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铝基碳化硅加工高质量发展关键PCD金刚

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随着近年来我国大力发展航空航天技术,也因此铝基碳化硅复合材料的应用也被重视起来,国内知名超硬刀具品牌-华菱超硬是首家制定铣削碳化硅复合材料半标准化的刀具厂家。

碳化硅(SiCp/Al含量20%)铝基复合材料中的SiC颗粒硬度大约在HV。且SiC颗粒含量越高,材料就会更硬且容易变脆,机加工的难度则会增加。用一般传统的机械加工方法很容易使铝合金基体局部熔化,生成积屑瘤,并且使刀具磨损钝化,造成粗糙度下降,相应的形位公差也就很难保证。传统机械加工用的硬质合金硬度一般在HV左右,虽然硬度较之SiC颗粒硬度低很多,但是粗加工铝基碳化硅还是勉强可行,但要对铝基碳化硅复合材料进行精加工切削就十分困难了。

零件的坯件,是采用碳化硅(SiCp/Al含量20%以下)铝基碳化硅复合材料(下面就简称铝基碳化硅)熔模精铸制造的。坯件表面较为粗糙,碳化硅硬质点分布不太均匀,切削时会引起振动影响加工中对尺寸的有效控制,并且摩擦热对刀具的损伤影响较大。因此,粗加工常选用耐磨性优良、耐热性良好、硬度与韧性均较好的超硬细颗粒合金刀具,精加工选用天然单晶金刚石刀具和人造多晶金刚石刀具(PCD刀具)因天然金刚石成本较高,材料韧性较差、抗弯强度较低。因此更多的采用PCD刀具来精加工铝基碳化硅材料。这里推荐华菱超硬CDW材质PCD刀具,该款材质刀具经过多次验证已完全可符合客户加工精度等要求。

PCD刀具是在HTHP高温高压下将金刚石微分聚合而成的多晶体材料,它消除了单晶金刚石的各向异性。虽然PCD复合刀具在硬度上(HV~)稍逊于天然单晶金刚石刀具,但抗弯强度要高于其7~14倍左右,而且其价格也只有天然金刚石刀具的几十甚至几百分之一。也因此,铝基碳化硅复合材料的精加工选用PCD刀具无论从技术角度还是从经济角度出发都十分合适。

因为铝基碳化硅材料的脆硬特性,刀具材质的选择是刀具本身的寿命、机械加工效率、生产成本以及工件加工质量的决定性因素。刀具切削时承受高温、高压、机械磨损以及冲击等影响,因此在加工铝基碳化硅过程中,刀具应具有如下几种特点才适合加工铝基碳化硅材料:

高硬度和高耐磨性:刀具材料硬度必须高于工件材料硬度,刀具材料越硬,耐磨性也越好。目前PCD刀具是加工非金属材料硬度最高的刀具,如CDW材质硬度HV,加工HV的体积分数为50%铝基碳化硅完全没有问题。

高强度和韧性:加工过程中,刀具必须要有较好的强度以及韧性,以便承受切削力和冲击载荷。PCD刀具的抗压强度优于高速钢、硬质合金等刀具。

高耐热性和良好的散热性:刀具材料应有较高的耐热性,承受高的切削温度,且高温下不被氧化。CDW材质PCD刀具的导热系数为W/mk,是硬质合金的1.5-9倍,甚至高于PCBN和铜。同时热膨胀系数仅为0.9×10-6~1.18×10-6,仅相当于硬质合金的1/5。

较好的工艺性和经济性:刀具材料应有较好的加工性能和较高的性价比,PCD刀具属于人造金刚石,成本低,经济性好,同时可制作成不同结构的刀具,如CDW材质PCD铣刀,PCD钻头,PCD铰刀,PCD车刀、PCD槽刀等。

PCD刀具作为人造金刚石,最硬的切削刀具,相比硬质合金刀具,PCD刀具具备更长的刀具使用寿命,保证铝基碳化硅零件较高的表面质量和尺寸精度。同时CDW材质、CDW材质等PCD刀具在加工铝基碳化硅零件过程中也要考虑机床的因素,要选择机床刚性较好的机床,才能更好地满足铝基碳化硅的加工要求。




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