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    精雕機鉆頭正確使用

    直徑小于3.175mm的精雕機鉆頭,通常稱為微鉆。要使微鉆在使用中發揮比較有效率,必須考慮一系列因素:如鉆頭本身的各項要素、加工參數、孔深、安裝的完善性及工件的結構等。要把這些相互影響又對鉆削過程十分敏感的因素處理好,需要有科學的創新精神。

      “在很多場合,使用微鉆你得邊琢磨邊干?!北M管目前工具制造商已經在微鉆的材料和幾何參數方面完成了很多開發,不需要每件事都從頭試驗,但是要把鉆削過程中諸多因素都加以很好控制,仍然不是一項簡單的工作。

      微鉆的長徑比顯著加大

      眾所周知,鉆頭的長度和直徑之比越大,其彎曲傾向增加。減小長徑比,可以減小撓曲力,從而避免鉆頭折斷和孔徑誤差加大。較深的孔要求鉆頭有較大的長徑比。通??咨畛^3倍直徑就是“深孔”,而微鉆的孔深一般都要超過這個限度。

      如直徑為3.175mm的鉆頭加工孔深31.75mm的孔,長徑比達10:1;而直徑為0.508mm的鉆頭加工孔深25.4mm的孔,其長徑比達到50:1。所以,隨著鉆頭直徑減小和脆性的增加,撓曲便成為產生很多問題的根源。而控制鉆頭的脆性,就要在刀具基體的硬度和韌性之間加以權衡。

      一般說來,高速鋼鉆頭容許有一定的撓度并能承受相應的彎曲力,但是,高速鋼具有的這種彈性變形能力和較低的硬度,也使其耐磨性降低,從而限制了刀具的壽命。

      而硬質合金則具有高剛性和高硬度,所以能使刀具壽命較長、加工精度較高。

      硬質合金的高耐磨性使其制成微鉆后速度達到高速鋼的3倍,且壽命也能提高;同時,硬質合金的高剛性有助于正確定位和保持孔的尺寸。然而,硬質合金也不是萬能的,剛性高會使其容易崩裂。

      用M35鈷高速鋼做微型鉆頭,可以在硬質合金和普通高速鋼(M2、M7)之間取得較好的折衷。切削時在孔中產生熱,加上刀具的輾壓,使切削刃變鈍,并劃出溝道,比較終導致工具損壞。而較高的含鈷量,使M35的抗熱性增加,并能較長時間保持刀刃鋒利。

      此外,硬質合金鉆頭需要仔細地安裝和使用,精確的同心度特別重要,因為不同心造成的側向負荷會導致鉆頭崩裂。

      應盡量在鉆頭旋轉的機床(如加工中心)上使用微鉆,他指出,加工中心的主軸能給予鉆頭正確的中心線定位,而車床上工件的偏心會導致鉆頭撓曲。因此,假如在車床上使用微鉆,則必須把每個影響同心度的因素事先調整好,特別對硬質合金鉆頭更要注意,因其不能適應彎曲變形。

      假如在車床上使用微鉆,比較好把刀具轉塔的安裝孔重新鏜一刀,并且使用可調式鏜孔刀夾,以便把鉆頭和工件的同心度調至比較佳狀態。要把刀夾的跳動降至比較小限度。為此,應首選熱縮性刀夾,其次是液壓刀夾。要求刀夾套筒端面處的比較大跳動值在0.005~0.0076mm范圍內。

      消除初始定心誤差

      任何鉆頭工作時,開始幾轉至關重要。因為開始切削時,鉆頭承受偏心力。此外,工件表面的不規則形狀會引起橫向滑步,導致刀具彎曲、折斷,或者至少是增大孔的偏差。

      對于直徑3mm以下的鉆頭,建議先用剛性好的定心鉆打一個深度為1~2倍直徑的初始孔。定心鉆的鉆尖頂角應等于或大于比較終鉆孔的微鉆頂角。若定心鉆的頂角較小,則隨后微鉆切入時,兩切削刃比頂尖先接觸工件,容易引起崩刃。

      如果不用定心鉆,則可采用這樣的方法:使微鉆開始切入時的進給量遠低于隨后的正常進給量。例如鉆頭直徑1.613mm,孔深12.7mm,正常進給量規定為0.0508mm/r,開始用0.0127mm/r的進給量推進0.254mm,也可推進到刃帶開始接觸工件,然后再轉為正常進給。這種辦法同樣可防止鉆頭滑步。

      微鉆使用中的另一挑戰是要盡量提高轉速,以發揮生產潛力,但就比較大轉速規范而言,鉆頭往往走在機床的前面。有的機床在其比較高轉速下運行,仍未達到微鉆的比較佳切削速度。例如直徑為1mm的鉆頭,切削速度達到91.44m/min,要求機床主軸轉速達到28000r/min。

      被加工材料的硬度,對于確定微鉆切削速度和進給量的初始推薦值有很大影響。例如,用直徑為1.32mm的整體硬質合金鉆頭加工1018低碳鋼(20HRC)時,其切削速度選用91.44m/min,進給量選用0.038mm/r。但是該鉆頭加工塑料和合成材料時,切削速度可達198.12m/min,進給量達0.127mm/r。加工難加工材料(如鎳基合金、鈦合金)時,切削速度僅為15.24~18.29m/min,進給量僅為0.0305mm/r。

      分步鉆孔序列

      通常,鉆削微型深孔采用分步鉆孔序列,即周期性退出鉆頭,以便折斷切屑,防止堵塞。分步鉆孔也有助于防止在孔底持續擠壓,這一點在加工冷作硬化材料時尤為重要。一般認為分步切削就得把鉆頭完全退出來,其實不然。若采用中斷進給(幾轉或短時),同樣可以斷屑。另外,完全退出鉆頭還易產生喇叭口以及將部分切屑留在孔內,所以不得不對其再切削。這些情況都是不希望出現的。

