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  • 石墨精密機械加工工藝研究

    2021-07-20 15:03:58


    石墨是一種常見的非金屬材料,呈黑色,具有耐高低溫性、良好的導電導熱性、良好的潤滑性和穩定的化學特性; 導電性好,可用做電火花加工中的電極。與傳統的銅電極相比,石墨具有耐高溫、放電消耗小、熱變形小等諸多優點,在精密復雜件以及大尺寸電極加工方面表現出更好的適應性,已逐步取代銅電極成為電火花加工電極的主流。另外,石墨耐磨材料能在高速、高溫、高壓的條件下使用,不需要潤滑油,很多設備廣泛采用石墨材料制成的活塞杯,密封圈和軸承。目前石墨材料在機械、冶金、化工、國防等領域都得到廣泛的應用,石墨零件種類較多、零件結構較復雜、尺寸精度及表面質量要求較高,國內針對石墨精密機械加工的研究尚不夠深入,國產石墨加工機床也相對較少。國外石墨加工主要采用石墨加工中心進行高速加工,目前已成為石墨精密機械加工的主要發展方向。


    本文主要從以下幾個方面分析了石墨的精密機械加工技術及加工機床。


    ①石墨精密機械加工性能分析; 


    ②石墨常用加工工藝措施; 


    ③加工石墨中常用刀具及切削參數; 


    石墨切削加工性能分析


    石墨屬于非均質結構的脆性材料,石墨切削加工是通過石墨材料的脆性斷裂生成不連續的切屑顆?;蚍勰﹣韺崿F的。針對石墨材料的切削機理,國內外學者做了大量研究,國外學者認為石墨切屑形成過程大致是在刀具切削刃與工件接觸時,刀尖處有擠壓破碎,形成細小切屑和細小凹坑,并產生了一條裂紋,裂紋會向刀尖前下方延伸擴展,形成斷裂凹坑,工件的一部分因刀具推進發生破碎,形成切屑。國內學者認為石墨顆粒極其微細,刀具切削刃的刀尖圓弧較大,因而切削刃的作用類似于擠壓,刀具———工件接觸區的石墨材料受刀具前刀面及刀尖部分的擠壓作用,產生脆性斷裂,從而形成崩碎切屑。


    石墨切削加工過程中,由于工件圓角或拐角處切削方向的改變、機床加速度的變化、刀具切入和切出的方向和角度變化、切削振動等原因,對石墨工件造成一定沖擊,導致石墨件邊角脆性崩碎、刀具磨損嚴重等問題。尤其在加工棱角以及薄窄筋類石墨件時,更容易發生工件的崩角和碎裂,這也成為石墨精密機械加工的一個難點。


    石墨切削加工工藝


    石墨材料的傳統精密機械加工方法有車削、銑削、磨 削、鋸削等,但都只能實現形狀簡單、精度不高的石墨件加工。隨著石墨高速加工中心、刀具以及相關配套技術的快速發展和應用,這些傳統加工方法已經逐漸被高速加工技術所取代。實踐表明: 由于石墨的硬脆特性,在加工時刀具磨損較為嚴重,因此,建議使用硬質合金或金剛石涂層的刀具。


    切削加工工藝措施

    由于石墨具有特殊性,為實現石墨零件的高質量加工,必須采取相應的工藝措施來保證。石墨材料粗加工時,刀具可直接在工件上進刀,采用相對較大的切削參數; 精加工時為避免崩碎的發生,經常采取使用耐磨性好的刀具,減小刀具的切入量,并保證切削刀具的螺距切入量小于刀具直徑 1 /2,加工兩端部時進行減速加工等工藝措施。


    切削加工時還需要合理安排走刀路線,在加工內外形輪廓時,應盡可能采用環繞等高切削,可使得被切削部分受力部位始終比較厚、強度比較高,防止工件斷裂。在加工平面或槽時,盡可能選擇斜線或螺旋進刀; 避免在零件工作面上形成島嶼,避免在工作面上切離工件。


    另外,切削方式也是影響石墨切削加工的重要因素,順銑時的切削振動小于逆銑的切削振動,順銑時的刀具切入厚度從最大減小到零,刀具切入工件后不會出現彈刀現象,故一般石墨加工選擇順銑。


    在加工結構復雜的石墨工件時,除了要按以上的考慮優化加工工藝外,還要根據具體的情況采取一些特殊的措施,以達到最佳的切削效果。


    切削加工刀具

    石墨高速加工中,由于石墨材料的硬度、切屑形成的斷續性以及高速切削特性的影響,切削過程中形成交變切削應力并產生一定的沖擊振動,刀具容易發生前刀面和后刀面的磨損,嚴重影響刀具的使用壽命,因此石墨高速加工用的刀具要求具有較高的耐磨損性和抗沖擊性。


