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铝碳化硅批量加工新装置-超声波刀柄 成倍提高刀具寿命及光洁度

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发表于 2021-6-15 19:38:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
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铝基碳化硅是现代新型复合材料,具有许多优良特点,并且是电子封装专用材料,但是铝基碳化硅的显著缺点是加工难度高,成本昂贵,严重影响了它的应用情况。

铝碳化硅加工难点如下:

1.铝碳化硅是将高导热的金属铝和低热膨胀率的碳化硅组合而成,随着碳化硅增强相体积分数的增加,脆性和硬度也在显著增加;

2.铝碳化硅的曲面并不是简单的平面或者圆面,常规刀具无法完成加工,并且容易造成刀具严重磨损,减少刀具使用寿命;

3.铝碳化硅中的高硬度、高强度、强耐磨性的增强颗粒SiC的存在,造成铝碳化硅的二次加工难度非常大;

4.铝碳化硅对普通机床的损耗比较大、刀具磨损严重、表面粗糙度值大、加工精度无法达到要求,因此加工成本高、加工效率低,难以实现批量生产,铝碳化硅的应用也受到了一定程度的限制。

传统机械加工用的硬质合金刀具硬度一般在HV1700左右,虽然比铝基碳化硅低了很多,但好事可以用于铝基碳化硅的粗加工,要进行精加工的话,天然单晶金刚石刀具和人造多晶金刚石刀具是很好的选择,但是金刚石刀具也有缺陷,就是材料的韧性差,抗弯强度低,只有硬质合金的1/4左右,因此,金刚石刀具不能承受较大的振动,这是就对机床的刚性有所要求了。

针对近年来航空航天、汽车、3C等行业涉及到的难加工材料、蜂窝复合材料、软体材料、太阳能基体材料等加工难题,我公司研发并生产的超声波振动切削装置能改善零超声振动切削技术,是把超声波振动的力有规律地加在刀具上,使刀具周期性地切削和离开工件的加工技术,是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。主要包含超声ELID复合高效镜面磨削装备、空间椭圆超声超精密车削装备、超声频-低频复合振动钻削装备、齿轮齿根/齿面超声振动强化装备、超声系列刀柄及超声刀具等,实现难加工零件高品质加工。项目组持续二十余年围绕超声加工装备及其高效加工技术与应用开展研究,形成了一系列具有自主知识产权的原创性成果。

二、超声波振动切削原理

超声振动切削,是使刀具以 20-40KHz 的频率,沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削, 在一个振动周期中,刀具的有效切削时间很短,一个振动周期内绝大部分时间里刀具与工件切屑完全分离,刀具与工件切屑断续接触,切削热量大大减少,并且没有普通切削时的“让刀”现象。利用这种振动切削,在普通机床上就可以进行精密加工,圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差主要取决于机床主轴及导轨精度,最高可达到接近零误差,使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨成为可能。与高速硬切削相比,不需要过高的机床刚性,并且不破坏工件表面组织, 在曲线轮廓零件的精加工中,可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工,可以节约高昂的数控磨床购置费用。

超声波振动切削用于各种难以磨削而对表面质量及精度要求较高的零件的精加工,具有很大的优越性。超声波振动切削装置由超声波发生器、换能器、变幅杆及刀具等四部分组成,由超声波发生器发出的高频电讯号经换能器转化为高频机械振动,再由变幅杆将振动的振幅放大并施加到刀具上,一般将换能器与变幅杆组成的部件称为声学头。

三、 超声振动切削的优势特点(钻、铣、磨、车削)

1. 切削力小,约为普通刀具切削力的 1/3 — 1/10;

2. 加工精度高;

3. 切削温度低,工件保持室温状态;

4. 工件变形小,没有毛刺,能抑制刀具表面的附着物,不容易粘黏刀具;

5. 粗糙度低,可接近理论粗糙度值;

6. 被加工零件的“刚性化”,即与普通切削相比,相当于工件刚性提高;

7. 加工过程稳定,有效消除颤振;

8. 切削液的冷却,润滑作用提高;

9. 刀具耐用度呈几倍到几十倍提高;

10. 工件表面呈压应力状态,耐磨性、耐腐蚀性提高;

11. 切削后的工件表面呈彩虹效果。

四、超声振动切削的应用范围

(一)难切削材料的加工

不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料,由于力学、物理、化学等特性而难以加工,如采用超声振动切削则可化难为易。

(二)难加工零件的切削加工

如易弯曲变形的细长轴类零件、小径深孔、薄壁零件、薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件。

(三)高精度、高表面质量工件的切削加工

(四) 排屑、断屑比较困难的切削加工

五、加工案例

1)以加工7075铝合金材料为例:与普通加工相比,效率提高2~4倍,刀具寿命提高8~16倍,表面粗糙度可达2nm,切削力降低到1/15~1/30,温度降1/2,表面刀痕及黏结现象降低。

2)难加工材料在超声椭圆振动切削加工条件下的切削特性:采用超声椭圆振动加工技术,对高体分金属基复合材料等难加工材料进行加工研究,材料去除率提高2~4倍,效率提高2~4倍,刀具寿命提高8~16倍,表面粗糙度达到2nm,切削力降低到1/15~1/30,温度降1/2,表面刀痕及黏结现象降低。该项指标国内领先。
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