。为了降低切削温度,通常选用较小的切削速度和较大的切深,并使用切削液。切削速度过小导致材料去除率低下,增加了钛合金加工成本;较大的切深导致切削力增大,影响钛合金工件尤其是薄壁件的质量;切削液的使用增加了加工成本,造成环境污染,不符合绿色切削的要求。

目前,我国的钛合金加工缺乏有效的工艺数据库支持。在具体工艺安排和切削用量选择上,往往凭经验和“试切”来确定工艺参数。此外,我国刀具和切削液的国产化程度还比较低,制约了钛合金切削加工水平的提高。

钛合金切削加工的发展趋势

随着航空工业的发展,钛合金将逐步取代铝合金,成为航空工业的主要材料。未来的钛合金切削加工将主要面向3 个方向:

(1)大幅提高单位时间内的材料去除量,实现高效加工;

(2)研发新型刀具,延长刀具使用寿命;

(3)减少切削液的使用,达到绿色切削。钛合金高速切削

高速切削能大幅提高钛合金加工效率,并保证零件加工质量。钛合金的高速槽铣和周铣实践证明,高速切削不仅能提高加工效率,还能有效提高被加工表面的质量[12-14]。

钛合金高速切削具有以下优势:

(1)温升少,工件热变形小。高速切削虽然产热量多,但由于切屑从工件上切离的速度快,90% 以上的切削热被切屑带走,传给工件的热量很小,工件积累热量极少,这对于减少钛合金热变形有重要意义。

(2)切削力低。切削速度高使得剪切变形区变窄,剪切角增大,变形系数减小和切屑流出速度快,从而使切削变形减小,切削力比常规切削力低30%~90%, 特别适合于加工刚性差的航空用钛合金薄壁件。

(3)材料切除率高,加工表面质量好。高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5~10 倍,这样单位时间内材料的切除量可提高3~5 倍。另外随着切削速度的提高,切屑可以被很快切离工件,故残留在工件表面上的应力很小。由于切削点温度的升高工件表面鳞刺的高度会显著降低甚至完全消失。

钛合金高速切削也面临着很多技术难题。高速导致加工表面温度急剧升高,由于钛合金导热性差,如不采取有效的降温措施,会使得钛合金和空气中元素发生化学反应,形成硬化层。高温烧蚀和切削力的增大造成刀具急剧磨损,使得加工不能持续。钛合金切削加工的高性能刀具

大量的研究结果[15-17] 表明:刀具的快速磨损是制约钛合金高速切削加工的最主要因素。因而,要想提高钛合金加工和应用水平,必须研发适用于钛合金的高性能刀具。刀具材料方面,应具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能和高的可靠性。

硬质合金刀具的价格相对低廉,是目前使用最多的钛合金切削刀具,常用刀具有YG6、YG8 等。但是在以往的研究和生产实践中,通常不采用YT 类刀具,因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲合,使得粘结磨损严重。但是对刀具磨损的研究表明,钛合金在低速铣削时的刀具磨损机理为粘结撕裂磨损,在高速铣削时以扩散磨损为主[18]。而含钛类刀具可有效抑制扩散磨损。因此,低速段使用的YG 类硬质合金刀具不适合钛合金高速切削,而YT 类刀具将是新的研究方向。

PCD 刀具的性能很适宜于加工钛合金[19] :(1)良好的导热性。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5~9倍。由于导热系数及热扩散率高,切削热容易从刀具散出,故切削区温度低,这对于克服钛合金导热性差的问题有重要意义。(2)较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍约为高速钢的1/10,在高温下,能够更好地保证钛合金工件的加工质量。(3)极高的硬度和耐磨性。金刚石刀具在加工高硬度材料时耐用度为硬质合金刀具10~100 倍甚至高达几百倍。使用金刚石刀具切削钛合金,能够有效延长刀具使用寿命。Mori 等[20] 采用新型PCD 刀具在高速切削钛合金时获得了较好的切削效果。但是Balkrishna Rao 等[21]的研究结果表明,金刚石刀具的磨损形式表现为剥落和沟槽磨损,不能实现高速切削。

在刀具结构方面,Komanduri 与Reed[22] 设计了一种可提高刀具寿命的新型刀夹,该刀夹可获得较大的刀具后角和负前角;Shuting Le 等[23] 研究了可转位刀具在高速车削Ti6Al4V钛合金过程中的应用状况,在高速切削状态下,可转位刀具的寿命比固定位刀具的寿命增长了37 倍。钛合金绿色切削

传统的钛合金切削使用大量的冷却液,增加了制造成本,造成了环境污染,还会损害工人的身体健康[24]。绿色切削可有效解决由切削液引起的各类问题。目前国内外对绿色加工的研究主要有绿色切削技术和绿色冷却技术。

绿色切削技术包括:干式切削、准干式切削、低温切削和绿色湿式切削[25-26]。

干式切削可完全消除使用切削液导致的一系列负面影响[25],由于摩擦使工件和刀具的温度升高,导致刀具磨损加快,工件产生残留应力,同时会使得刀具和工件发生热变形,表面质量降低,因而不适用于航空航天用钛合金的加工。准干式切削又称MQL(Minimal Quantity Lubrication)极微量润滑技术,它是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并雾化后,喷射到加工区,对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑。MQL 可以大大减少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之间的摩擦,起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用。使用的润滑液很少,而效果却十分显著,既提高了工效,又不会对环境造成污染,是钛合金切削加工的有效途径。低温切削能够提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量,非常适用于钛合金加工。林肯大学的Z.Y.Wang [27] 的研究结果表明,在超低温加工状态下,刀具材料能够保持良好的切削性能,提高了刀具寿命,保证了切削效率和加工质量。

绿色冷却技术是实现绿色加工的关键,主要包括:液氮冷却、蒸汽冷却、低温气体射流冷却以及喷雾射流冷却等。

液氮冷却采用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工,是目前主要的低温加工手段。低温气体射流冷却是采用-10~-100℃的冷风强烈冲刷加工区的一种冷却方式。试验证明,该方式可以显著均匀地降低加工区、刀具及工件的温度,有效地抑制刀具磨损,提高刀具耐用度,改善已加工表面的加工质量和提高零件加工精度[28-29]。由于液氮冷却切屑收集困难,纯气体冷却时刀具没有得到润滑等问题,制约了此种冷却方式的推广。有学者在此种方法基础上提出了钛合金低温喷雾射流冷却加工[30]。低温喷雾射流冷却加工兼备了低温、射流冲击、充分汽化和使用最绿色的空气等几个要素。

结束语

为了满足航空航天对于钛合金工件日益增长的需求,我国的钛合金切削加工必须有长足的进步。在基于国内的材料、机床和管理等条件基础上,进一步加强钛合金材料加工工艺路线的优化、加工参数的优选,提高加工效率和产品质量,是推动国内钛合金产业和航空航天工业的发展的重要因素。

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