    金剛石涂層刀具具有高硬度、高耐磨性、摩擦系數低等優點,目前金剛石涂層刀具是石墨加工的最佳選擇。


    石墨加工刀具還需要選擇合適的幾何角度,這樣有助于減小刀具的振動、提高加工質量,而且可以降低刀具磨損。德國學者對石墨切削機理研究顯示,石墨切削過程中石墨去除和刀具前角有密切關系。負前角切削增加了壓應力,有利于促進材料的破碎,提高了加工效率,同時避免產生大尺寸的石墨碎片。


    石墨高速切削的常用刀具結構類型有立銑刀、球頭刀和圓角銑刀。立銑刀一般主要用于平面和形狀比較簡單的曲面加工,球頭銑刀是加工曲面的理想刀具,而圓角銑刀兼有球頭刀和立銑刀的特點,對曲面和平面都可進行加工。


    切削參數

    石墨高速切削時選用合理的切削參數對于工件加工質量、效率的提高有著重要的意義,由于石墨高速加工的切削過程非常復雜,選擇切削用量和加工策略時,需要考慮工件結構、機床特性、刀具等多方面因素,這主要依靠大量的切削加工實驗。


    對于石墨材料,在粗加工過程中需要選擇高轉速、快速進給、大吃刀量的切削參數,可以有效提高加工效率; 但由于石墨在加工過程中易產生崩角現象,尤其在棱邊等位置易形成鋸齒狀,在這些部位應適當降低進給速度,不宜大吃刀量。


    對于薄壁結構石墨件,容易發生邊角崩碎的原因主要是由切削沖擊、讓刀和彈刀以及切削力波動所造成。降低切削力可以減少讓刀和彈刀,提高薄壁結構石墨件的表面加工質量,減小邊角崩碎和折斷。


    石墨高速加工中心的主軸轉速一般較大,在機床主軸功率允許的前提下,選取較高的切削速度,可有效地降低切削力,加工效率也可得到顯著提高; 在選定主軸轉速的情況下,每齒進給量應與主軸轉速相適應,以防止進給太快吃刀量大造成崩刃現象。通常石墨切削加工在石墨專用機床上進行,機床轉速一般為 3000 ~ 5000r /min,進給速度一般為 0. 5 ~ 1m /min,粗加工時選擇相對低的轉速,精加工時選擇高的轉速。對于石墨高速加工中心來說,機床轉速較高,一般選擇在 10000 ~20000r /min 之間,進給速度一般在 1 ~ 10m /min 之間。


    石墨高速加工中心


    石墨切削加工中會產生大量的粉塵,污染環境、影響工人健康、影響機床,因此,石墨加工機床必須配備良好的防塵、除塵裝置。由于石墨是導電體,為防止加工過程中產生的石墨粉塵進入機床電器元件中發生短路等安全事故,應對機床的電器元件進行必要的保護。


    石墨高速加工中心為實現高速采用高速電主軸,為降低機床的振動需要設計低重心結構,進給機構多采用高速度高精度的滾珠絲杠傳動,設計防除塵裝置等[7]。石墨高速加工中心的主軸轉速通常在 10000 ~60000r /min 之間,進給速度可以高達 60m /min,加工壁厚可以小于 0. 2 mm,零件的表面加工質量和加工精度高,是目前實現石墨高效高精度加工的主要手段。


    隨著石墨材料的廣泛應用以及石墨高速加工技術的發展,國內外高性能的石墨加工設備逐漸增多。圖 1 所示為國內外一些廠家生產的石墨高速加工中心。


    OKK 公司 的 GR400 采 用 低 重 心、橋 式 結 構 設計,實現機床最小化的機械振動; 采用 C3 級精密絲杠及滾柱導軌,可以保證機床的高加速度,縮短加工時間,采用加裝防濺擋板及機頂蓋的全封閉式鈑金設計防止石墨粉塵。海城 VMC-7G1 所采取的防 塵手段,不是常用的吸塵方法,而是用水簾密封形式,并加裝特殊的粉塵分離裝置,在導軌、絲桿等運動部位,還配備有護套與強力刮屑裝置,以確保機床長期穩定工作。


    從石墨高速加工中心的規格參數可以看出,機床主軸轉速和進給速度都很大,這是石墨高速加工的特點。國內石墨加工中心與國外相比,機床規格相差不大,由于機床裝配、工藝及設計等方面原因,造成機床加工精度相對較低。隨著石墨在制造業中的廣泛使用,石墨高速加工中心越來越受到關注,設計制造出高性能、高效率的石墨加工中心,采用優化的加工工藝,充分發揮其特點和性能,可以提高石墨件的加工效率和質量,對提高我國石墨切削加工技術具有重大意義。


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