高速数控切割中心刀具

高速数控切割中心刀具

立铣刀

高速 切割工具 是高速数控加工技术的关键。刀具技术是实现高速数控切削的关键技术之一。不合适的刀具将使复杂、昂贵的机床或加工系统完全失效。由于高速切削的切削速度很高,而高速加工线速度主要受刀具的限制,因为在目前机床所能达到的高速范围内,转速越高,刀具的磨损就越快。

因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求。高速切削刀具除应具备普通刀具材料的一些基本性能外,还应要求具有较高的耐热性、抗热震性、良好的高温力学性能和较高的可靠性。目前,常用的高速切削刀具材料有聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、涂层刀具、超细晶粒硬质合金等刀具材料。

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金刚石刀具材料。金刚石铣刀具有硬度高、抗压强度高、导热性好、耐磨损等特点,在高速切削时能达到较高的加工精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石价格昂贵,加工和焊接困难,除少数特殊用途外,很少用作切削刀具。近年来,开发了多种化学机理磨削金刚石刀具方法和保护气体钎焊金刚石技术,使天然金刚石刀具的制造工艺更加简单。因此,天然金刚石在超精密镜面切削这一高科技应用领域占有重要的地位。

立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼(CBN)是一种硬度仅次于金刚石的超硬材料。CBN的硬度虽然比金刚石低,但其氧化温度高达1360℃,与铁磁性材料的亲和力较低,因此特别适合于加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。PCBN刀具是能满足先进切削要求的主要刀具材料,是硬切削、高速切削和干切削的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金及表面喷涂材料。国外汽车制造业就采用PCBN刀具切削铸铁材料。

立铣刀

陶瓷刀具。与硬质合金相比,陶瓷材料具有较高的硬度、红硬性和耐磨性。因此,在加工钢时,陶瓷刀具的耐用度是硬质合金刀具的10~20倍,其红硬性比硬质合金高2~6倍。另外,它的化学稳定性和抗氧化能力也优于硬质合金。陶瓷刀具材料强度低、韧性差,限制了它的应用和推广,而超细粉体技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有前途的高速切削刀具,已受到世界各国的重视。在德国,加工铸件的工序中约有70%是用陶瓷刀具完成的,日本每年消耗的陶瓷刀已占刀具总数的8%~10%。

涂层刀具。涂层材料的发展从最初的单一涂层,经历了复合涂层、多元复合涂层的发展阶段。现已开发出TiN/NbN、TiN/CN等多元复合薄膜材料,大大提高了刀具涂层的性能。在硬质涂层材料中,TiN技术最成熟,应用最为广泛。

硬质合金刀具材料。细颗粒(1~0.5um)和超细颗粒(<0.5um)硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发,使硬质合金的抗弯强度大大提高,可代替高速钢制造数量大、范围广的小型钻头、立铣刀、丝锥等通用刀具,其切削速度和刀具寿命远远超过高速钢。在大多数原来使用高速钢刀具的应用领域,使用整体硬质合金刀具可显著提高切削效率。细颗粒硬质合金的另一个优点是刀具刃口锋利,特别适合于粘性、韧性材料的高速切削。

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在高速切削时,刀体结构和刀片夹紧结构要承受很大的离心力。为了保持刀具有足够的夹紧力,刀具结构设计应充分考虑高速切削加工的特殊性,刀体材料要轻,考虑刀具的动平衡,刀具刀片的夹紧要可靠。加工中心等N(机床多年来一直使用7:24实体锥柄刀具系统。这种实体锥柄有以下缺点:由于仅靠锥面连接,刀柄与主轴之间的连接刚度较低,特别是当主轴转速超过10,000r/min时,连接刚度的不足更为明显。

当采用ATC(自动换刀)方式安装刀具时,重复定位精度低,难以实现高精度加工;当主轴高速旋转时,在离心力的作用下,主轴前端会产生膨胀,容易导致主轴与刀架锥面脱离,造成径向跳动急剧增加(最大可达15μm),从而降低刀架接触刚度,易发生安全事故。

因此,传统的长锥度刀柄不适用于高速切削。为了解决这个问题,开发了利用锥面和主轴端面同时定位的双定位刀柄。该类刀柄采用锥面定心,机床主轴端面紧贴刀柄法兰端面。该类刀柄安装时重复定位精度高(轴向重复定位精度可达0.001mm),在高速旋转产生的离心力作用下,刀柄会被牢牢锁紧,其径向跳动不超过5μm,在整个转速范围内都能保持较高的静、动刚性。因此,该类刀柄特别适用于高速切削。

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刀具监测技术对于高速切削的安全十分重要。刀具监测技术主要包括通过监测切削力来控制刀具磨损;通过监测机床功率间接获取刀具磨损信息;监测刀具破损(断裂)等。目前,国内外对高速切削刀具监测技术的研究、开发和应用还不够。由于声发射信号对刀具载荷敏感,利用声发射来监测高速切削中的刀具状态和刀具磨损,取得了良好的效果。此外,还利用数码相机和专用夹具对高速切削刀具的磨损进行研究。

随着先进制造技术、材料技术和纳米技术的发展,新型多元、复合、纳米级硬质涂层及CVD金刚石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂层刀具等将得到广泛应用,高速切削刀具体系将日趋完善,成为推动高速数控切削的重要组成部分。

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