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PCD刀具切削SAE327硅鋁合金

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發(fā)表于 2008-11-14 17:08:08 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
1 SAE327的材料特點(diǎn)和切削難點(diǎn)
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SAE327為鑄造硅鋁合金,是制冷壓縮機(jī)連桿的主要材料。主要元素含量Si7~8.6%。Cu1~2%,Mg0.25%~0.6%,Mn0.5%~0.8%。抗拉強(qiáng)度>230MPa,硬度110~130HB,延伸率>1%。其晶格由高塑性的Al和高脆性的初晶Si組成。切削加工時(shí),Al的塑性大,熔點(diǎn)低,易在工件表面與刀尖接觸處產(chǎn)生積屑瘤,隨后與破碎的初晶Si一起使工件部分表皮剝落,形成刀痕,使工件表面粗糙度變差。同時(shí)由于高硬度的Si含量較高,刀具也容易磨損。目前對(duì)壓縮機(jī)效率值COP的要求不斷提高,為減少往復(fù)式活塞壓縮機(jī)內(nèi)摩擦并降低輸入功率值,連桿孔與曲軸間需要保證極小的摩擦系數(shù)和很高的表面接觸率,要求圓度≤2µm,表面粗糙度≤Ra0.4,尺寸精度≤2µm,使用傳統(tǒng)切削辦法很難達(dá)到如此高的要求,因而在壓縮機(jī)零件中一直是較為難加工的鋁合金材料。
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2 PCD的基本特點(diǎn)及高速干切削技術(shù) / F% H" ^/ s" j$ J- y
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隨著聚晶金剛石(PCD)刀具技術(shù)和高速切削技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)SAE327的切削性能,我們使用PCD刀具對(duì)連桿孔進(jìn)行高速干式鏜削,較好地解決了問(wèn)題。PCD材質(zhì)穩(wěn)定,使用性能可以預(yù)測(cè),故比天然金剛石更合適于作為切削刀具。PCD具有目前最高的硬度和耐磨性,具有非常鋒利的刀刃,有很好的導(dǎo)熱性,線膨脹系數(shù)很小,摩擦系數(shù)也小。但其主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低,脆性大,抗沖擊能力差。因此一般不用于斷續(xù)切削和重負(fù)荷切削。采用PCD刀具加工鋁合金時(shí),由于金剛石硬度高,表面與金屬親和力小,且刀具一般拋光成鏡面,不易產(chǎn)生積屑瘤,加工尺寸穩(wěn)定性以及表面質(zhì)量都很好。在Ra0.02~0.32µm的條件下,可獲得5~7級(jí)精度。
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) ^$ E% g. g- r; a' B) E& r鋁合金傳熱系數(shù)高,線膨脹系數(shù)大,在加工過(guò)程中會(huì)大量吸收切削熱,使工件發(fā)生熱變形,而且鋁合金硬度和熔點(diǎn)都較低,因此加工過(guò)程中切屑容易與刀具發(fā)生“膠焊”或粘連,形成積屑瘤,這都是傳統(tǒng)鋁合金干切削中遇到的最大難題。解決的最好辦法是采用高速干切。高速切削中,95%的熱量都傳給了切屑,切屑在與前刀面接觸的界面上會(huì)被局部熔化,形成一層極薄的液態(tài)膜,因而切屑很容易在瞬間被切離工件,大大減少切削力和產(chǎn)生積屑瘤,而且工件基本可以保持常溫。既可以提高生產(chǎn)率,又改善了表面質(zhì)量。 8 p  ?. O* F! O; Y6 U3 o  s- N- u, A
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3 PCD鏜刀加工SAE327的切削性能 & ]& g  L/ S4 a, D, }

