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生產(chǎn)管理

復合材料的切削加工與實(shí)例

發(fā)布時(shí)間:2019/6/6
  一、復合材料的鉆削加工
  復合材料有別予金屬,若用鉆金屬的刀具在復合材料上鉆孔,那么就會(huì )使鉆孔質(zhì)量很差,同時(shí)也會(huì )使刀具磨損過(guò)快。需要使用經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的刀具來(lái)解決因材料的摩擦而使鉆頭在分層材料上入孔和出孔時(shí)造成的材料脫層現象。
  圖4、圖5為肯納飛碩金屬有限公司開(kāi)發(fā)的一種復合材料鉆孔刀具。應用該鉆頭在碳素纖維強化聚合物復合材料上鉆300個(gè)孔(鉆穿)以后才開(kāi)始產(chǎn)生毛刺和脫層現象,而其他的PCD鉆頭在鉆150個(gè)孔后就會(huì )產(chǎn)生毛刺和脫層現象。
  
  圖4 SPF鉆 圖5 SPF鉆對碳素纖維強化聚合物復合材料的加工
  由于碳素纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復合物的抗拉強度在1500~3000MPa之間,密度在1.5~2.0g/cm3之間。而鋼的抗張強度在1200~1500MPa之問(wèn),密度為8.0lg/cm3;鋁抗張強度600MPa,密度為2.769/cm3。在選用刀具材料時(shí),應選用含鈷較低的工具,既可以抗磨損,又可以增加工具的硬度和抵抗切割切削中產(chǎn)生的高溫。含鈷較低的工具降低了韌性,在復合材料上鉆孔時(shí)不需要過(guò)高的韌性,因為它不像在金屬上鉆孔那樣需要產(chǎn)生太大的鉆孔鉆削力度。金屬切割切削工具中的鍍層涂層很普遍,但是復合材料的切割切削刀具就不需要這樣。碳化物硬質(zhì)合金的質(zhì)量和刃磨質(zhì)量,可使鉆頭獲得最佳的使用壽命。
  對于加工難度較大的復合材料鉆孔,可采用122m/rain的切酎速度以確保鉆孔出口的完整性;對于容易切削材料,為提高生產(chǎn)效率,可采用137m/min的切削速度和最高0.lmm的進(jìn)鉆速度。被加工材料需要的壓力大于111N時(shí),切削速度和進(jìn)鉆速度均應降低。
  二、復合材料的切削加工實(shí)例
  ①切削玻璃鋼時(shí),原用YG6X硬質(zhì)合金刀具切削,c:30m/min,切削對間為6min,刀具因磨損嚴重而不能切削。改用國產(chǎn)PCD刀具后,口。=109m/min,切削時(shí)間為169min,刀具的后刀面只磨損了0.2mm。
  ②車(chē)削填充Si02的聚四氟乙烯時(shí),用PCD刀具切削路程為70000m,后刀面只磨損了0.17mm,加工精度為IT5,表面粗糙度Ra為0.8~0.4um。而用813硬質(zhì)合金,只車(chē)削了360m,后刀面嚴重磨損,影響車(chē)削質(zhì)量。PCD刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具耐用度的194倍。
  ③車(chē)削酚醛纖維制的軸承座時(shí),用硬質(zhì)合金車(chē)刀只能車(chē)削1000件,而且質(zhì)量得不到保證。用PCD車(chē)刀則能加工12000件,工件精度完全達到要求。
  ④加工玻璃纖維增強塑料時(shí),用PCD刀具,在條件下,刀具耐用度是硬質(zhì)合金刀具的150倍。
  ⑤車(chē)削Si02填充環(huán)氧樹(shù)脂的零件端面時(shí),用硬質(zhì)合金車(chē)刀只能加工210個(gè),而用PCD刀具,則能加工3000個(gè)。
  用PCD刀具切削碳纖維增強復合材料時(shí),切屑呈粉狀,切削溫度較低,切削路程為硬質(zhì)合金刀具的10倍,可是刀片磨損卻不到硬質(zhì)合金的1/3。
