目前日期文章:201110 (3)

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為滿足人骨的要求,應使用高度耐腐蝕和耐磨損的鈦合金、不銹鋼和特殊合金,這對於目前現有的刀具進行有效加工提出了極大的挑戰。

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  山特維克可樂滿創新的切削刀具可以將公差控制在微米範圍內,並將各個零件的成本降到最低。

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  通過優化耐磨性和切屑控制進行精密接骨螺釘的加工,只需單次走刀便可將原材料輕鬆加工為最終的成品零件。

  適用圓形刀片對髖關節進行球面車削是我們為促進醫療行業發展所提出的一個概念。目前,它可用於直徑小至20mm的零件加工,並適用于多種應用領域,可使生產效率翻番並降低1/3的刀具成本。

  山特維克可樂滿為提升現在乃至將來的醫療品質開啟了一扇創新之門!

 

資料來源: 專家知道  金屬加工在線   2011-10-28

 

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對於模具製造商來說,高效而經濟地加工零件是對其生產能力的永恆要求。在粗加工中,為了去除大量金屬材料,過去車間遵循的傳統常識是基於其金屬切除率的大小來選擇刀具,這將導致選用切除率盡可能最大的刀具來開始粗加工,然後工件尺寸逐漸減小,直至達到要求的形狀和光潔度。粗銑加工通常採用球頭立銑刀或紐扣銑刀。然而,這種加工方法可能會產生很大的應力,因此需要採用剛性極好的加工中心、牢固的夾具和具有良好韌性的切削刀具。

 

  插銑已成為能快速去除金屬材料的另一種深受歡迎的加工方法。插銑的切削力沿軸向傳入主軸,而不是沿徑向作用於刀具,徑向切削力可能會造成刀具撓曲,從而降低加工精度和縮短刀具壽命。然而,插銑存在的一個問題是,刀具轉位到每一個新位置,都要不斷進入和退出凹腔。

  大進給銑削基本原理        

  如今,隨著更多加工車間具備了高速數控加工能力和掌握了複雜的CAM編程技術,大進給銑削(HFM)正成為在最短時間內去除盡可能多工件材料的一種可選方法。大進給銑削主要是為提高金屬切除率,以提高生產率和縮短加工時間而開發的一種粗加工方法。大進給銑削採用較小的切削深度(通常不超過2mm),產生較薄的切屑,這些切屑能從切削刃上帶走大量切削熱。大進給銑削的每齒進給量通常可高達常規銑削的5倍。這種銑削方式可減少產生的切削熱,從而延長刀具壽命,並提供更高的金屬切除率——超過1,000cm3/每分鐘,比傳統銑削方式快1-2倍。

  大進給銑削具有這些優點的原因是採用了小的安裝角(45°或更小),從而使徑向切削力最小化、軸向切削力最大化。與插銑類似,切削力沿軸向傳入機床主軸,從而降低了振動的風險,使加工更為平穩。反過來,這又使得即便在大懸伸加工時,也可以採用更大的切削用量。而且,與插銑不同的是,大進給銑削時,刀具始終處於吃刀狀態。

  大進給銑削能縮短加工時間的另一個原因是可以減少工序數量。由於採用小切深的大進給粗銑加工能夠加工出接近成品要求形狀的近淨外形,因此常常可以省略半精加工工序,從而簡化數控編程。另外,大進給銑削加工不需要增加機床的轉速。

  大進給銑削入門

  為了實現大進給銑削加工,用戶需要對整個加工系統進行評估。首先,要求機床具有高速CNC加工控制功能、很高的主軸精度和防止主軸膨脹的熱穩定性。其次,要求CAM軟體程式能夠處理刀具路徑平滑策略——如轉角圓整和採用螺旋切削路徑。平滑的刀具路徑通過小吃刀量加工,使刀具能平緩地對工件進行分層切削,而刀具的螺旋進給運動可以減小切削衝擊、能源消耗和切削力。