. p9 s' u" c* d/ J5 f. f我們使用PCD刀具對(duì)SAE327進(jìn)行高速干鏜孔,經(jīng)過(guò)反復(fù)切削試驗(yàn)對(duì)其工藝進(jìn)行摸索和總結(jié)。加工連桿孔的情況基本如下:同一只鏜刀中,硬質(zhì)合金刀頭用于粗加工,PCD刀片精加工,單邊余量為0.05mm(見(jiàn)圖1)。連桿組件大孔中間兩邊有0.5mm的縫隙(見(jiàn)圖2),孔表面中間有f5mm 油孔,由于加工表面非連續(xù),應(yīng)屬于斷續(xù)切削。無(wú)切削液的干切,有壓縮空氣噴射清除切屑。
' V8 Q1 U7 t! x5 P5 Z1) 切削速度的影響 ' y2 b# O) }. a

, h0 K, z0 q% J) q7 `' H切削試驗(yàn)表明,PCD切削速度與SAE327孔表面粗糙度關(guān)系很大(見(jiàn)圖3)。在實(shí)際生產(chǎn)中,為保證較低的表面粗糙度,可以采用較高的切削速度。但切削速度達(dá)到一定程度之后,由于高速條件下系統(tǒng)剛性和平衡性問(wèn)題,表面粗糙度不但無(wú)法再繼續(xù)下降,反而略有升高,而且機(jī)床功率要增加很多。所以一般情況下經(jīng)濟(jì)切削速度維持在140~180m/min 之間即可,追求過(guò)高的切削速度是沒(méi)有必要的。 0 ^, L' T" G/ z5 |3 n
2) 進(jìn)給速度的影響
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9 s. x. X/ R) M9 o0 a/ b& O試驗(yàn)表明,PCD進(jìn)給速度與SAE327孔表面粗糙度之間有一定的關(guān)系(見(jiàn)圖4)。為綜合保證較低的表面粗糙度和較高的生產(chǎn)率,選擇合適的進(jìn)給速度是重要的,應(yīng)避開(kāi)粗糙度為最高點(diǎn)時(shí)的進(jìn)給速度。合適的進(jìn)給速度也與PCD的刀具角度和刀尖型式有關(guān)。
: G6 S  c' D+ M; _, o3) 刀具幾何型式的影響
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針對(duì)PCD的脆性缺點(diǎn),而且我們加工剖分式連桿,孔中間有一定的縫隙,因此刀刃的幾何參數(shù)應(yīng)該盡量考慮減小崩刃的可能。一般刀尖頂刃形式分為小圓弧、大圓弧、直線形、多邊形折線。切削實(shí)際表明:頂刃小圓弧的擠光作用對(duì)表面粗糙度的下降是有益的。雖然此時(shí)PCD刀尖不鋒利,但切削效果卻比鋒利時(shí)還要好些。此時(shí)粗糙度由原來(lái)的Ra0.3~0.33µm降低到Ra0.15~0.18µm,這對(duì)提高連桿與曲軸之間的表面接觸率,減少摩擦是有利的。精切SAE327時(shí),可選擇PCD鏜刀的前角g00°,后角a010°~15°,主偏角kr=50°~70°,刃傾角ls=0°。安裝時(shí)鏜刀頭安裝孔對(duì)鏜刀桿中心可以有偏心以保證實(shí)際切削的前角更大些。 8 C; P/ I4 w  q* }$ E