      許多問題往往發生在鉆孔深度的比較后20%這一段內,這是因為隨著孔的逐漸加深、切屑排出十分困難的原因所致。具體的解決辦法因工件及材料的狀況而異。應用工程師應按具體情況確定分步切削方案。

      談到加工線路板的微鉆,雖然從鉆頭材質和直徑大小來看,同設計用于加工韌性材料的微鉆十分相似,但是,兩者的切削幾何參數卻有很大差異。

      雖然經過仔細安裝調試,線路板鉆頭也可用于加工較硬的材料,有些線路板鉆頭制成所謂“階梯式柄部?!崩?,一支直徑為0.1524mm的鉆頭,鉆削孔深為1.524mm,槽全長也制成1.524mm,但鉆頭工作部分直徑不直接從槽尾連接到直徑3.175mm的柄部,而是通過一個0.762mm中間直徑加以過渡。 鉆削韌性材料時,鉆頭伸出長度應盡量短,所以加一段過渡直徑的結構是不可取的。

      從幾何參數的角度來看,線路板鉆頭通常采用較大的螺旋角,溝槽截面尺寸也較其它微鉆薄。而對于加工不銹鋼和其它難加工材料的微鉆,則采用較小的螺旋角和較厚的溝槽截面尺寸。他還指出,為了減小微鉆上的應力,制成倒錐——直徑向柄部方向減小——是十分必要的。倒錐量一般為0.005~0.127mm。因為鉆頭槽長常小于25.4mm,所以每25.4mm長度上的倒錐通常為0.0127~0.0254mm。只要鉆孔有深度,就需要倒錐度。特別是對鈦合金等加工中出現“回縮”的材料,若沒有適當的倒錐度,鉆頭將被膠結在孔里。

      內冷卻效果好

      實踐證明,采用內冷卻鉆頭對提高深孔加工的生產率十分有效。它的優點不僅在于把切削液直接送到鉆尖處,起冷卻作用,而且還能發揮強制排屑和幫助斷屑的作用。在孔深大于3倍直徑時,采用內冷卻鉆頭加工時其效果更為明顯,但迄今為止,內冷卻鉆頭往往限于直徑3mm以上的鉆頭。

      正確使用HPC(高壓冷卻)系統,能極大地提高生產率。他回顧一家用戶的實際例子:鉆頭直徑1.397mm,孔深13.335mm,工件材料為302不銹鋼。以往采用常規冷卻(壓力為4個大氣壓),采用鈷高速鋼鉆頭,轉速為1600r/min,單件工時42秒,鉆頭壽命175件。后來采用雙鉆頭加工新工藝:首先,采用三菱公司的MZE型整體硬質合金定心鉆,無冷卻,轉速為6000r/min,進給量0.0254mm/r,定心孔深2.54mm。第二步,采用三菱公司MZS型內冷卻微鉆,轉速9000rpm,進給量0.0203mm/r,分步切削步長1.397mm,冷卻液壓力達102個大氣壓。兩支鉆頭的單件加工工時合計為16.5秒(節省工時60%),刀具壽命增加到875件。獲得如此巨大的好處,代價僅為每個零件刀具費用提高3.3%。

      直徑1mm至3mm的微鉆,冷卻壓力至少達到68個大氣壓,隨鉆頭上的兩個微小冷卻孔尺寸而變。冷卻孔比較小直徑為0.1524mm,用于直徑比較小的鉆頭。為了確保充分的冷卻液流量,必須保證有足夠的壓力。對于大尺寸鉆頭,內冷卻孔直徑達到1.524mm,在68個大氣壓下,其冷卻液流量達16.4升/分,而在同樣壓力下,用微鉆鉆削時的冷卻液流量僅為1.89升/分。建議:冷卻系統應能濾掉尺寸小至5微米的質點;使用的精密過濾套,不論采用內密封還是外密封,應能在68個大氣壓保持密封。并建議采用水溶性冷卻液,帶EP類添加劑,如硫、氯等。由于油的粘度為水的8~10倍,所以不宜采用。

      內冷卻微鉆系列(比較小直徑1mm),增加了鉆芯增量,這有助于保證鉆頭強度。內冷卻螺旋孔貫穿鉆體,位置可貼近槽的前部或背部。

      小螺旋角內冷卻鉆頭,因為它有助于切屑排出孔外,內冷卻鉆頭應能大大減少分步切削次數,在加工冷作硬化型材料如304或316號不銹鋼時尤其重要。

      小孔帶來大挑戰

      現有的鉆削數據,通常都用于鉆頭旋轉的場合,定心是決竅,必須使機床處于良好狀態,主軸徑向跳動要小于0.0025mm;內冷卻微鉆的主要優點是可提高刀具壽命和切削速度。與不用冷卻液的硬質合金鉆頭相比,內冷卻鉆頭的刀具壽命提高到3倍,切削速度提高30%,具體隨工件材料而異。

      對于長期應用微鉆的場合,對整個切削系統的每一個要素加以優化則顯得格外重要。

      對于小批量生產,可使用價格低廉的標準工具。但對于特定產品的大批量生產,生產車間應對整個工序流程進行分析和優化。

      對于某種特定的工件材料,采用專用的鉆頭、鉆尖幾何參數、槽長、螺旋角以及柄部的直徑和長度,可以獲得比較佳的使用效果。若再對使用鉆頭的機床進行認真分析,將會使生產率進一步提高。

      實踐證明,要想提高生產率,就得花時間、金錢,加上積極工作。不花費力氣,不會有收獲。



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