  此外,大進給銑削所用的切削刀片也至關重要。這些刀片的切削部位較厚、圓弧半徑較大、幾何結構強度較高。這就意味著,可以採用很高的切削速度,同時仍然能保證加工的可靠性與安全性。對於大部分大進給銑削而言,應首選三角形刀片而不是圓刀片,理由是其主切削力位於切削刃的底部。當然,在有些情況下也可以選用方形刀片,但必須採用較小的安裝角。一般來說,在穩定的切削條件下用大功率機床進行大進給重載粗銑加工時,或在臥式銑床上加工時,需要採用方形刀片,這樣可使排屑更為有效。但在立式銑床或功率較小、轉速較高的機床上加工時,三角形刀片是一種安全的選擇,並且它具有優異的排屑能力。

  大進給銑削的應用

  (1)端面銑削

  大進給銑削方法非常適合端面銑削加工(尤其是大批量加工),它可以為後續加工或最終精加工奠定良好的基礎。在大部分大進給銑削加工中,通常都能夠達到非常高的尺寸精度,以至於只需再進行最終精加工即可。由於這種加工涉及的工件毛坯較大,因此使用最多的是大直徑銑刀。這就意味著,需要使用刀體上帶有刀夾、安裝三角形刀片的刀具。大進給面銑也很適合加工大部分軟材料。

  大進給銑削方式可用于高效銑削型腔,特別適合模具加工。刀具的選擇和其他切削參數的確定主要取決於被加工材料、被加工零件的尺寸和剛度。在對粗糙表面進行仿形銑削時,採用大進給銑削方法也非常實用。

  (2)螺旋插補銑削

  在螺旋插補銑削中,大進給銑削方法對於大直徑孔的加工也是非常適宜的解決方案——它可以省略預加工或鑽預孔。大進給銑刀可實現與工件壁截面的接觸最小化。其優點是,與具有90°安裝角的傳統銑刀相比,大進給銑刀的加工過程更穩定。

  大進給加工銑刀還可以用於插銑加工。它們特別適合加工難切削材料(如鈦合金和其他輕質合金)。大進給銑削同樣適合用於大懸伸加工。它可以減小振動風險,延長刀具壽命。但是,在刀具懸伸長度大於3倍直徑的加工中,應避免使用方型刀片。不過,用大進給銑刀進行插銑加工依賴于正常的進給率與較大的切削深度相結合。

  儘管大進給銑削並不是一種萬能的解決方案,但在實現高金屬切除率、充分利用當今機床的全部加工能力和延長刀具壽命方面,它確實是一種非常不錯的加工方法。

資料來源:金屬加工在線

 

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高速鋼(HSS, High SpeedSteel)是我進入刀具行業時接觸最多的一類刀具材料。那時最常見的被稱為“ㄙ18”(ㄙ的發音為拼音“si”),其來源應該是來自前蘇聯。




後來知道,我們當時所用的高速鋼應被稱為“普通高速鋼”,還有比它性能更好的,如從合金成分上要明顯優於它的鋁高速鋼,鈷高速鋼(HSS-Co)等,或從冶煉方法上要明顯優於它的粉末冶金高速鋼(PM-HSS,PowderMetallurgy High SpeedSteel);當然也有比它性能更低一些的所謂“低合金高速鋼”。



現在有些人對“高速鋼”這個名字有些不解,因為它的速度比起眼下正在流行的硬質合金來要低許多。但就高速鋼誕生的時候,它的速度的確比原有的刀具材料高很多。



在大約1900年前後,當美國機械工程師泰勒(F•WTaylor)和冶金工程師懷特(M•White)發明它時,人們普遍用來切削的刀具是合金工具鋼。

1900年由美國匹茲堡伯利恒鋼鐵公司生產的W18Cr4V(即ㄙ18,又稱T1,18-4-1,現國際標準代號為18-0-1)高速鋼在巴黎博覽會上的公開演示,成為高速鋼發展史上第一個無可置疑的里程碑。十年後的1910年,一位英國人這樣寫道:“在1900年巴黎博覽會上,一些工程師看到了一部高速運轉的車床,上面裝有一個工具,正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍色碎片,工程師們意識到他們親眼見證了工具鋼和機床方面的一個革命的開始。”



