陶瓷加工 铣削

随着温度的升高,被加工金属会软化,使切削阻力减少并有助于切屑分离。但是,使用这种刀具系统要求编程员和操作者都必须重新考虑加工工艺,并应重视一些使用其它刀具时可能无须考虑的细节问题。袁根福选用厚度为3mm的95 %陶瓷片做了激光铣削实验,激光设备选用高能量、低重复频率、脉宽为毫秒级的激光加工系统,平均功率为300W的Nd : YAG脉冲激光器。等陶瓷材料因具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、高绝缘、无磁性、比重小、自润滑及热膨胀系数小等独特优点,在机械、化工、电子以及航空航天等一些科技领域中显示出巨大的应用需求和优势潜力。对这些因素如何影响刀具寿命的基本认识可以使金属切除率大不相同。陶瓷加工 铣削为了达到这一目标,必须开发先进的制造工艺技术和切削材料,使模具加工车间能始终处于竞争的优势地位。

图4 重复频率和激光输出能量与激光铣削量 图5 扫描速度和重复频率与铣削量的关系(脉宽0. 5ms ,扫描速度2mm/ s) (脉宽0. 5ms ,单脉冲能量1. 68J)从工艺参数对铣削质量的影响可以推断出为了达到陶瓷的加工质量要求,可以采取下列措施; 1) 小脉宽高脉冲峰值功率;2) 低脉冲频率充足的脉冲能量;3) 合适的扫描速度好的加工表面。陶瓷加工 铣削(1) 激光三维铣削温度场和热应力场的系统研究,建立工艺参数、铣削深度以及温度场之间关系的数学模型,通过对温度场以及热应力场的模拟调整工艺参数以便更好地控制铣削深度:(2) 激光铣削的工艺需进一步实验研究及应用探索,需有效控制激光铣削过程中熔体喷溅和变质层问题,尽可能地降低表面粗糙度;(3) 激光铣削工艺参数对铣削质量和铣削深度的影响规律,特别是如何降低铣削面粗糙度,实现硬脆性材料三维成形的无缺陷和高质量加工。使用圆形刀片的铣刀也同样适用这一原则。可以利用Nd : YAG脉冲激光进行激光铣削,实质是利用光斑部分重叠的单脉冲形成的密集孔群,一层层剥离材料而达到成形目的,采用合适的 CO连续激光也能达到铣削效果。然而在铣削过程中,由于无法避免的熔融物质的重凝和熔渣对表面的覆盖,制约了表面质量的提高,并且表面重铸层以及形成的裂纹等问题得不到很好的解决。图1 为脉冲激光铣削重叠光斑示意图。

陶瓷加工 铣削由于晶须增强陶瓷刀片的切削刃强度高,因此刀片只需采用很小的负倒棱(0.002″~0.004″)即可实现对难加工材料的硬铣削。由于激光铣削技术避免了与工件的机械力作用, 相对传统的加工方法有很大优势。对于大多数陶瓷刀片,都需要采取一些保护切削刃的措施,例如采用负倒棱(通常称为“T形棱带”)加上对刃口进行轻微钝化(0.0005″~0.001″)。磨料水射流铣削陶瓷材料加工技术研究--《山东大学》2007年博士论文#实验研究了磨料水射流铣削陶瓷材料时的性能,研究了铣削加工参数对铣削体积去除率和铣削深度的影响,建立了磨料水射流铣削体积去除率和铣削深度与水射流压力、靶距、喷嘴横移速度和横向进给量的经验预测模型,该模型可预测和控制材料去除率和铣削深度。图1 激光铣削重叠光斑示意图 图2 激光铣削立体剖面示意图2 激光三维铣削深度的数学模型激光三维铣削是通过控制聚焦光束来移除材料,如铣刀一样。如切屑太薄,正好作用于刀片薄弱的切削刃部位,容易造成刀片早期失效。

