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难加工材料的应用刀具的选择


   随着刀具技术的发展和新型刀具材料的出现,金属切削技术也在不断提高,各种切削技术相继用于加工不锈钢、钛合金、淬硬钢等难加工材料。目前,难加工材料的切削效率还很低,如何有效提高难加工材料的切削效率,降低加工成本,是当前制造业亟待解决的问题之一。
  
  难加工材料的应用及切削加工性
  
  1难加工材料的应用
  
  随着航空航天、石油、化工、兵器及原子能等工业的蓬勃发展,各种难加工材料也得到广泛的应用,其中以不锈钢、钛合金、淬硬钢等材料最具代表性。不锈钢材料的应用领域涉及各行各业。从汽车工业到水工业,从建筑与结构业到环保工业与工业设施等领域,不锈钢材料的需求日益上升,其中以在汽车工业中的应用最为迅速。钛合金分为α型、α+β型、β型,其中α类钛合金多用于发动机压气机盘与叶片以及其他工作温度低于540℃的转动部件,也可用于发动机安装架、散热系统等的机架;β类钛合金多用于飞机的起落架;α+β类钛合金在工业上的应用最多,如TC4、TC11等分别用在发动机前轴颈、盘件、叶片和前机匣等关键结构件上。淬硬钢是典型的耐磨结构材料,广泛用于轴承、汽车、模具等工业领域,多用来制造各种对硬度和耐磨性要求高的零件。随着对难加工材料需求的日益增加,如何对这些材料进行高效切削加工是迫切需要解决的问题[1-3]。
  
  难加工材料的切削加工性
  
  切削加工性是指工件材料切削加工的难易程度。而材料的切削加工性是一个相对的概念,因为它不仅和材料本身有关,而且随切削加工条件和加工要求的不同而变化[4]。难加工材料之所以难以加工就是因为其相对切削性太差,如高硬度和高强度、高塑性和高韧性、低导热性、低塑性、高脆性、化学性能过于活泼等特点造成切削过程中切削力大、切削温度高、切屑难于控制、加工硬化严重和刀具耐用度低等问题。不锈钢材料加工硬化性大,在切削过程中,被加工材料会产生塑性变形;不锈钢的导热率低,切削加工时切屑带走热量少,切削点的温度上升,导致刀具寿命变短;同时,不锈钢亲和性大,易使刀尖产生积屑瘤和后刀面产生附着物,从而使被加工表面精度下降。钛合金的切削加工性表现为:密度小、导热性差、切削加工时切削热不易扩散,导致刀具寿命很短。钛合金的亲和力大;具有高的化学活性,易与相接触的金属亲和,导致粘结、扩散加剧、刀具磨损;钛合金弹性模量低、弹性变形大,会使已加工表面与后刀面的接触面积大,磨损严重。淬硬钢材料的主要特点是硬度、强度高,塑性、导热性差。在切削过程中,切屑与前刀面接触长度短,因此切削力和切削温度集中在切削刃附近,易使刀具磨损和崩刃。为了克服这些难加工材料的加工难点,就需要选择正确的刀具材料。由于不同材料的成份和性能各异,切削加工性也不同。因此,只有掌握它们的特殊性,才能找出与之相匹配的刀具材料来完成对其的切削加工[5-7]。
  
  刀具材料的选择
  
  1切削难加工材料时对刀具材料性能的要求
  
  刀具材料和工件材料的力学、物理和化学性能必须得到合理的匹配,切削过程才能正常进行,并获得较长的刀具寿命。否则,刀具就可能会急剧磨损,刀具寿命就会缩短[7]。这样就要求在选择刀具材料时,不仅要考虑刀具材料的常温力学性能,还应考虑其高温性能,防止工件与刀具材料中的化学元素发生化学作用或扩散作用从而造成刀具的扩散磨损。
  
  难加工材料在切削加工中,通常出现的刀具磨损包括如下2种形态:(1)由于机械作用而出现的磨损;(2)由于热及化学作用而出现的磨损,以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等[5]。切削难加工材料时,由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素,通常在很短时间内就会出现上述刀具磨损。
  
  根据难加工材料的切削特点,同时考虑其切削的特殊性,选择刀具材料时应考虑以下性能:(1)高的硬度和耐磨性;(2)高的耐热性;(3)足够的强度和韧性。除此之外,对于难加工材料的切削还应该特别注意以下2点:一是要避免因刀具材料和工件材料之间某些元素的亲和作用致使刀具磨损加剧;二是要根据刀具材料、工件材料及其他切削条件选择最佳切削速度。例如,陶瓷和立方氮化硼刀具切削时要求切削速度高,如果在较低的速度下切削,其耐用度并不比高速钢刀具好。因此,各种刀具材料的优越性只有在相应的速度范围内才能充分显示出来[4]。
  
  2常用刀具材料的切削性能
  
  绝大部分刀具材料中都含有碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。这些化合物都具有高硬度、高熔点、高弹性模量,这正是刀具材料所需要的性质[7]。例如,硬质合金的硬质相主要为WC和TiC;陶瓷的基体材料常用Al2O3和Si3N4,再加入碳化物、其他氧化物和氮化物,甚至硼化物;立方氮化硼则是一种非金属的氮化物[8-9]。因此,在现代切削加工中,常用的刀具材料为高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。

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