高速鋼的發明使切削中碳鋼的速度提高到大約30m/min。拿一個直徑65mm,長度1000mm的45鋼工件來說,原來的加工時間需要100分鐘,而應用高速鋼只需要約25分鐘。因此,人們對它的速度驚歎不已,稱其為“高速鋼”。W18Cr4V作為一個經典的高速鋼牌號,一直延續使用至今。只是由於鎢資源的缺乏,以及高鎢高速鋼在熱成形工藝性方面的一些不足,在近20年裏,它的統治地位才逐漸被W6Mo5Cr4V2(即M2)所取代。



高速鋼刀具材料主要由兩種基本成分構成:一種是金屬碳化物(碳化鎢、碳化鉬或碳化釩),它賦予刀具較好的耐磨性;二是分佈在周圍的鋼基體,它使刀具具有較好的韌性和吸收衝擊、防止碎裂的能力。

碳化鎢(WC)在大幅度提高高速鋼的切削速度方面的貢獻是決定性的,我個人的看法,是這一發現對於以後硬質合金的發明也具有奠基石的作用。如今我們大量使用的鎢基硬質合金,其主要的硬質相(對刀具硬度、耐磨性其決定作用的成分)依然是碳化鎢。



高速鋼後來又被稱為“風鋼”。我在30年前進入上海工具廠時,絕大多數的工人師傅都是這麼稱呼高速鋼的。在學習有關熱處理的知識時,老師告訴我,其他許多鋼材在進行淬火時,當材料被加熱到完全奧氏體的相變溫度以後,必須放入水或其他介質中急速冷卻以得到堅硬的“馬氏體”組織,如果冷卻速度慢了(例如在空氣中冷卻),就會變成較軟的珠光體、滲碳體等組織,硬度就會比較低;而高速鋼在加熱到“奧氏體”組織後即使在空氣中冷卻,也會得到“馬氏體”組織,即高速鋼能夠在“風”中淬硬,它“風鋼”的名稱由此而來。



實踐發現高速鋼的晶粒大小對高速鋼的性能產生著巨大的影響。在網站上曾經發過一份資料,是《W18Cr4V鋼奧氏體晶粒度參考圖》,其中號碼數字較大的高速鋼(如11號)比號碼數位較小的(如8.5號)的性能優越許多。有資料稱,製備普通高速鋼時,是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄模,使其緩慢冷卻凝固。此時,金屬碳化物從溶液中析出,並形成較大的團塊。高速鋼中添加的合金含量越多,碳化物團塊就越大。達到某一臨界點時,可形成尺寸極大的碳化物團塊(直徑可達40μm)。出現大的碳化物團塊的臨界點根據鋼錠的尺寸以及其他因素而略有不同,但一般是在碳化釩含量達到約4%時發生。通過對鋼錠進行鍛造、軋製等後續加工,可以粉碎其中一部分碳化物團塊,但不可能將其完全消除。雖然增加鋼材中金屬碳化物顆粒的數量可以改善材料的耐磨性,但隨著合金含量的增加,碳化物的尺寸及團塊數量也會隨之增加,這對於鋼材的韌性會產生極其不利的影響,因為大的碳化物團快可能成為產生裂紋的起始點。因此,國外很早就開展研究,追求高速鋼的細晶粒化。



20世紀60年代後期,粉末冶金高速鋼製造工藝在瑞典開發成功,並於70年代初期進入市場。該工藝可在高速鋼中加入較多合金元素而不會損害材料的強韌性或易磨性,從而可製成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削衝擊、適合高切除率加工和斷續切削加工的刀具。粉末冶金高速鋼的製備工藝與普通高速鋼的製備工藝不同,熔化的鋼水不是直接注入鑄模,而是通過一個小噴嘴將其吹入氮氣流中進行霧化,噴出的霧狀鋼水迅速冷卻為細小的鋼粒(直徑小於1μm)。由於鋼水溶液中的碳化物在快速冷卻過程中來不及沉澱和形成團快,因此獲得的鋼粒中碳化物顆粒細小且分佈均勻。將這些鋼粉過篩後置入一個鋼桶中,並將鋼粉中間的空氣抽淨形成真空狀態,然後在高溫、高壓下將鋼桶中的鋼粉壓制成型,即可得到緻密度為100%的粉末冶金高速鋼毛坯。這一製備工藝被稱為熱等靜壓 (hotisostaticpressing,HIPing)成型。然後可對毛坯進行鍛造、軋製等後續加工。利用熱等靜壓成型工藝製備的粉末冶金高速鋼中的碳化物顆粒非常細小,而且不管其合金含量為多少,這些碳化物顆粒都可均勻分佈於整個高速鋼基體中。