  ⑥在玻璃鋼材料上車(chē)螺紋,容易出現起皮、掉渣、崩牙等現象。這是由于玻璃鋼的抗劈強度遠遠小于它的抗拉強度和抗壓強度。如3230酚醛層壓玻璃布板的抗拉強度為98MPa,而它的抗劈強度只有12.7MPa。所以玻璃鋼在切削過(guò)程中,應在避免受劈的情況下進(jìn)行切削,這樣可以避免上述不良現象的產(chǎn)生。這就要求要合理選擇車(chē)削玻璃鋼螺紋刀具的幾何參數和切削用量。
  圖6(a)所示為負刃傾角月牙洼型正前角螺紋車(chē)刀;圖6(b)所示為負刃傾角負前角螺紋車(chē)刀。這兩種刀具車(chē)玻璃鋼螺紋,效果都好。它們的共同特點(diǎn)是,都采用了負的刃傾角,這樣就改變了切削分力的大小與方向,對防止螺紋的缺陷十分有利。通過(guò)實(shí)踐證明,如果采用大于0度的刃傾角,螺紋的車(chē)削質(zhì)量就比較差。
  用硬質(zhì)合金車(chē)刀車(chē)削玻璃鋼螺紋的切削速度為20~80m/min,對玻璃布纏繞的管材螺紋的切削速度以20~35m/min為好,切削深度一般為0.1~0.5mm。
  ⑦SiC顆粒增強鋁基復合材料超精密車(chē)削。使用天然金剛石刀具(SCD)對顆粒平均尺寸S=7jum的15%(體積分數)SiCp/2024A1復合材料進(jìn)行端面車(chē)削加工。機床轉速,2固定為1000r/min,每轉進(jìn)給量,和切削深度口。分別在1~10/,m/r和1~20btm內變化。
  切削深度口,對加工表面粗糙Ra的影響較小,當從1um增大到10um時(shí),Ra增加幅度僅為10.23%。故實(shí)際生產(chǎn)時(shí),盡可能采用較大的切削深度以提高生產(chǎn)效率。但切深增大時(shí),切削力和切削溫度也增大,刀具磨損率也增大,同時(shí)過(guò)大的切削深度會(huì )造成切削不平穩,從而對加工表面質(zhì)量不利。
  刀具每轉進(jìn)給量廠(chǎng)對加工表面粗糙度的影響顯著(zhù)。當廠(chǎng)從lum/r增大到10/lm/r時(shí), Ra增船幅度達182.16%(對直線(xiàn)刃SCD刀具而言)。隨進(jìn)給量的增大,刀具與工件相對振動(dòng)明顯加劇,且加工表面由于SiC顆粒拔出、破碎而留下的坑洞、微裂紋、基體材料撕裂等缺陷也明顯增多。上述這些因素導致加工表面粗糙度值隨進(jìn)給量的增加而顯著(zhù)增大。實(shí)際生產(chǎn)中,宜采用盡量小的進(jìn)給量,這樣不但能容易獲得良好的加工表面,還能降低切削力、切削溫度以及增加切削平穩性。但進(jìn)給量越小,切削層厚度越薄,加工表面與后刀面間的摩擦越嚴重,粉末狀切屑對后刀面的研磨作用越強,從而刀具磨損率就越大。在很小的進(jìn)給量下(小于0.2mm/r)切削時(shí),金剛石刀具發(fā)生了不正常的越度密損。這種現象的出現可能是因為金剛石刀具發(fā)生了擴散磨粒磨損。工程實(shí)際選擇進(jìn)給量時(shí),應綜合考慮刀具費用、生產(chǎn)率和加工表面質(zhì)量。
  增加楓床轉速刀,Ra有所減小,但,l對Ra的影響遠沒(méi)有進(jìn)給量,顯著(zhù)。對SiCp/A1復合材料,表面質(zhì)量和表面粗糙度在很大程度上受SiC顆粒去除機制的影響,而SiC顆粒的切斷和拔出機制又決定于基體材料應變率,即由切削時(shí)SiC顆粒周?chē)牧系乃苄宰冃螞Q定。一般來(lái)說(shuō),當主軸轉速增大,基體材料應變率增大,鋁基體難于(來(lái)不及)變形,在這種情況下,SiC顆粒就傾向于被切斷而不是被拔出,從而產(chǎn)生的凹坑和裂紋減少,表面粗糙度也較好。
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