$ Y! @1 q; z+ q4) 刀具與機(jī)床系統(tǒng)
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PCD高速切削系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng),除了PCD刀具自身外,仍需要注意切削系統(tǒng)的其它部分。機(jī)床主軸與刀具的接口是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),它直接影響加工精度的穩(wěn)定性。我們將連桿鏜床鏜刀柄與機(jī)床主軸的接口采用HSK32C。其主要優(yōu)點(diǎn)是:采用錐面與端面過(guò)定位的結(jié)合形式,能有效地提高結(jié)合剛度;具有良好的高速性能;1:10錐度與7:24錐度相比較短,楔形效果好,故有較強(qiáng)的抗扭能力,且能抑制因振動(dòng)產(chǎn)生的微量位移,這一點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)剛性非常重要。
3 n, {2 D, _- J2 z) m+ t生產(chǎn)事實(shí)證明,使用HSK刀柄具有較高的重復(fù)安裝精度,對(duì)于提高離機(jī)對(duì)刀與上機(jī)后的一致性和增加刀具與主軸的配合剛性,其作用是關(guān)鍵的。同時(shí)為提高刀具系統(tǒng)的剛性,在滿足容屑和排屑的情況下,盡量使刀桿直徑與被加工孔直徑接近。
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我們對(duì)連桿精鏜床進(jìn)行了主軸的改進(jìn),配置徑向和軸向液體靜壓軸承,剛度高,承載能力強(qiáng),阻尼特性好,切削試驗(yàn)表明:配置靜壓軸承效果是很好的,提高靜壓壓力對(duì)加工出較高的表面質(zhì)量是有利的。最終確定使用高壓齒輪泵供油,壓力高達(dá)4.5MPa,主軸近端徑向跳動(dòng)<0.5&micro;m,加工出連桿孔圓度<1.5&micro;m。加工孔表面高圓度的主要原因是靜壓軸承高剛度油膜對(duì)軸徑圓度誤差的均化作用。滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)精度很難超過(guò)其滾道自身的圓度,且受滾動(dòng)軸承制造和裝配精度的限制,目前即使使用配置精密主軸滾動(dòng)軸承的鏜床大批量穩(wěn)定地加工出表面圓度小于3~4&micro;m仍是比較困難的。
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7 b" f# J, B6 }/ h5 W  B4 工藝系統(tǒng)中需要注意的其它問(wèn)題
: P. ?- v% B) p; O; y. G. J
9 ]  {! K# v; v. K" w" N# j防止高速切削振動(dòng):對(duì)高速回轉(zhuǎn)的鏜刀進(jìn)行動(dòng)平衡。減少高速旋轉(zhuǎn)時(shí)由于刀具不平衡量造成的離心力振動(dòng),對(duì)提高工件表面質(zhì)量是必要的,切削實(shí)際表明:經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡的PCD鏜刀系統(tǒng)與不經(jīng)平衡的刀具系統(tǒng)相比,表面粗糙度下降Ra9,1~0,5mm,并有效減少了表面波紋度。
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# |* j- |& ]/ D+ H; i, o7 E在實(shí)際加工中,連桿孔表面有時(shí)出現(xiàn)波紋。表面波紋度是介于形狀誤差和粗糙度之間的一種中間狀態(tài),目前還無(wú)標(biāo)準(zhǔn)明確判定。產(chǎn)生的主要原因是加工系統(tǒng)的微振動(dòng)。在高速切削中,由于系統(tǒng)剛性不足造成的往往是表面波紋。除刀具本身結(jié)構(gòu)剛度和平衡性影響之外,其中結(jié)合面之間的接觸剛度是主要原因。除了主軸HSK接口外,試驗(yàn)表明:使用組合可調(diào)節(jié)式鏜刀比較容易出現(xiàn)波紋,而使用整體式鏜刀出現(xiàn)的此類情況較少。如要避免表面波紋,應(yīng)盡量避免采用模塊組合式鏜刀。一般組合鏜刀雖然微調(diào)節(jié)方便,但由于制造精度限制及不能預(yù)緊,在高速加工時(shí)會(huì)發(fā)生由于結(jié)合面之間接觸剛度不足造成的顫振,影響表面質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響尺寸精度,對(duì)大批量生產(chǎn)非常不利。整體式刀具在這點(diǎn)上就有其優(yōu)勢(shì),一旦調(diào)整好基本可以長(zhǎng)時(shí)間地放心使用。 % U2 R3 _* n+ k0 Q" H

: b# m; u2 D3 K* G對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的刀具,消除或減弱產(chǎn)生自激振動(dòng)的因素是非常重要的。在實(shí)際生產(chǎn)中比較簡(jiǎn)單有效的方法是適當(dāng)減小后角a0,在后刀面上磨出消振棱增加切削阻尼,鏜孔時(shí)使刀尖低于工件軸線獲得小后角。頂刃磨出小圓弧也提高了切削系統(tǒng)的阻尼特性。
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發(fā)表于 2008-11-14 18:30:57 | 只看該作者
樓主,能把照片一齊附上嗎?
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 樓主| 發(fā)表于 2008-11-15 10:24:55 | 只看該作者
圖片就不好弄了,我也沒(méi)有辦法!

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