陶瓷加工 铣削使用陶瓷刀片降低加工成本使用陶瓷刀片硬铣削能以多种途径帮助模具加工车间降低生产成本。(1)整体硬质合金立铣刀通常需要经过精密磨削和涂层处理,其价格相当昂贵。硬铣削刀具的选择模具车间通常使用三种类型的铣削刀具:整体硬质合金立、可转位硬质合金刀片以及开发的可转位陶瓷刀片。进给率以及对实际切屑厚度的影响也与刀片的切削刃直接相关。硬铣削时提高生产率的另一个关键因素是刀具的刀齿密度。然而,这并不意味着用陶瓷刀片进行硬铣削时必须配备具有50马力和进处理器的新型高速加工,用陶瓷刀片铣削淬硬材料所需的速度并未超过现代模具制造车间大多数机床的加工速度范围。

以更少的成本获得更高的生产力意味着模具车间能够生产出更多的产品,这是一件好事。利用激光对硬脆性材料进行铣削是一个比较新的研究领域,目前主要还是集中在二维成形上,虽然已有学者提出陶瓷材料的三维铣削并做了初步的理论探讨和试验研究,但是由于条件的限制等原因,目前的研究结果还比较粗糙,存在诸多问题,需要进行深入研究。假设采用Nd : YAG脉冲激光器在试样上铣削出一个长度为 L 、宽度为 W 的矩形槽, 单脉冲形成的孔径为 d , 深度为h ,并近似认为激光形成的孔是无锥度圆柱体, 根据文献可) tan 式中 E为激光输出单脉冲能量( J) ; L是材料的汽化能( J/ cm) ; Lm 是材料的熔化热比能( J/ cm) ; Q 为激光进入材料的发散角(°) 。实际上,晶须增强陶瓷刀片能在高于硬质合金刀片熔点的温度下正常工作。这是因为电流直接影响了激光脉冲能量和脉冲峰值功率,脉冲峰值功率进一步影响了脉宽,通过实验发现脉宽一般在2μs4μs 范围较优。陶瓷加工 铣削铣削氧化铝时的铣削深度为0.2~2mm,铣削氮化硅时的深度小于0.1mm,并且随着水射流压力、靶距和磨料流量的增加,铣削深度增加;随着喷嘴横移速度和横向进给量的增加,铣削深度减小,因此要得到较大的铣削深度,可采用较高的水射流压力、大的磨料流量、较大的靶距、小的横向进给量和低的喷嘴横移速度。

实验中每进行一层铣削后,去除变质朱银波等:激光三维铣削在陶瓷成形加工中的应用研究 《激光》2009 年第30 卷第6 期 LASER JOURNAL(Vol . 30. No. 6. 2009)层,在相同参数条件下,进行下一层加工。图6 (a) 显示了激光车削Si3N4 陶瓷后的螺纹形状,此外还可以利用激光进行三维切割,图6(b) 显示了Al陶瓷激光切割后的齿轮形状。陶瓷加工 铣削高速铣刀是基于陶瓷刀片铣削速度下的安全性和再现性来开发的。采用这种方法,还可使进给率比原编程进给率提高20%~40%,获得的金属切除率也将数倍于硬质合金立铣刀。(2)进给率程序设定的每齿进给量与实际形成的切屑厚度之间的差异受到多种因素的影响,在编制淬硬零件的加工程序之前,考虑到这些因素是很重要的。当切削深度和(或)宽度小于可接受的水平时,产生的切屑厚度不足以带走切削过程产生的所有热量。

结果表明,在本实验条件下,铣削氧化铝时的铣削体积去除率为0.405~4.463mm~3/s,铣削氮化硅时的体积去除率为0.095~0.177mm~3/s,并且随着水射流压力、靶距和磨料流量的增加,材料的体积去除率增加;随喷嘴横移速度、横向进给量和材料硬度的增加,材料去除率减小,因此要得到高的材料去除率,可采用较高的水射流压力、较大的靶距和磨料流量、较小的横向进给量和较低的喷嘴横移速度。刀具上每增加一个刀齿都会增大交叉进给率。而那些不能被薄切屑吸收的热量总得有个去处,它将传入工件、刀片、刀体以及中。当铣削材料以及焦平面与铣削表面的距离确定后, 铣削深度仅与激光辐射的能量有关。陶瓷加工 铣削通过实验可以分析出过程参数对铣削深度的影响,为了更好的研究铣削深度和过程参数之间的关系,需要建立一个激光铣削深度的理论数学模型。考虑到所有这些因素,可以发现切削参数的微小变化能够造成令人惊讶的生产率变化。

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