採用粉末冶金高速鋼製備工藝,鋼材生產商可以充分增加鋼中的金屬碳化物含量,而不會對材料的韌性或易磨性造成有害影響。雖然一些偏愛粉末冶金高速鋼的人喜歡將其譽為高速鋼與整體硬質合金的“混血兒”,但實際上它只是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和細化的鋼基體粒子結構的高速鋼。不過,它確實將高速鋼良好的韌性與硬質合金的高耐磨性很好地結合於一身。由於粉末冶金高速鋼中碳化物顆粒細小且分佈均勻,因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比,其強韌性大大提高。憑藉這一優勢,粉末冶金高速鋼刀具非常適合用於切削衝擊大和金屬切除率高的加工場合(如撓曲切削、斷續切削等)。此外,由於粉末冶金高速鋼的強韌性不會因金屬碳化物含量的增加而削弱,因此鋼材生產商可以在鋼中添加大量合金元素,以提高刀具材料的性能。



同時,由於鎢(W)資源屬於戰略性資源,現代的硬質合金又比較大量地使用鎢資源,低鎢高速鋼成為高速鋼研發的一個方向。科學家們發現了鉬(Mo)可以作為鎢的良好的替代品。研究發現,在高速鋼中一份鉬可以與兩份鎢的作用基本相當,因此開發出高速鋼的另一個經典牌號W6Mo5Cr4V2(即美國牌號M2,中國又有許多人將其簡稱為6-5-4-2,國際標準代號為6-5-2)。在中國使用M2高速鋼的過程中,許多人認識到其熱成形工藝性要比經典的 W18Cr4V(也稱為18-4-1)更好。我在上海工具廠工作時,該廠長期生產軋製直柄麻花鑽和扭制錐柄麻花鑽。我發現在熱成形時6-5-4-2的廢品率要遠遠低於18-4-1。因此,他們在生產熱成形鑽頭時基本上都使用6-5-4-2。但在其他產品上還有許多使用18-4-1,因為當時18-4-1似乎價格更低一些。

國外大量發展的是含鈷高速鋼(HSS-Co),後來國際上統一認定含鈷量在2%以上的含鈷高速鋼為高性能高速鋼(HSSE)。鈷對於提高高速鋼的性能的作用也是明顯的,它能促使碳化物在淬火加熱時更多地溶解在基體內,利用高的基體硬度來提高耐磨性。這種高速鋼硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好。國際上常規的鈷高速鋼的含鈷量通常是5%和8%。例如W2Mo9Cr4VCo8(美國牌號M42),其特點為含釩量不高(1%),含鈷量高(8%),熱處理硬度可達 67-70HRC,但也有採取特殊熱處理方法,得到67-68HRC硬度,使其切削性能(特別是間斷切削)得到改善,提高衝擊韌性。鈷高速鋼可製成各種刀具,用於切削難加工材料效果很好,又因其磨削性能好,可製成複雜刀具,國際上用得很普遍。但中國鈷資源缺乏,鈷高速鋼價格昂貴,約為普通高速鋼的5-8 倍。


因此,中國發展了鋁高速鋼。鋁高速鋼的牌號為 W6Mo5Cr4V2Al(又稱501鋼)、W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W10Mo4Cr4VAl(又稱5F6鋼)等,主要加入鋁(Al)和矽 (Si)、鈮(Nb)元素,來提高熱硬性、耐磨性。適合中國資源情況,價格較低。熱處理硬度可達到68HRC,熱硬性也不錯。但是這種鋼易氧化及脫碳,可塑性、可磨性稍差,仍需改進。國內鋁高速鋼的工藝沒有得到普遍的解決,似乎只有原貴陽工具廠(現應屬於西南工具總廠)能夠批量生產鋁高速鋼刀具(主要是銑刀)。但目前似乎在國際上,並不認為鋁高速鋼可以作為高性能高速鋼,因為沒有證據表明,它在各方面可以與鈷高速鋼相提並論——雖然在個別領域上可以。

來源:全球數控刀具網


刀具材料的高速鋼應用

2011-10-13

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